建筑结构风振响应的理论分析及程序实现

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我国经济的飞速发展和城市化程度的不断提高推动着高层、超高层建筑及大跨结构的不断发展,而高层建筑和大跨结构的外形也越来越多样化,越来越复杂。对于高层建筑和大跨度结构,风荷载引起的效应在总荷载效应中占有相当大的比重,甚至起控制性作用.《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)(以下简称荷载规范)中风振系数的图表一般顾及了比较规则的建筑,并只考虑了第1振型的作用,对于沿高度质量和刚度变化较大的建筑工程和构筑物,由于其体型系数、质量等沿高度变化大,规范中则难以顾及。因此迫切需要用更合适的结构风振分析软件来直接计算复杂高层建筑和大跨结构的动力风荷载。本文通过阅读大量相关文献,以我国荷载规范的理论和原则为基础,研究开发了PKPM结构分析软件中的建筑结构顺风向风振分析软件,使用户可以更准确地确定复杂高层建筑的顺风向等效风荷载和顶点加速度。文中给出了若干典型工程的算例,对计算结果进行了对比分析。结果表明,对于常规的高层建筑,风振分析软件计算出的等效风荷载与荷载规范风振系数方法的计算结果十分接近,而对特殊复杂高层建筑,两者的等效风荷载数值差距可达15%,说明对复杂高层建筑进行准确的风振分析是很有必要的。此外,本文推导了体育场挑棚结构风振随机振动计算的理论公式及其风振系数的计算公式。在风振计算中,采用了工人体育场改造工程风洞试验测压数据拟合所得的脉动风压谱,考虑了脉动风压分布及多个振型的贡献。计算结果分析表明,用风洞试验得到的风压谱与用Davenport风压谱计算的风振系数结果比较接近,前者具有更理想的计算精度,计算结果已应用在设计中。基于位移根方差,我国荷载规范推得了顺风向等效风振力并由此得到风振系数。而我国《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—98)根据顺风向等效风振力求得了顺风向顶点最大加速度,这样计算在理论上作了一定的近似。本文对此问题进行了研究,基于结构随机振动理论得到了高层建筑顺风向风振加速度根方差,推得了更准确的顺风向顶点最大加速度计算方法,并用背景分量共振分量方法和数值积分方法分别计算了相应的参数,给出了方便实用的计算方法,并与高钢规方法作了比较,发现两者有10%左右的数值相差。对复杂高层建筑舒适度验算的例题计算表明,高振型对加速度计算的影响不可忽略,误差可以达到20%,用软件方法可以明显提高计算精度。
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