随着社会经济的发展和科学技术的进步,高层建筑向着高度越来越大、刚度越来越柔的趋势发展,对风荷载的作用显得特别敏感。在强风作用下,建筑振动过大导致的居住不适和建筑外围护损坏造成的财产损失事件时有发生。因此,高层建筑抗风设计不仅关注结构自身的安全性,对正常使用条件下居住安全性研究也显得非常必要。随着大量高层建筑安装非线性阻尼设备,需在时域内研究结构平扭风振响应,由此对作用在建筑物上动力风荷载的确定提出了新的挑战。本文研究大致可分为两个部分:高层建筑平扭脉动风荷载模拟和高层建筑表面风压场重构研究。主要内容包括以下几个方面:1、顺风向脉动风激励数值模拟与结构响应研究。对于符合拟定常假设的高层建筑,假定风荷载时间序列符合高斯分布是合理的。根据Davenport、Kaimal、Von Kármán提出的风速谱和Davenport提出的空间相干函数,采用谐波合成法分别模拟出沿楼层高度分布的顺风向脉动风速时程。对典型矩形高层建筑进行风振时程分析,结果表明:von Kármán谱模拟计算加速度根方差(RMS)值与我国荷载规范、美国圣母大学空气动力数据库(UND)加速度根方差(RMS)值基本一致,Davenport谱结果会过大估计加速度响应约25%,Kaimal谱结果会低估加速度响应约20%。在此基础上研究了考虑顺风向气动阻尼的结构响应规律,随着折减风速的增大,结构加速度响应根方差RMS减小5%~16%,结构顶部位移响应根方差RMS减小5%~20%。2、横风向脉动风激励数值模拟与结构风振响应。由于横风向涡激气动力与结构运动相关性较强,考虑楼层质量分布对建筑横风向脉动风力的影响,本文提出了一种改进的矩形高层建筑横风向脉动激励模拟方法。首先将沿建筑高度分布的横风向加速度谱和楼层质量转化为沿楼层高度分布的横风向惯性力谱,结合横风向力谱的竖向相干函数,模拟出沿建筑高度分布的横风向脉动力时间序列,所模拟的横风向力谱与目标谱吻合较好,能准确反映出横风向脉动力谱窄带宽峰值特性。研究表明:横风向第1阶结构振型占主导,第2阶振型对结构加速度贡献也较大。当结构2/3高度楼层设置黏滞阻尼器时,第2阶频率对应的功率谱峰值减弱较为明显,峰值统计值平均降低约为43.1%,因此计算加速度时至少考虑前2阶振型。在此基础上研究横风向气动阻尼效应,当折减风速约为10.02时,顶部位移出现最大横风向位移峰值,位移根方差增大约57.2%。结构抗风设计时应采取有效措施避开该范围的气动效应。3、扭转向脉动风荷载数值模拟与风致振动研究。考虑建筑层间转动惯量分布对建筑扭转向脉动扭矩力矩的影响,本文提出了一种矩形高层建筑扭转向脉动风荷载的模拟方法。首先提出的建筑顶部扭转角加速度公式与日本建议结果吻合较好,能反映不同厚宽比的扭转角加速度特征。利用达朗贝尔原理,将建筑层间转动惯量和扭转角加速度谱转化成层间扭转功率谱,结合扭转竖向相干函数,模拟出沿楼层高度分布的扭转向脉动风荷载时程。在时域内得到的扭转角加速度响应平均RMS略大于UND数据库结果10%左右,在统计意义上是一致的。此外,结构扭转加速度响应仍以扭转第一阶振型贡献为主。4、高层建筑表面脉动风压场的外推插值重构。为提高建筑边缘或角部区域风压场脉动风压外推插值重构计算精度,本文引入冯·卡门函数,提出了一种改进的POD-Kriging法。由于赫斯特指数和风场相关长度具有一定的先验性,可通过已知测量数据确定先验参数的取值,使该模型在计算过程中已经具有一定风压场统计特征。由重标极差法得到建筑迎风面的赫斯特指数在[0.75-0.85]范围,表明数据的时间序列具有长期记忆效应,属于自相似的随机过程。边角区域外推插值重构精度优于三次样条插值方法和克里格线性变异函数模型。