随着轻质高强材料的广泛应用、新型结构体系的出现和先进施工技术的发展,超高层建筑不断涌现出来,并有向千米量级发展的趋势。对于千米级超高层建筑而言,该类建筑属于风敏感建筑,风荷载是其主要控制荷载。然而,当前的荷载规范或标准无法适应其抗风设计的需求,主要表现为如下两个问题:其一,各国荷载规范中给出的风速剖面所适用的最大高度较低(200～650 m),这虽然能为一般的超高层建筑确定风荷载,但远无法满足千米级超高层建筑的抗风设计需求;其二,各国荷载规范或标准中均假定大气边界层中的水平风向角沿高度不发生变化,然而,大气边界层理论上可分为近地面层(高度100～200 m)、Ekman层和自由大气边界层(高度1～3 km),在Ekman层内水平风向会沿高度逐渐变化,从而产生显著的风向偏转角。为解决上述问题,本文首先开展了千米高度良态风场特性的实测研究,提出了适于描述千米高度近地风特性的平均风速、风向剖面模型。其次,研究了千米高度近地风特性的风洞模拟技术和CFD数值模拟技术,在大气边界层风洞中生成了偏转风场,并建立了高保真的定常CFD数值模拟方法。之后,研究了偏转风场及相应无偏等效风场中不同气动外形(方形、凹角、削角、锥形、螺旋90?和螺旋180?)的千米级超高层建筑的风荷载和风致响应特性,明确了偏转风的影响规律和作用机理,并比较了不同气动外形超高层建筑的抗风性能。最后,提出了超高层建筑横向、纵向和扭转向等效静风荷载的计算公式,初步建立了考虑风向偏转的抗风设计方法。具体而言,本文主要工作包括如下几个方面:(1)采用边界层风廓线雷达BLP测量了我国北方某沿海地区的千米高度良态强风场的资料,提出了一套组合的质量控制方案以提高其数据精度及输出效率。在此基础上,对千米高度平均风速特性进行分析,通过凝聚聚类分析方法得到了两种有代表性的风速剖面形式,提出了千米高度平均风速剖面的数学模型,并探讨了模型中的气动参数特性。对千米高度平均风向特性进行分析,提出了适于描述千米高度近地风特性的平均风向剖面模型。(2)自行设计了一套导流装置,并结合该导流装置与传统被动模拟装置,在大气边界层风洞中生成了具有千米高度近地风特性的偏转风场;此外,提出了与上述偏转风特性相对应的无偏等效风特性的等效原则,并采用传统被动模拟装置在风洞中生成了无偏等效风场。采用RANS方法对千米高度无偏和偏转风场的沿程自保持性进行研究,建立了千米高度偏转风特性及其对应的无偏等效风特性的高保真的定常CFD数值模拟方法。上述工作为后续研究千米级超高层建筑的风荷载和风致响应特性、评估偏转风效应奠定了基础。(3)采用刚性模型测压风洞试验和CFD数值模拟方法对偏转风场及相应无偏等效风场中不同气动外形的千米级超高层建筑模型的风荷载特性进行了研究,明确了偏转风对平均和脉动风荷载特性的影响规律,探讨了偏转风的作用机理,并比较了不同气动外形超高层建筑的抗风性能。(4)分别基于时域分析和频域分析方法研究了偏转风场及相应无偏等效风场中不同气动外形的千米级超高层建筑的风致响应特性,明确了偏转风对顶点位移、加速度、内力等特性的影响规律,并比较了不同气动外形超高层建筑的抗风性能;深入探讨了偏转风对位移背景响应和共振响应、以及高阶模态响应贡献和耦合模态响应贡献的影响。(5)基于前述研究结果,结合我国荷载规范,初步建立了无偏和偏转风场中千米级超高层建筑横向、纵向和扭转向的等效静风荷载的相互转换关系,从而形成了考虑风向偏转影响的抗风设计方法,可供设计人员参考。