不同体型超高层结构风振响应精细化分析

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现阶段大量的实测表明,高层结构的动力特性与其设计阶段的理论值有较大差别,而且拟建阶段理论计算的结构风振加速度往往大于运营后实测的风振加速度,其原因可能在于计算风振响应时采用的计算模型与建筑运营时的实际状态有所不同,不能反映建筑真实的振动情况。针对此问题,本文先对中美日荷载规范、澳大利亚/新西兰规范和国际标准化协会ISO标准进行总结和对比,采用5种规范计算某方形和某矩形超高层结构的风荷载和风振加速度,并与刚性模型风洞试验结果对比。再采用有限元软件分析结构的风振加速度,研究不同精细化程度的超高层结构在不同加载方式下的风振加速度与风洞试验结果的异同,得到不同体型超高层结构计算风振响应的最佳计算模型,为城市建筑群中复杂体型的超高层结构风振响应分析及舒适度评估提供了可行的方法。本文的主要工作和成果如下:1.基于上述5种规范研究2栋不同体型超高层结构的三向风荷载、顶层加速度及计算参数,可知:中国荷载规范关于基本风压、地面粗糙度类别、风荷载体型系数、风压高度变化系数的定义及计算公式相对合理,但是中国规范的峰值因子取值比其余4种规范计算的峰值因子小;采用澳大利亚/新西兰规范和ISO标准计算超高层结构的顺风向风荷载较大,美国规范计算值明显偏小,中国和日本规范计算值居中。而且中国与日本规范计算两类体型超高层建筑的顺风向风振加速度较为吻合,美国和澳大利亚/新西兰规范计算结果远高于中国和日本规范,表明中国规范对于不同体型超高层建筑顺风向风荷载及其风振加速度的计算结果较为合理可靠,但对于横风向风荷载及其风振加速度的预测结果仍不完善,中国规范计算横风向等效风荷载的公式亟待改进。2.研究某方形和某矩形超高层结构的刚性模型风洞试验,将得到的结构内力和顶点加速度与前述规范计算值进行比较分析。可知:中、日、澳和ISO规范计算所得水平向弯矩值均要比风洞试验值大,说明了各国风规范计算超高层结构的顺风向和横风向风荷载时偏于安全;对于方形超高层结构,横风向风振响应甚至超过顺风向而成为影响结构风振响应的主要因素;但是对于矩形超高层结构,若迎风面远大于横风面,则横风向加速度与顺风向加速度差别较小;而且我国荷载规范评估超高层建筑风振响应加速度偏小,建议采用风洞试验来进行风振响应加速度的评估。3.采用ETABS有限元软件进行某方形和某矩形超高层结构的风振时程分析,将楼板简化为不同精细化程度的刚性隔板或准刚性隔板,对比质心加载或分布加载下结构的风振响应区别,并分析与风洞实验数据的异同,得到不同体型超高层结构计算风振响应的最佳计算模型。结果表明:与典型高层结构常用的刚性隔板和质心加载组合模式结果对比,对于方形有内凹的超高层结构,将楼板简化为吻合结构实际截面形状的多个刚性隔板,并采用分布式加载最合理;而对于矩形超高层结构,将楼板简化为准刚性隔板,采用质心加载比采用分布式加载计算得到的顶层加速度更加吻合实际情况。
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