L型截面高層建筑風荷載特性及其優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、隨著科學技術(shù)水平的發(fā)展和城市用地的日益緊張，高層建筑物逐漸向更高、更輕、更柔的趨勢發(fā)展，高層建筑物的體型也更加復(fù)雜。作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和幕墻設(shè)計的控制性因素，風荷載及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不可忽視的重要問題。然而，現(xiàn)有的風荷載研究主要針對方形或矩形截面高層建筑物，對于平面不規(guī)則高層建筑物的研究相對匱乏。本文首先以某L型截面高層建筑的工程案例為研究背景，對其表面風壓分布及風荷載特性進行了分析;為進一步得到具有普適性的規(guī)律，對

2、一系列L型截面高層建筑開展了不同工況的剛性模型風洞試驗研究，并基于試驗結(jié)果對L型截面高層建筑的風荷載特性進行了深入的研究;最后，利用最優(yōu)準則法對L型截面高層建筑的風荷載進行了優(yōu)化設(shè)計研究。主要的研究工作包括:
　　對CAARC高層建筑標準模型分別開展了剛性模型測壓試驗和高頻動態(tài)天平測力試驗研究。給出了測壓試驗管路頻響函數(shù)的修正方法和風壓時程采集信號的平滑處理方法。通過與不同風洞研究機構(gòu)的試驗結(jié)果進行比較，驗證了湖南大學建筑與環(huán)境風

3、洞試驗室的試驗設(shè)備、流場模擬、數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)的可靠性。同時，結(jié)合測壓試驗結(jié)果，建立了適用于CAARC高層建筑標準模型的順風向、橫風向及扭轉(zhuǎn)向?qū)语L荷載的功率譜經(jīng)驗公式。
　　研究了某L型截面高層建筑風壓分布及風荷載特性。利用瞬態(tài)風壓積分法推導(dǎo)了適用于主體結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計的整體體型系數(shù)。對負壓區(qū)的測點脈動風壓概率分布特性進行了分析，證明采用高斯分布對極值風壓進行估算并不合理。風致響應(yīng)和等效靜力風荷載的分析結(jié)果表明:位移響應(yīng)只需考慮第一

4、階模態(tài)的影響，加速度響應(yīng)至少需要考慮前三階模態(tài)的影響;順風向的靜力等效風荷載由平均風荷載控制，橫風向的靜力等效風荷載由慣性風荷載控制。對比研究了新、舊荷載規(guī)范的風振系數(shù)計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果，指出新規(guī)范的風振系數(shù)比舊規(guī)范有所提高，風洞試驗的風振系數(shù)結(jié)果在建筑物底部比新規(guī)范值小，隨著高度的增加，逐漸增加并超過規(guī)范值。
　　在4種典型地貌條件下，完成了8種不同幾何尺寸的L型截面高層建筑剛性模型的同步測壓試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對L型截面高

5、層建筑表面風壓分布特性進行研究，討論了風向角、湍流強度、厚寬比、高寬比、測點高度等因素對平均風壓和脈動風壓分布的影響?？偨Y(jié)了L型截面高層建筑在典型風向角下各立面的風荷載體型系數(shù)。對L型截面高層建筑表面測點脈動風壓的功率譜特性和相干性進行了研究。利用偏度-峰度檢驗法，給出了L型截面建筑表面測點非高斯性區(qū)域的劃分標準，并基于廣義極值分布理論，對峰值因子進行了合理的估算。
　　研究了L型截面高層建筑的三分力系數(shù)和基底力矩系數(shù)，確定了風荷

6、載作用的最不利風向角，并對最不利風向角下的三分力系數(shù)和基底力矩系數(shù)功率密度譜進行了討論。以厚寬比和地貌類型為基本變量，利用最小二乘法分別建立了適用于L型截面高層建筑順風向、橫風向及扭轉(zhuǎn)向風荷載的數(shù)學模型，同時建立了順-扭、橫-扭風荷載的相干函數(shù)的數(shù)學模型，并采用算例對風荷載數(shù)學模型的可靠性和精確性進行了驗證。
　　基于虛功原理和瑞利商原理，建立了以梁、柱、剪力墻構(gòu)件的截面尺寸為設(shè)計變量、建筑物的自重為目標函數(shù)、建筑物的風致響應(yīng)為約

7、束條件的L型截面高層建筑抗風優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型。根據(jù)Kuhn-Tucker條件，對優(yōu)化設(shè)計過程中采用的最優(yōu)準則法進行了詳細的推導(dǎo)。通過算例對該高層建筑抗風優(yōu)化設(shè)計方法的有效性和經(jīng)濟性進行了驗證，結(jié)果表明:優(yōu)化設(shè)計后，建筑物的整體剛度顯著提高，總重量比優(yōu)化前降低了18.1％，橫風向等效靜力風荷載減小約為9.03％。
　　本文以風洞試驗為主，結(jié)合理論分析詳細研究了L型截面高層建筑的風荷載特性及其抗風優(yōu)化設(shè)計。研究成果可為L型截面高層建筑