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1、第20卷第3期华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版)Vol.20No.32003年9月 J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)Sep.2003高层建筑扭转风向动力风荷载数学模型112肖天 梁 波 田村幸雄(1.华中科技大学 土木工程与力学学院,湖北 武汉 430074;2.东京工芸大学 建筑学科,日本)摘 要:针对矩形截面的高层建筑物,对不同高宽比和边长比的9种模型进行风洞实验,通过对大量数据的处理和分析,考察了模型高度、高宽比、边长比对高层建筑物扭转风向风力功率谱(扭矩功率谱)的影响规律,并拟合出了一个以风速、湍流强度、边长比等为参数的高层建筑物扭矩功
2、率谱密度函数的数学表达式,与试验结果吻合较好,证明它是合理有效的.关键词:高层建筑; 功率谱; 扭矩; 边长比+中图分类号:TU973.213 文献标识码:A 文章编号:100025730(2003)0320067204 高层建筑物的高宽比大,水平方向刚度小,侧向荷载在总荷载中占有相当大的比重.除了地震作用外,主要的侧向荷载风荷载作用极其频繁,因此,风荷载是高层建筑的一种重要的设计荷载,有[1]时甚至起决定作用.高层建筑扭转风振会增大截面边界附近的位移与加速度.对于高宽比大于3的高层建筑物,尤其当迎风面较大,建筑物形体不规则时,扭转风荷载响应可成为建筑物边界点[2]响应中的主要
3、因素.又由于高层建筑中的居住者对建筑物的扭动比平动更为敏感,因此在高层建筑的设计中必须考虑到扭转风向动力风荷载的响应问题.我国对这方面内容的研究还比较少,有[3]关规范还未能对此内容作出规定.目前,计算风工程方法不够成熟,风洞实验仍是描述各种截面的建筑物动力风荷载的主要和可靠手段.1 风洞实验概况图1 实验气流特性1.1 气流特性模型高度,B为迎风面宽度,D为模型断面厚度.风洞实验在回流式边界层风洞中进行,风洞表1 实验模型几何参数高2m,宽3.1m,边界层长度为16m,实验气流编号BömmDömmHömmDöBHöBD模拟B类地面粗糙度(指数A=0.16,梯度风高度M1100100
4、3001.03M21001004001.04zG=350m)的边界层湍流(图1).M31001005001.051.2 实验模型M4791264001.64模型采用1∶500的几何缩尺比,截面形状均M5711424002.04M6581734003.04为矩形.利用9个模型进行风洞实验,表1列出了M7126794000.64各组实验模型的尺寸参数,模型横截面面积的平M8142714000.54M9173584000.34方根BD为常数(100mm).表中及下文中,H为收稿日期:2003203206.作者简介:肖天 (19782),男,硕士研究生;武汉,华中科技大学土木工程与力学学院(
5、430074).©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.· 华 中 科 技 大 学 学 报68·(城市科学版)2003年1.3 层风力测试将模型沿高度方向均分为10个测量层,最顶层高度为0.95H(图2),风向与迎风面保持垂直.各层每边有8个水平力测点,8个扭矩测点.采样时间间隔设定为1.6ms,样本总数16992,采样时间总计约为27.2s.图3 高度变化对扭矩功率谱的影响图2 建筑物竖向及横截面特征2 实验结果分析把实验得到的风压时程响应序列进行傅立叶变换,得到扭矩功率谱
6、曲线.将横坐标与纵坐标都规格化,并以对数座标表示.将频率n转变为nBö2U,U为风速.把S(n)转变为nS(n)öR,使之无量纲.规格化后的频率,常将其取值范围规定为0～1.0,因为一般结构的响应频率范围在n=0～36Hz,在所取的模型中,B=58～173mm,U=6mös图4 模型高宽比对扭矩功率谱的影响左右,这样只需考虑nBöU<1.0时的情况.级脱落,使较规则的漩涡脱落趋于紊乱,在高频区2.1 高度变化的影响产生第二个波峰,两谱峰的带宽都较大,无明显的图3给出了模型M3(H∶B∶D=5∶1∶1)尖峰.当DöB=3时,第二个波峰峰值增大,两谱第3,6及9层的扭矩规格化功率谱曲线.
7、可见,在峰逐渐接近,较难区分.低频区域,力谱值随着高度的增大而减小;在高频区域则相反,力谱值随着高度增大而增大.力谱峰3 扭矩功率谱的拟合值随着高度的增大而减小,但峰值频率基本不变.2.2 高宽比的影响在一些文献提供的公式基础上,对实验所得图4中,随着建筑物高宽比的增大,力谱峰值的大量数据进行曲线拟合,尽量使拟合出的曲线上升,带宽变窄,峰值频率增大.在高频及低频区公式形式简单易用,并且适用范围广,最终给出高域,力谱值变化较小.总的说来,建筑物高宽比对层建筑
