7.5 高层结构风振7,5 1 本节内容包含GB 50009。2012第8。4节顺风向风振和风振系数及第8、5节横风向和扭转风振两部分内容中高层结构风振的内容、7 5、2 参考国外规范及我国建筑工程抗风设计和理论研究的实践情况 当结构基本自振周期T,0 25s时。以及对于高度超过30m且高宽比大于1.5的高柔房屋,由风引起的结构振动比较明显，而且随着结构自振周期的增长、风振也随之增强，因此在设计中应考虑风振的影响,而且原则上还应考虑多个振型的影响,对于前几阶频率比较密集的结构,例如桅杆,屋盖等结构。需要考虑的振型可多达10个及以上，应按随机振动理论对结构的响应进行计算、对于T 0。25s的结构和高度小于30m或高宽比小于1。5的房屋.原则上也应考虑风振影响,但已有研究表明,对这类结构，往往按构造要求进行结构设计。结构已有足够的刚度，所以这类结构的风振响应一般不大、一般来说 不考虑风振响应不会影响这类结构的抗风安全性 7，5，3 由于横风向风振对建筑物带来的影响不可忽略,本条对将GB.50009,2012中第8 5、1条中 宜考虑横风向风振的影响,进一步严格为 应考虑横风向风振的影响,判断高层建筑是否需要考虑横风向风振的影响这一问题比较复杂,一般要考虑建筑的高度。高宽比,结构自振频率及阻尼比等多种因素、并要借鉴工程经验及有关资料来判断,一般而言 建筑高度超过150m或高宽比大于5的高层建筑可出现较为明显的横风向风振效应、并且效应随着建筑高度或建筑高宽比增加而增加、细长圆形截面构筑物一般指高度超过30m且高宽比大于4的构筑物 7，5、4，扭转风荷载是由于建筑各个立面风压的非对称作用产生的.受截面形状和湍流度等因素的影响较大。判断高层建筑是否需要考虑扭转风振的影响 主要考虑建筑的高度 高宽比.深宽比、结构自振频率 结构刚度与质量的偏心等因素 7。5，5，7 5。9 对于一般悬臂型结构，例如框架,塔架，烟囱等高耸结构、高度大于30m且高宽比大于1 5的高柔房屋 由于频谱比较稀疏，第一振型起到绝对的作用。此时可以仅考虑结构的第一振型，并通过下式的风振系数来表达 式中 为顺风向单位高度平均风力、kN。m.可按下式计算 为顺风向单位高度第1阶风振惯性力峰值。kN,m 对于重量沿高度无变化的等截面结构.釆用下式计算，式中，ω1为结构顺风向第1阶自振圆频率，g为峰值因子。取为2 5,σq1为顺风向一阶广义位移均方根。当假定相干函数与频率无关时。σq1按下式计算,将风振响应近似取为准静态的背景分量及窄带共振响应分量之和 则式、4 与频率有关的积分项可近似表示为,而式，4,中与频率无关的积分项乘以后以背景分量因子表达，将式、2。式,6.代入式 1,就得到规范规定的风振系数计算式，7、5 6 共振因子R的一般计算式为 Sf为归一化风速谱，若釆用Davenport建议的风速谱密度经验公式。则 利用式 7。和式，8，可得到规范的共振因子计算公式、7，5 7 1，在背景因子计算中.可采用Shiotani提出的与频率无关的竖向和水平向相干函数、湍流度沿高度的分布可按下式计算.式中a为地面粗糙度指数。对应于A，B、C和D类地貌 分别取为0 12。0,15,0。22和0 30 I10为10m高名义湍流度，对应A、B。C和D类地面粗糙度,可分别取0.12。0,14。0、23和0 39。式 6，为多重积分式，为方便使用、经过大量试算及回归分析.釆用非线性最小二乘法拟合得到简化经验公式.7，5、8、拟合计算过程中.考虑了迎风面和背风面的风压相关性 同时结合工程经验乘以了0。7的折减系数 对于体型或质量沿高度变化的高耸结构,在应用公式,7,5,8.时应注意如下问题。对于进深尺寸比较均匀的构筑物,即使迎风面宽度沿高度有变化.计算结果也和按等截面计算的结果十分接近,故对这种情况仍可采用公式，7,5、8.计算背景分量因子，对于进深尺寸和宽度沿高度按线性或近似于线性变化，而重量沿高度按连续规律变化的构筑物、例如截面为正方形或三角形的高耸塔架及圆形截面的烟囱，计算结果表明。必须考虑外形的影响 对背景分量因子予以修正、附录J规定了顺风向风振加速度计算的内容,顺风向风振加速度计算的理论与上述风振系数计算所采用的相同，在仅考虑第一振型情况下。加速度响应峰值可按下式计算，式中,Sq1.ω，为顺风向第1阶广义位移响应功率谱、釆用Davenport风速谱和Shiotani空间相关性公式，上式可表示为。为便于使用，上式中的根号项用顺风向风振加速度的脉动系数ηa表示，则可得到本规范附录J的公式，J，1,1.经计算整理得到ηa的计算用表。即本规范表J 1.2.7、5.10 结构振型系数按理应通过结构动力分析确定,为了简化，在确定风荷载时,可采用近似公式,按结构变形特点。对高耸构筑物可按弯曲型考虑,采用下述近似公式,对高层建筑。当以剪力墙的工作为主时。可按弯剪型考虑,采用下述近似公式，对高层建筑也可进一步考虑框架和剪力墙各自的弯曲和剪切刚度、根据不同的综合刚度参数λ.给出不同的振型系数、附录G对高层建筑给出前四个振型系数.它是假设框架和剪力墙均起主要作用时的情况,即取λ,3、综合刚度参数λ可按下式确定，式中,C、建筑物的剪切刚度,EIw.剪力墙的弯曲刚度。EIN,考虑墙柱轴向变形的等效刚度。Cf、框架剪切刚度，Cw，剪力墙剪切刚度、H。房屋总高,7.5.11。7,5 12，当建筑物受到风力作用时。不但顺风向可能发生风振.而且在一定条件下也能发生横风向的风振，导致建筑横风向风振的主要激励有 尾流激励,旋涡脱落激励，横风向紊流激励以及气动弹性激励 建筑振动和风之间的耦合效应、其激励特性远比顺风向要复杂.对于圆截面柱体结构、若旋涡脱落频率与结构自振频率相近.可能出现共振 大量试验表明.旋涡脱落频率fs与平均风速v成正比、与截面的直径D成反比。这些变量之间满足如下关系，其中,St是斯脱罗哈数 其值仅决定于结构断面形状和雷诺数 雷诺数、可用近似公式Re,69000vD计算,其中。分母中v为空气运动黏性系数.约为1 45.10、5m2，s。分子中v是平均风速 D是圆柱结构的直径，将影响圆截面柱体结构的横风向风力和振动响应.当风速较低,即Re.3.105时、St、0 2 一旦fs与结构频率相等,即发生亚临界的微风共振，当风速增大而处于超临界范围。即3.105,Re 3，106时。旋涡脱落没有明显的周期.结构的横向振动也呈随机性、当风更大,Re，3，106,即进入跨临界范围,重新出现规则的周期性旋涡脱落，一旦与结构自振频率接近,结构将发生强风共振，一般情况下、当风速在亚临界或超临界范围内时 只要釆取适当构造措施.结构不会在短时间内出现严重问题、也就是说，即使发生亚临界微风共振或超临界随机振动.结构的正常使用可能受到影响.但不至于造成结构破坏，当风速进入跨临界范围内时,结构有可能出现严重的振动 甚至于破坏 国内外都曾发生过很多这类损坏和破坏的事例。对此必须引起注意，规范附录H、1给出了发生跨临界强风共振时的圆形截面横风向风振等效风荷载计算方法。公式 H、1，1、1，中的计算系数λj是对j振型情况下考虑与共振区分布有关的折算系数。此外、应注意公式中的临界风速vcr与结构自振周期有关，也即对同一结构不同振型的强风共振。vcr是不同的,本条第3款将横风向风振等效风荷载计算的公式适用的高宽比范围由GB.50009,2012规定的，高宽比4,8之间，缩窄至 高宽比4。6之间，主要原因如下，当基本风压超过0 5kPa时 对于高度在200m以上，高宽比在6以上时。按照上述公式计算时会出现横风向风振等效风荷载会明显超过顺风向荷载的情况 详细算例见表7、表9,由于风荷载作为控制荷载、其对高层建筑的性能指标起着决定性作用、直接影响到建筑物的建造成本.由于横风向风振等效风荷载会作为主控工况进行组合。当其明显超过顺风向风荷载时，按此进行抗风设计的成本会较大幅度增加，因此当建筑高宽比超过6或者根据附录H。2计算得到的横风向风振等效风荷载明显超过顺风向风荷载时。须通过风洞试验手段对结果进行校核，方能用于工程设计。附录H、2的横风向风振等效风荷载计算方法是依据大量典型建筑模型的风洞试验结果给出的.这些典型建筑的截面为均匀矩形.高宽比,和截面深宽比 D.B。分别为4.6和0 5，2,试验结果的适用折算风速范围为。大量研究结果表明、当建筑截面深宽比大于2时 分离气流将在侧面发生再附.横风向风力的基本特征变化较大、当设计折算风速大于10或高宽比大于6,可能发生不利并且难以准确估算的气动弹性现象、不宜采用附录H。2计算方法.建议进行专门的风洞试验研究.高宽比在4，6之间以及截面深宽比D,B在0，5.2之间的矩形截面高层建筑的横风向广义力功率谱可按下列公式计算得到,式中 fp 横风向风力谱的谱峰频率系数、NR。地面粗糙度类别的序号 对应A。B、C和D类地貌分别取1,2。3和4、Sp、横风向风力谱的谱峰系数，βk,横风向风力谱的带宽系数，γ。横风向风力谱的偏态系数、图H,2，4给出的是将 6，0代入该公式计算得到的结果,供设计人员手算时用.此时、因取高宽比为固定值、忽略了其影响。对大多数矩形截面高层建筑.计算误差是可以接受的 附录J中规定了横风向风振加速度计算的内容、横风向风振加速度计算的依据和方法与横风向风振等效风荷载相似、也是基于大量的风洞试验结果。大量风洞试验结果表明.高层建筑横风向风力以旋涡脱落激励为主。相对于顺风向风力谱，横风向风力谱的峰值比较突岀 谱峰的宽度较小、根据横风向风力谱的特点。并参考相关研究成果 横风向加速度响应可只考虑共振分量的贡献.由此推导可得到本规范附录J横风向加速度计算公式.J 2.1.7、5 13 截面尺寸和质量沿高度基本相同的矩形截面高层建筑.当其刚度或质量的偏心率、偏心距 回转半径，不大于0 2，且同时满足.D，B在1,5 5范围。可按附录H。3计算扭转风振等效风荷载,当偏心率大于0 2时。高层建筑的弯扭耦合风振效应显著。结构风振响应规律非常复杂 不能直接釆用附录H。3给出的方法计算扭转风振等效风荷载,大量风洞试验结果表明。风致扭矩与横风向风力具有较强相关性.当时 两者的耦合作用易发生不稳定的气动弹性现象,对于符合上述情沉的高层建筑.建议在风洞试验基础上 有针对性地进行专门研究、7，5、14,高层建筑结构在脉动风荷载作用下 其顺风向风荷载，横风向风振等效风荷载和扭转风振等效风荷载一般是同时存在的 但三种风荷载的最大值并不一定同时出现、因此在设计中应当按表7、5、14考虑三种风荷载的组合工况、GB,50009，2012参照日本荷载规范给出了顺风向风荷载 横风向风振等效风荷载、扭矩风振等效风荷载的组合工况 其忽略了顺风向与横风向荷载之间的相关性 即在考虑顺风向荷载时不组合横风向，而考虑横风向等效风荷载时 顺风向仅根据经验考虑静力荷载部分.并且扭转风振等效风荷载未与另外两个方向的风荷载组合 本规范以日本规范的原始版本为基础、结合大量风洞试验数据的风荷载分量组合系数、对日本规范中相关条文进行简化得到表7。5、14.其中，因实际风洞试验经验表明、横风向与顺风向荷载的相关系数大部分在15、20，之间、日本规范以及ISO规范定义的组合系数为40、本规范考虑目前情况和经验。取为，20,同时扭转工况时也需考虑顺风向和横风向荷载的组合,