高层建筑荷载估算 高层建筑结构设计中风荷载



     目前世界上正在经历着史无前例的高层、超高层建筑建设高峰。芝加哥西尔斯大厦(Sears tower)曾以443m的高度稳坐世界最高建筑物宝座26年。而现在世界上,拟建、在建和已建的400 m以上的结构有37栋,尤以正在建造且已超过700 m的迪拜大厦(Burj Dubai)为首。发达国家甚至提出了千米高度量级的“空中城市”的概念。随着结构高度的增加和高强材料的使用,低阻尼、高柔结构的风振响应更加显著,使得强风作用下的结构风荷载成为结构安全性和舒适性设计的控制荷载。

  从Davenport [1]最早将随机概念和方法引入建筑结构的抗风研究30多年以来,在建筑结构的顺风向荷载及响应的研究方面,已逐渐形成比较完善的计算理论和方法[ 2 ,3],主要成果也反映在多数国家的建筑结构荷载规范中。

  1 风的特征及风压

  风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球上大气加热和温度上升的不均匀性,从而在地球相同高度的两点之间产生压力差,这样使不同压力差的地区产生了趋于平衡的空气流动,便形成了风。

  大量的统计资料表明,近地风的平均风速随着高度的升高而增大,同时对应于不同的地面粗糙度具有不同的变化规律。通常可采用风速剖面来描述平均风。平均风剖面是微气象学研究风速变化的一种方法。目前,气象学家认为用对数律表示大气底层强风风速廓线比较理想,其表达式为

  3 高层建筑风振控制

  高层建筑的风振控制有多种方法,包括调频质量阻尼器(Tuned Mass Damper,简称TMD)、调频液柱阻尼器(Tuned Liquid Damper,简称TLCD)、调频液体阻尼器(Tuned Liquid Damper,简称TLD)、挡风板(Aerodynamic Appendays)控制、锚索控制、粘弹性阻尼器一类的耗能构件控制等,其中,调频质量阻尼器、挡风板控制和锚索控制等又分主动控制和被动控制,本文只对调频质量阻尼器和调频业主阻尼器和粘弹性阻尼器等比较常见的被动风振控制方法进行介绍。

  3.1 调频质量阻尼器(TMD)

  调频质量阻尼器在实际高层中已得到应用,例如1977年在美国波士顿约翰汉考克大厦(John Hancock Tower,Boston)和1978年在纽约西蒂柯布中心(Citicorp Center,New York)分别安装了调频质量阻尼器,西蒂柯布中心安装的调频质量阻尼器系统。

  调频液柱阻尼器(TLCD)。调频液柱阻尼器是一种U型的管状水箱,并在水平管得中不设置格兰,为的是增加阻尼。U型的管状水箱安装固定在建筑物的顶部。当建筑物在风荷载作用下运动时,水箱将一同运动一同运动,致使水箱中的水晃动,水晃动产生的惯性力对水箱壁的作用就形成了对建筑物的减振力。

  粘弹性阻尼器。正如减速器能使门的关闭速度减缓那样,在高层建筑物内部安装粘弹性阻尼器,同样能达到减小结构物摆动的目的。粘弹性阻尼器已成功地应用于美国纽约世界贸易中心(110层)和西雅图哥伦比亚中心(77层)等大楼中。

  在高层建筑和大跨度建筑结构设计中,风振响应和风振系数是计算的重点和难点之一。我国的规范提供高层高耸结构在顺向风效应的风振系数的计算方法,这一方法不太适用于复杂高层建筑和大跨度建筑。因此,在复杂的高层建筑和大跨度建筑设计时,风荷载的确定需要采用其它更精确的方法来确定。

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