基于风洞试验的高层建筑三维等效静力风荷载及其组合方法研究

Wind loads acting on tall buildings are three-dimensional, including the wind loads in along-wind and across-wind direction, as well as torsional direction around the vertical axis, in case of the structural wind-resistant design, the combined action of wind loads in the three directions must be considered. In order to meet the security, serviceability, comfort and economics, the most important thing is to evaluate three dimensional equivalent static wind loads of tall buildings accurately based on the research of the wind-induced dynamic responses, including the calculation method of three dimensional equivalent static wind loads and the combination method of three dimensional equivalent static wind loads. Although some research on equivalent static wind loads and wind load combination were conducted by the researchers of structural wind engineering, the relevant research work, especially on the equivalent static wind loads of asymmetric tall buildings and the combination model of three dimensional equivalent static wind loads are not very mature. This application project aims to analyze theoretical and practical calculation method of three dimensional equivalent static wind loads and obtain the combination method of three dimensional equivalent static wind loads based on research of the correlation and the joint probability distribution of three dimensional wind-induced dynamic responses of typical tall buildings. The accomplishment of this application project would improve the wind-resistant design level of tall buildings significantly, and provide some theoretical and experimental proofs on the development of correlative standards as well.

作用在高层建筑上的风荷载包括顺风向、横风向与扭转向风荷载。在进行高层建筑抗风设计时，应该考虑这三维风荷载的共同作用。为了满足高层建筑安全性、实用性、舒适性与经济性的要求，必须在研究高层建筑风振响应的基础上，准确把握其三维等效静力风荷载，包括高层建筑三维等效风荷载计算与三维等效风荷载组合方法。尽管结构风工程界对高层建筑三维等效静力风荷载及其组合方法的研究已经开展，但还不够全面、深入，尤其在非对称截面高层建筑三维等效风荷载以及三维等效风荷载的组合模型等方面的研究尚不成熟。本申请项目旨在通过风洞试验与理论分析系统地研究典型对称、非对称截面高层建筑的三维等效风荷载理论计算方法与实用分析方法，在研究高层建筑三维风振响应的相关性与联合概率分布的基础上，得到高层建筑三维等效风荷载组合方法。该项研究的开展将大幅度提高我国高层建筑的抗风设计水平，并为相关的规范条文的制定提供理论与实验依据。

作用在高层建筑上的风荷载包括顺风向、横风向与扭转向风荷载，在进行高层建筑抗风设计时，应该考虑这三维风荷载的共同作用。对于高层建筑来说，不仅要保证高层建筑在风荷载作用下的安全性、适用性与舒适性，又要本着资源节约的目的，不因过分强调结构的安全性、适用性与舒适性而忽略了其经济性。为了更好的在这两方面找到一个平衡点，在研究高层建筑风振响应的基础上，准确把握其风致响应与三维等效静力风荷载至关重要，结构三维等效风荷载的准确把握包括高层建筑三维等效风荷载计算与三维等效风荷载组合方法。尽管结构风工程界对高层建筑三维等效静力风荷载及其组合方法的研究已经开展，但还不够全面、深入，尤其在非对称截面高层建筑三维等效风荷载以及三维等效风荷载的组合模型等方面的研究尚不成熟。针对上述问题，本项目通过风洞试验与理论分析系统的进行了高层建筑的风致响应简化计算、三维等效风荷载以及风荷载组合方法研究，并取得了一些有用的成果：通过理论推导，研究了二阶振型对超高层建筑风致响应的贡献，并提出了考虑二阶振型的结构风致响应简化计算方法；基于高频测力天平测试得到的结构线性（常数）型振型广义荷载谱，推导得到了结构各阶振型广义荷载谱，并提出了可考虑高阶振型贡献的结构风致响应计算方法；推导建立了偏心高层建筑三维等效静力风荷载评估方法；基于高频测力天平风洞试验与气动弹性模型风洞试验数据，采用两种方法建立了结构风效应背景分量、共振分量和合风效应的联合概率分布函数并提出了在一定保证率下的结构三维风荷载组合系数取值。该项目的完成，将有效提高结构风致响应与等效风荷载的评估精度，将为相关规范条文的制提供理论与实验依据，是具有重要的理论意义和工程应用价值的工作。该项目的开展与完成，对准确进行高层建筑抗风设计提供了依据，将进一步完善和发展高层建筑抗风设计方法，并显著提高结构抗风设计精度。