复杂形体超高层建筑横风向响应及等效静力风荷载研究

高层建筑的横风向响应及荷载非常复杂，它来源于来流紊流、尾流和气动反馈三个方面的激励。虽然研究人员关注这一问题已有二十多年，但迄今为止仍然没有形成成熟的理论和分析方法，在很多国家的规范中尚无相关的规定。我国《建筑结构荷载规范》给出的横风向荷载仅仅适用于烟囱等细长圆形结构。本项目对复杂形体超高层建筑横风向响应及荷载研究中的几个重要基础性问题开展研究。利用高频天平测力风洞试验测量复杂形体超高层建筑刚性模型的横风向气动力，研究横风向气动力的产生机理，分析结构外形的复杂变化对横风向气动力的影响，并导出相应的公式；对复杂形体超高层建筑进行气动弹性模型测振风洞试验，用随机子空间方法识别横风向气动阻尼，分析气动阻尼的成因和各因素的影响规律，并表达成数学公式；最后基于横风向气动力和气动阻尼的研究成果，建立复杂形体超高层建筑的等效静力风荷载的计算方法，为这类建筑的结构设计提供理论基础。 2100433B

本项目将现场实测、风洞实验和理论分析结合起来，系统地研究超高层建筑风荷载反分析方法。基于互联网技术建立超高层建筑风效应监测系统，测试强/台风登陆过程中的风特性及结构风致响应，获取超高层建筑的动力特性和风振信息；研究超高层建筑风荷载频域及时域反分析新方法，建立相应的理论模型；以实测动力参数及风致响应为基础反演超高层建筑顺风向、横风向的脉动风荷载，系统地研究超高层建筑风荷载的作用机理及风致响应的规律性特征，评估响应类别、动力特性参数估计误差及有限元模型分析误差等因素对风荷载反演结果的影响；开展气动弹性风洞实验，进一步发展和完善超高层建筑脉动风荷载的反分析理论；利用数值模拟评估脉动风荷载反分析方法的适用性及可靠性，提出实用的反演算法。研究成果将为超高层建筑抗风设计及相关研究提供有用的资料及依据。

风荷载是超高层建筑的主要控制荷载，而风荷载作用下超高层建筑的横风向风致效应往往又是这类结构设计中的控制因素。目前，虽然对顺风向风荷载特性的理解较为完整，但是，由于横风向、扭转向风荷载形成机理复杂，迄今为止尚未形成被普遍接受的超高层建筑三维风荷载分布特性和理论描述，这制约了超高层建筑抗风设计理论的发展。本项目拟从钝体空气动力学原理入手，采用风洞试验与数值模拟相结合的方法，对紊流激励、尾流激励、气弹激励等不同机制对超高层建筑三维风荷载的影响进行精细化分析，建立具有普遍意义的典型超高层建筑三维风荷载模型。在此基础上，系统研究超高层建筑各类气动抗风措施的作用机理，确定气动抗风措施对超高层建筑三维风荷载特性的影响，提出具有普遍意义的典型超高层建筑气动抗风措施。期望通过本项目的研究，能对我国超高层建筑抗风设计理论的发展起到一定推动作用。 2100433B

对超高层建筑横风向风荷载规范的几个重要基础问题开展研究。在多种模拟风场条件下对复杂超高层建筑刚性模型进行风洞试验，获得典型超高层建筑的横风向荷载，导出主要参数的闭合公式；在多种模拟风场条件下对复杂超高层建筑气动弹性模型进行风洞试验，获得典型超高层建筑的横风向气动阻尼，导出实用公式；在国内目前已建成的最高建筑上进行风特性和结构风致响应的实测，研究台风平均风速及脉动风速特性以及结构风致效应；基于风洞试验结果，从规范应用角度出发，研究群体建筑干扰因子的合理表达；通过现场实测和风洞试验，研究建筑局部风压特性以及围护结构的抗风设计理论和方法。通过以上研究，推进超高层建筑抗风研究领域的发展，提高我国建筑荷载规范的水平，为超高层建筑的设计提供科学基础。 2100433B