0　引　言

风荷载是超高层建筑结构的主要水平向荷载，特别是对于位于台风多发地区的超高层建筑，其风致振动则成为结构设计要考虑的首要因素。随着许多超高层建筑在全国各地的兴建，其抗风性能问题已成为研究热点[1]。Davenport[2-3]在研究高层建筑等效静力风荷载时提出阵风荷载因子法；Simiu[4-5]提出了计算超高层建筑等效静力风荷载的新方法；Solari[6-7]对超高层建筑结构横风向的风致振动及其计算方法进行了研究；Kasperski等[8-9]针对线性和非线性超高层建筑提出了计算最大分布风荷载的方法；Marukawa等[10]对棱柱形超高层建筑横风向和扭转向的加速度响应进行了研究；全涌等[11-17]对超高层建筑进行了气动弹性模型风洞试验研究，探讨了风致振动和等效静力风荷载的计算方法。

近年来，现代化的塑料制品注塑成型工艺已经离不开传感器，无论是注塑机还是注塑所需的模具都需要传感器。这些电子“感知器官”在现代化生产中承担着各个模腔的工艺监测和质量检测任务。随着数字化与网络化发展，传感器技术正准备在下一阶段将其应用范围扩展，使其成为工业4.0发展的主要推动者。

目前，中国现行的《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[18]采用风振系数来表征高层建筑顺风向的动力风效应，其计算公式仅适用于规则结构，且仅考虑结构基阶振型。超高层建筑往往具有体型复杂、周围建筑密集、气动力干扰明显等特征，按规范公式计算得到的超高层建筑动力风效应不尽合理。因此，本文在上述学者的研究基础上,将风洞试验与有限元计算分析相结合，以此来计算超高层建筑的风致振动响应(风振系数、结构脉动风时程响应、等效静风荷载等)，进而研究超高层建筑的抗风性能。

喜 娘 新娘踏进门呀，养子中状元；新娘过门垫呀，姑爷做府又做县，姑爷走在前呀，起厝又买田……一拜天地，二拜高堂，夫妻对拜，送入洞房…….

接着打开我们希望添加眩光效果的照片，使用快捷键Ctrl+V将我们刚刚拷贝的高光素材作为图层粘贴在原照片的上方。在图层面板中，使用左上方的混合模式下拉菜单将眩光素材的混合模式从正常更改为滤色。接着使用快捷键Ctrl+T进入自由变换模式，通过拖动图层外部的八个调整手柄更改眩光的大小，使其正确覆盖画面中我们所需要的区域。

1　风洞试验测得各楼层的风荷载

式中：分别为响应D在X，Y方向上的位移峰值响应。

1.1　工程概况

图1为某超高层建筑效果图，包含1#楼(主楼)和2#楼(配楼)，由于所处位置海拔较高，且1#楼(主楼)高达299.3 m，风荷载是其主要荷载之一。为了确保其的抗风安全性，对其进行风洞试验是必要的。

1947年，吴努提出为了防止外来侵略，缅甸需要寻找好的盟友时，也告诫说盟友一旦找错，那会比外来侵略者更危险。[41]英国、美国上述给缅甸带来的这种不信任和经济军事援助诉求的落差，部分印证了缅甸人的这种担心，反向增加了缅甸同中国、苏联保持友好关系的动力。

  

图1　西安环球贸易中心超高层建筑Fig.1　Super High-rise Building of Xi’an Global Trade Center

1.2　试验方法

  

图2　风洞试验Fig.2　Wind Tunnel Test

风洞试验在长安大学风洞实验室CA-1大气边界层风洞中进行。试验模型为一刚体模型(图2)，具有足够的强度和刚度，在10 m·s-1的试验风速下不发生破坏并且不出现振动，保证了测量的精度，模型的几何缩尺比为1∶280。模型的方位、风向角约定以及坐标轴与风向角的关系如图3所示，即X轴指向90°风向，Y轴指向180°风向，Z轴为竖直向。采样频率、采样时间、样本长度及时间相似比如表1所示。

  

图3　坐标轴和风向角Fig.3　Coordinate Axis and Wind Angle

试验工况为：①全封闭试验，取用D类地貌风场；②风向角为0°～350°，每隔10°设置1个测点，共36个；③1#楼模型共分14个区域进行测压，其中模型楼底第1区高度为60.5 mm，第2～13区每区高度为80.4 mm，第14区高度为43.6 mm，第14区西侧、北侧及西北侧为双面测压，其余为单面测压，共设测点328个；④2#楼模型共分9个区域进行测压，自模型底90 mm起每区高度为60 mm，其中第9区为双面测压，其余为单面测压，共设测点140个。

 

表1　试验主要参数Tab.1　Main Test Parameters

  

重现期/年试验采样频率/Hz试验采样长度/点试验采样时间/s原型采样频率/Hz原型采样时间/s时间相似比50312.52100067.23.348627293.33

1.3 各楼层风荷载的计算

通过风洞试验可得到不同风向角下结构各测点的脉动风压系数，再通过积分方法可得到结构每一楼层上的分力。设作用在结构某层上沿X方向、Y方向的总水平风荷载和绕Z轴的总扭转风荷载时程分别为FXm(tm)，FYm(tm)，MZm(tm)，则可以得到各层量纲一的风力系数时程μFX(tm)，μFY(tm)，μMZ(tm)[11-12]，即

 

(1)

式中：Um为与结构某层同高度的试验风速；ρ为空气密度；tm为模型系统的时间；Hm为结构层高；DXm，DYm分别为X向、Y向的特征尺寸。

根据时间相似比λt可得原型的时间序列tk,p为

tk,p=tk,m/λt

(2)

式中：tk,m为第k个采样时刻的模型时间序列，p代表原型。

（二）能学会运用实验、观察等方法来获得信息，善用化学语言、图表、文字来表述信息，学会运用概括、分类、比较、归纳等方法实现信息的加工，与他人主动探讨、交流等，逐步的形成良好的学习方法及学习习惯。

  

图4　作用在结构上的风荷载Fig.4　Wind Load Applied on Structure

利用下述方法计算结构的加速度峰值，以验算超高层建筑的舒适度。设和σA分别为结构加速度响应A的平均值及根方差，则加速度峰值为

 

(3)

  

图5　顶层风荷载时程(0°风向角)Fig.5　Wind Load Time-history Curve of Top Floor (0° Wind Angle)

式中：μFX(tp)，μFY(tp)，μMZ(tp)应根据某层的具体大小取值；DXp，DYp为结构原型截面特征尺寸；UZ为实际边界层风场中高度Z处的风速。

充分发挥国防动员军地一体、互联互通的信息优势，在军委机关、各战区、各军兵种和省军区、集团军、院校及地方各级政府聘请联络员，及时了解掌握国防动员理论和实践动态。采取学术报告、成果发布、报刊选登等方式方法，交流成果，介绍做法，促进转化，为在新的起点上推进国防动员建设发展作出应有的贡献。

限于篇幅以下仅给出顶层(第64层，0°风向角)的风荷载时程，其他数据参考文献[19]。在得到上述结果后，即可将风荷载输入至有限元模型，进而采用ANSYS进行超高层建筑的抗风性能研究。

2　有限元模型的建立

超高层建筑具有结构高、柔性大、小阻尼、自振频率低等特点，属于风敏感性结构，在自然风的作用下易发生共振而受损。本文采用“串联多质点系”力学模型来建立1#楼的有限元模型(图6，其中M1，Mi，Mt，Mn分别为第1，i，t，n层楼的质量)每层质点考虑2个方向的平动质量和剪切刚度、绕竖向参考轴的转动惯量和扭转刚度。竖向参考轴取结构每层的质心轴。风荷载考虑2个平动方向的水平力及绕竖向参考轴的扭矩。

  

图6　串联多质点系模型Fig.6　Series-wound More Particle Model

3　风振系数的计算

《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[18]中结构的风振系数定义为“总风荷载的概率统计值与静风荷载的概率统计值的比值”，其中，总风荷载包括平均风荷载和脉动风荷载两部分。由于该荷载风振系数主要针对以第一振动模态为主的结构提出，对于自振频率分布密集的超高层建筑结构，结构的不同位置、不同构件之间的风振系数存在较大的离散性，因此很难用统一的风振系数来表述整个结构的风振响应特征。通常动荷载可以转化为静荷载与动力效应系数的乘积，其动力效应系数的表示方法有位移风振系数和内力风振系数。已有研究表明[1-19]：位移和内力风振系数沿超高层建筑的表面分布比较均匀，采用它们取代规范中的荷载风振系数后，计算所得的内力基本一致，依然可按照荷载规范所采用公式进行结构风荷载计算。

本文将第1节计算出的1～64层总风荷载时程向量加载到“串联多质点系”有限元模型中的64个楼层所对应的节点进行动力时程响应分析，计算脉动风和平均风所产生的位移和内力响应，并根据式(4)计算1～64层迎风向和横风向的风振系数βZ

βZ=(Rs+Rd)/Rs=1+Rd/Rs=1+gσR/Rs

3.“验责”促提升。为牵住落实党建责任“牛鼻子”，宝胜党委每月发布党建工作提示，对基层党建工作进行每月评分、书面通报；每季度召开党建例会，开展流动红旗评选活动；年底根据《基层党组织星级管理考核办法》、《基层党组织书记述职评议考核办法》对基层党支部和支部书记进行考核，着力加强“验责问效”目标，以饱满的热情、昂扬的斗志、扎实的作风、过硬的本领引领企业发展。

(4)

式中：Rs为平均风所产生的结构位移或内力响应；Rd为脉动风所产生的结构位移或内力响应极值；g为峰值因子；σR为结构某个响应R(可以是位移、加速度或内力等)的根方差。

在此基础上，本文计算了不同风向角下1#楼“串联多质点系”的64个楼层迎风向和横风向的风振系数(图7)。从图7可知：①当风荷载与超高层建筑的迎风面夹角φ接近90°时，其水平向的最大和最小位移风振系数都发生在结构的中部；②当风荷载与超高层建筑的迎风面夹角在20°～70°之间时，位移风振系数则随着楼层的增高而增加，其峰值则出现在顶层。

  

图7　不同风向角下的风振系数Fig.7　Wind Vibration Coefficients with Different Wind Angles

4　结构的舒适度验算

这样把式(1)中的模型系统时间改为实际时间，即可得结构原型的风力系数时程μFX(tm)，μFY(tm)和μMZ(tm)，进而可确定作用在结构原型上的风荷载(图4)。设FXp(tp)，FYp(tp)和MZp(tp)分别为作用在结构原型某层(离地高度为Z，层高为Hp)质心处沿正交轴X，Y方向的水平风荷载和绕Z轴的扭转风荷载时程(图5)，则[14-15]

湾区是指由一个海湾或者相连的若干个海湾、港湾、毗邻岛屿共同组成的区域，是一个地理学的概念。它与沿海地区的区别在于，湾区由海岸线凹进陆地形成，是沿海多个城市共享的水域，是滨海城市特有的空间形态。而也正因为湾区与大陆相连，经济腹地广阔，具有广阔发展前景。在国际上，那些沿海众多港口城市组成的这样一种独特的区域经济发展模式，便是湾区经济。

 

(5)

式中：“±”是为了使取得绝对值最大。

总响应峰值为

 

(6)

式中：分别为响应A在X及Y方向上的加速度峰值响应。

图10给出了1#楼基底峰值剪力、峰值扭矩和倾覆力矩随风向角变化的曲线(100年重现期，结构阻尼比为0.04)。从图10可见：

图8给出了1#楼顶层的加速度峰值随风向角变化的曲线(10年重现期，结构阻尼比为0.01)。从图8可见：

  

图8　加速度峰值随风向角的变化Fig.8　Variations of Peak Acceleration with Wind Angle

(1)结构X向加速度峰值发生在80°风向角，为0.051 7 m·s-2；Y向加速度峰值发生在180°风向角，为0.049 2 m·s-2；最大总加速度峰值发生在230°风向角，为0.057 m·s-2。可见，上述各加速度峰值都小于高层结构顶部最大加速度限值0.25 m·s-2[11-15]，即此高层建筑结构满足结构舒适度的要求。

(2)超高层建筑的顶层水平加速度峰值一般发生在风荷载与迎风面相垂直的时候，而且其扭转加速度峰值的变化趋势在每个区间(0°～90°，90°～180°，180°～270°，270°～350°)都是先减小后增大。

5　结构的刚度验算

利用下述方法计算结构的位移峰值响应，以验算超高层建筑的刚度。设和σD分别为结构位移响应D的平均值及根方差，则该响应的峰值定义为

 

(7)

式中：“±”是为了使取得绝对值最大。

乾隆帝从皇宫至清漪园、惠山园，先后经过长河、凤凰墩、后溪河和万寿山。凤凰墩位于昆明湖南、绣漪桥北，仿无锡黄埠墩而建。乾隆帝南巡无锡时，由黄埠墩去寄畅园，走的便是水路。黄埠墩位于大运河中，乾隆帝乘船前往新开河，“埠墩西放一舟通”⑪，一路“轻棹沿寻曲水湾”⑫，至惠山东麓龙头下换轿入园。

式中：分别为响应F在X，Y方向上的内力峰值响应。

 

(8)

本文首先进行了某超高层建筑的风洞试验以测得结构的风压系数[19]，进而计算出有限元分析所需的各楼层风荷载，为超高层建筑抗风性能研究提供必要数据。

图9给出了1#楼顶层位移峰值随风向角变化的曲线(50年重现期，结构阻尼比为0.02)。从图9可见：

  

图9　位移峰值随风向角的变化Fig.9　Variations of Peak Displacement with Wind Angle

(1)X向位移峰值发生在250°～270°风向角，为10.3 cm；Y向位移峰值发生在210°，为9.95 cm；总位移峰值发生在230°风向角，为12.3 cm。上述位移峰值皆小于结构总高度的0.1%(29.93 cm)，即满足结构刚度验算的要求[11-15]。

每当我们遇到同行的时候，大家往往都会先想他们是不是我的竞争者，其实我们的老祖宗早就告诉我们“物之不齐，物之情也”这个道理，我们不能因为别人的优点而让自己意志消沉，也不能因为同行而让自己走进竞争的死胡同。在行业发展的大潮中，企业与个人要想寻求长久、辉煌的发展，要有大格局和奉献精神。拥抱一个行业，没有保留地投入，当回头的那一刻，你会发现，你已经走在了行业的前端。

(2)超高层建筑的顶层位移峰值也是发生在风荷载与迎风面相垂直的时候，此时迎风面的顺风向位移达到最大值，而其横风向位移则相应地最小。这是因为超高层建筑的前2阶主要振型都是以水平向运动为主。

(3)当风荷载与迎风面呈45°左右的夹角时，超高层建筑的扭转变形达到最大值，这与超高层建筑的第3阶振型以扭转变形为主密切相关。

6　结构的强度验算

利用下述方法计算结构的峰值内力响应，以验算超高层建筑的强度。设和σF分别为结构内力响应F(层间剪力、弯矩)的平均值及根方差，则该响应的峰值定义为

 

(9)

式中：“±”是为了使取得绝对值最大。

总内力响应峰值为

 

(10)

总位移响应峰值为

  

图10　内力峰值随风向角的变化Fig.10　Variations of Peak Internal Force with Wind Angle

该方案的缺点为：由于地铁车站较宽(地下两层标准站宽约22.5 m)，造成门式桥墩跨度较大，梁高需4 m以上才能满足受力要求，这样导致结构受力不合理，对景观影响也大；车站与高架桥总宽度约43 m，占用地下空间资源较大。

(1)X轴向峰值剪力发生在250°风向角，为21 400 kN；Y轴向峰值剪力发生在210°风向角，为21 000 kN；绕X轴峰值倾覆力矩发生在250°风向角，为128 000 kN·m；绕Y轴峰值倾覆力矩发生在210°风向角，为126 000 kN·m；绕Z轴峰值扭矩发生在80°风向角，为73 600 kN·m。上述内力峰值皆小于规范要求[11-15]，即满足结构强度验算。

(2)超高层建筑的基底内力与风向相关：当风荷载与迎风面相垂直时，迎风面的基底剪力与弯矩达到最大值，而其横风向的基底剪力与弯矩则相应地最小。基底扭矩的峰值发生在风荷载与迎风面的夹角为45°时。

7　等效静力风荷载

如果能用一组静力荷载施加在结构上，使其产生的响应正好与按照随机振动理论计算得到的结构各处极值位移或者内力响应基本相符，那么就可将这组静力荷载作为等效静力风荷载，这是联系结构抗风研究和结构抗风设计的桥梁。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[18]第8.1.1条，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式确定

Wk=βZμsμzωo

(11)

式中：Wk为风荷载标准值；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；ωo为基本风压，10，50，100年一遇的基本风压分别为0.20，0.35，0.40 kPa。

根据公式(11)，本文在考虑了周边建筑的气动干扰效应以及横风向风振等问题的基础上，计算了对应于不同风向角(0°～350°)下“串联多质点系”力学模型1#楼的各层等效静风风压，并乘以相应的几何参数，进而给出以质心为作用点，按内力响应峰值等效的等效静力风荷载FX，FY，MZ(对应于图4所示的模型坐标系)。

生产其中Pi为生产的第i个行业的产品；消费其中Ci为消费的第i个行业的产品；出口其中Xi为第i个行业的出口；进口其中Mi为第i个行业的进口。

图11给出了1#楼的等效静力风荷载随风向角变化的曲线(50年重现期，结构阻尼比为0.04)。从图11可见：各楼层的等效静力风荷载与风向角的变化密切相关，水平等效静力风荷载随着楼层的增加其变化规律较为一致，而扭转等效静力风荷载的变化规律则比较复杂。

  

图11　不同风向角下的等效静力风荷载Fig.11　Equivalent Aerostatic Force Loads with Different Wind Angles

8　结语

(1)当风荷载与超高层建筑的迎风面夹角接近90°时，其水平向的位移风振系数极值发生在结构中部；当夹角在20°～70°之间时，位移风振系数随着楼层的增高而增加，其峰值出现在顶层。

(2)超高层建筑的顶层水平加速度峰值、顶层水平位移峰值和基底剪力与弯矩都是发生在风荷载与迎风面相垂直的时候，此时迎风面顺风向的变形和内力都达到了最大值，而其横风向的变形和内力则最小。

(3)随着风向角的变化，超高层建筑的扭转加速度峰值在每个区间(0°～90°，90°～180°，180°～270°，270°～350°)都是先减小后增大。特别是当风荷载与迎风面呈45°左右夹角的时候，超高层建筑的扭转变形和基底扭矩达到了最大值，这与超高层建筑的第3阶振型以扭转变形为主密切相关。

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