高层建筑横风向湍流脉动风压动力反应计算.pdfVIP

第25卷 第2期 应 用 力 学 学 报 Vo1．25 No．2 2008年 6月 CHINF．SE JoURNAL oF APPLIED MECHANICS Jun．2008 文章编号：1000—4939(2008)02—0218—06 高层建筑横风向湍流脉动风压动力反应计算 葛 楠 侯爱波 周锡元。 (中国建筑科学研究院 100013北京) (北京T业大学 100022 北京)。 摘要：根据湍流脉动压力的产生机理，从湍流理论的基本方程出发，根据Taylor关于湍流的“冻 结”假定，导出了湍流脉动风压谱密度函数的解析计算公式。在分析过程中考虑了压力方程源项中 全部“紊动一剪切”项的影响。若取用合适的湍流积分尺度，则由此公式得出的横风向脉动风压谱 密度函数值与足尺观测数据相吻合，因此对以前的研究成果有一定的改进。由于在接近结构第一 阶自振频率时，谱函数值仍处于较高的水平，因此根据湍流脉动风压谱密度函数计算得出的结构横 风向风振动力反应位移值与加速度值均高于由日本规范等公式中规定的漩涡脱落扰力引起的反应 值，而且推测随结构高度的增加这一影响也有增加的趋势。建议对此问题进行更深入的研究并在 高层建筑结构设计时考虑这一差别的影响。 关键词：对流速度；雷诺数；谱密度函数；湍流；富氏变换；流速梯度 中图分类号：TU973．213 文献标识码： A 对这方面也进行了一些研究工作[2 ]。在我国的《建 1 引 言 筑结构荷载规范(GB5009--2001)》中考虑了圆形截 面建筑物横向风荷载的作用。目前，涉及高层建筑 当结构受到正向来风的作用时，由于气流中脉 横风向风荷载及动力反应最为详细的是日本的建筑 动现象的存在，使它在横风向也会受到脉动风压荷 规范[5]，其中给出了由尾流中的漩涡脱落引起的横 载的作用。对于横风向风荷载由于它的复杂性，不 风向脉动风荷载计算公式与风振动力反应计算方 能采用与顺风向脉动风压谱类似的方法来计算，目 法。国内的一些研究者通过刚性模型多点测压风洞 前还没有建立其解析形式的模型，现在一般处理这 试验也建立了初步用于设计工作的简化计算方 个问题的基本方法是采用风洞试验与原型观测。通 法[4]。文献[3]全面地归纳总结了过去的研究中给 常根据高频测力天平、气动弹性模型和刚性模型多 出的横风向激励力谱密度函数的数学描述公式，并 点测压风洞试验的结果，经过分析、对比，建立高层 指出虽然这些公式都经过了风洞试验的检验，也存 建筑横风向动力风荷载模型，再提出横风向风振反 在有不足之处，湍流的影响明显地改变了谱密度函 应求解方法。虽然到目前为止国内外已做过不少这 数的形状，提出了将涡激力谱与湍流的影响分离开 方面的试验与理论研究，也取得了一些成果，但距工 研究的想法。在以上的方法得出的横风向脉动风压 程实际应用的要求尚有差距，例如加拿大西安大略 谱密度函数曲线中具有一个明显的峰值，反映出横 大学风洞试验室曾做过许多这方面的研究工作[1]， 风向脉动风压频率处于一个固定值附近。当来风风 但加拿大国家建筑规范中也只包含了横风向涡激共 速增加到使谱密度函数曲线的峰值等于建筑物的第 振的内容，对其余的横风向作用并没有提及。我国 一 阶自振频率时，称为共振风速。 *基金项目：国家自然科学基金项目 来稿日期：2006-03—12修回日期：2007—06—11 第一作者简介：葛楠，男，1963年生，博士，北京建筑