摘 要

随着轻质、高强度的新型建筑材料在现代化建筑中的应用得越来越广泛，高层建筑的高度、跨度以及柔度不断增大，致使结构基本自振周期变大、阻尼减小，从而增加了高层建筑对风的敏感性。我国是受台风/强风影响十分严重的国家，然而高层建筑其中主要的控制荷载正是风荷载，它的风特性极大程度上决定了它对建筑结构的作用效果^[1]。因此非常有必要对强风作用下的高层建筑上的风特性进行深入的研究。

在参考了和风特性相关的权威资料的基础上，本文通过对现有的北京325米气象塔和广州中信广场在强风作用下的实测数据进行处理，利用matlab软件进行相关计算并且生成相关图像，然后对这些计算结果和图像进行分析，得出对应的风特性的结论；高层结构抗风设计中风特性包括平均风速、湍流强度、阵风因子、脉动风速谱和湍流积分尺度等，而这些风特性实测分析的结论能够为高层结构抗风设计提供了有效的参考依据和改进方法。

关键词：高层建筑；风场特性；平均风速；湍流度；脉动风速谱

Abstract

With the gradual application of high strength lightweight material new, modern high-rise buildings are moving higher, larger span, high flexible direction, resulting in the structural natural vibration period increased, thereby reduce damping, high-rise buildings on wind sensitivity. China is a country seriously affected by typhoon / wind, and wind load is one of the main control loads on high-rise buildings. Its effect on building structure is mainly determined by its wind characteristics^[1]. Therefore, it is necessary to study the wind characteristics of high-rise buildings under the action of strong wind.

In reference to the authoritative information and correlation of wind characteristics on the processing of measured data in the strong wind of the existing 325 m meteorological tower in Beijing and Guangzhou CITIC Plaza, the relevant calculation and generate related images by using MATLAB software, and then the calculation results and image analysis, draw the corresponding wind characteristics the conclusion of the study on wind resistant design of high-rise buildings; the average wind speed, turbulence intensity, gust factor, wind velocity spectrum and turbulence integral scale change analysis conclusion can provide effective reference and improvement methods for wind resistant design of high-rise structures.

Keywords: High-rise building; Wind field characteristics; Mean wind speed; Turbulence intensity

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 目的及意义 1

1.3 风对建筑结构的作用 2

1.3.1 结构风荷载 2

1.3.2结构的风效应 2

1.4 国内外研究现状分析 3

1.5研究主要内容 3

第2章 大气边界层内的风特性 5

2.1 引言 5

2.2平均风速的特性 5

2.2.1统计时距 5

2.2.2 平均风速和风向 5

2.2.3 平均风速的概率分布 6

2.2.4平均风剖面 7

2.3脉动风特性 8

2.3.1湍流度 8

2.3.2湍流积分尺度 8

2.3.3阵风因子 8

2.3.4脉动风速功率谱密度 9

2.3.5摩擦速度 10

第3章 北京气象塔风特性研究 11

3.1引言 11

3.2北京325米气象塔简介 11

3.3风场特性分析 11

3.3.1平均风速和风向 11

3.3.2湍流强度 12

3.3.3阵风因子 13

3.3.4湍流积分尺度 15

3.3.5脉动风速功率谱密度 17

3.4小结 18

第4章 强风作用下中信广场风场特性研究 19

4.1 引言 19

4.2 中信广场及监控系统简介 19

4.3 中信广场风场特性 19

4.3.1平均风速和风向 19

4.3.2 湍流度 21

4.3.3 阵风因子 22

4.3.4 湍流积分尺度 23

4.3.5 湍流功率谱密度 24

4.4小结 26

第5章 结论与展望 27

5.1结论 27

5.2展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景

风是主要因为地球表面受太阳照射加热不均而引起的空气相对于地面运动，是自然界极其一种常见的现象^[2]。风在人类的生活中有着非常大的影响力，风的动能可以转化为电能，为人类生活提供便利，也可以用来致冷和传播花粉，然而当风速与风力值达到一定的程度的时候，风对人们会造成巨大的伤害，根据相关统计数据表明，风灾是自然灾害中损失最严重的一种，例如在1874年9月22日当晚，一次极为少见的特大台风（史称甲戌风灾）横扫了澳门地区，这一重大自然灾害致使台湾死亡约2000人，澳门死亡约5000人，花王堂等大批重要建筑直接受到破坏，经济损失达到了200万元以上。2004年“珍妮”等飓风在北美造成了部分建筑被毁，约两千人死亡，并且经济损失达到上百亿美元。2005 年，我国因为风灾造成了多达数百亿人民币的损失，并造成数百人的伤亡^[3]。

为了满足更多人口居住的要求，随着施工技术的进步，建筑设计理念的变化，建筑新材料的应用，现代建筑基本朝着更高高度和更大的跨度这个方向发展，从而使建筑结构自身的阻尼变小，基本自振周期变长^[4]，风荷载也成了这种类型建筑的重要控制性荷载，建筑结构的抗风能力要求也越来越高，其风荷载效也必定在结构的设计和施工等方面提出更为严峻的考验。

1.2 目的及意义

风荷载与地震荷载是高层建筑最主要的两种水平效应，然而风荷载的频率要远远高于地震荷载，从而在高层建筑总荷载效应中起着至关重要的作用。在研究风对结构的作用时，我们需要清楚认识近地风沿高度的变化规律、风的湍流特性等相关风特性, 才能准确地确定高层建筑的设计风荷载，从而保证高层建筑的舒适性以及安全性，根据资料表明，建筑荷载与风特性有着直接的联系。这些风特性包括平均风的风速和风向、湍流强度、湍流积分长度、阵风因子以及脉动风速谱等等^[5]。