摘 要

高耸结构是指横断面较小、高度较高的细长结构。居有结构柔，阻尼小的特点，在高层建筑中，由于风的作用，容易产生风振，进而破坏结构甚至损坏和摧毁建筑，结合湖北省武汉市黄陂区,某一高耸结构建筑。该高耸结构平面布置呈椭圆形，进行风洞试验研究所得出的数据，从结构设计的角度和高度对风荷载的计算进行了研究，以及顺风向、横风向和扭转风荷载随风向的变化关系，分析了结构顺风向、横风向和扭转基底弯矩（扭矩）谱。并对高层结构的抗风安全性进行了研究与分析。

关键词：高耸结构；风洞试验；风压效率；形状系数；风荷载；等效静风荷载；

Abstract

Towering structure is a slender structure with small cross section and high height. It has the characteristics of soft structure and small damping. In the high-rise building, wind vibration is easy to produce, and it will destroy the structure even damage and destroy the building. It combines the Huangpi District of Wuhan city of Hubei Province, and a tall building. The high-rise structure is arranged in ellipse, and the data obtained from the wind tunnel test are carried out. The calculation of wind load is studied from the angle and height of the structure design, and the relationship between wind direction, wind direction and torsional wind load with wind direction and wind direction and torsional wind load, and the torque of wind direction, transverse wind direction and torsion base (torque) are analyzed. ) the spectrum. The wind resistant safety of high-rise structures is also studied and analyzed.

Key words: high-rise structure; wind tunnel test; wind pressure efficiency; shape coefficient; wind load; equivalent static wind load;

目录

第1章 绪论 6

1.1 高耸结构概述  6

1.2 高耸结构风效应的基本原理及研究现状 7

1.2.1风的形成 7

1.2.2 风荷载分类 8

1.2.4高耸结构风效应的研究现状 8

1.3研究内容、目的及意义 9

第2章 椭圆截面高耸结构风效应的风洞试验 9

2.1 工程概况 9

2.2 数据分析原理 12

2.2.1脉动风 12

2.2.2脉动风特性 13

2.2.3阵风系数 13

第3章高耸结构表面风压的风洞试验研究 14

3.1 引言 14

3.2 平均风压系数与脉动风荷载 14

3.2.1风压系数随风向角的变化关系 15

3.1.1风压系数随高度的变化 16

3.2体型系数 17

第4章高耸结构等效静力风荷载的风洞试验研究 20

4.1 引言 20

4.2基底的三维功率图谱 20

4.3基底顺风向荷载功率图谱 20

4.4基底横风向荷载功率图谱 21

第5章 等效静力风荷载 22

5.1引言 22

5.2 静力风荷载运算方法 22

5.2.1.阵风荷载因子(GLF)法 22

5.2.2荷载响应相关(LRC)法 23

5.2.3惯性风荷载(IWL)法 23

5.3 重现期50年的等效风荷载 24

5.3.1重现期50年，结构阻尼比0.05 24

5.3.2重现期50年，结构阻尼比0.04 26

第6章 结论及展望 27

6.1结论 27

6.2结语 28

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 高耸结构概述 

横断面较小，结构柔，阻尼小，高度较高是高耸结构的特点。相比与超高层建筑物，高耸结构的建筑物是多以观赏或者其他具有专业性特点的用途，高耸结构一般主要会用与通信塔，航站塔，输电塔，古建筑塔，大气监测塔，电视塔等

塔，作为一种建筑形式，出现在我们的生活中，高耸结构建筑特点以美观为主，更多用于电视塔，通信塔。

河南省郑州市嵩岳寺塔享有中国四大名塔之一的美誉，嵩岳塔共有15层，平面呈十二边形，总高37.045米，底层直径为10.6米，内部直径约为5米，其他的三座名塔分别为千寻塔、释迦塔、飞虹塔。提起高耸结构塔建筑，想必大多数人会首先想起位于法国巴黎的埃菲尔铁塔，矗立在塞纳河南岸巴黎战神广场的埃菲尔铁塔建成于1889年，建成初期的埃菲尔铁塔还曾为世界上最高的建筑物，也因此成为法国文化的象征之一。埃菲尔铁塔的建成也开创了人类建造高耸结构建筑的先河。随着科技技术以及人类的各方需求，高耸结构成为了无线电通讯和电视塔的首选，更重要的是高耸结构占地少，工期短，其外形更具观赏性。因此对高耸结构的发展呈现出更好的发展趋势。

1.2 高耸结构风效应的基本原理及研究现状

1.2.1风的形成

由于太阳光照射在起地球表面上所产生大气的温度不均匀，产生水平气压梯度力。风的形成乃是空气流动的结果，从而形成了风  风荷载是高耸结构所承受的主要荷载，可以将风荷载分为两个方向进行研究——动力和静力，由于风荷载作用于结构的时间长，作用在建筑物表面的风荷载也不是均匀分布的，所以在设计时必须提高对风速年限的统计。

当风作用在高耸结构上，会容易造成以下结果：

（1）使结构建筑物或结构构件因受力过大或失稳；

（2）造成结构建筑物或结构构件过大的挠曲或变形 ；

（3）因为风荷载的作用是反复进行的，所以可能会引起结构建筑物或结构构件的疲劳破坏；

（4）由于气流的不稳定性，可能会导致结构物产生加剧的气动力；

（5）风荷载作用在建筑物上会过大的加速度或位移，引起居住者的不舒适感。

引起上述结果的原因主要有以下几方面：

脉动风引起结构的顺风向振动，对结构影响比较大；

当风流过建筑物时，脉动风会在结构物的两侧背后产生交替旋涡，从而会引起结构发生横风向的振动。脉动风作用在高耸结构上的这种振动所造成的影响是不可忽视的；

前端建筑尾流中的气流引起的振动；

空气负阻尼引起的横风向失稳振动。

风灾是对高耸结构中造成影响最大的自然灾害。在强风的风荷载作用下，会对高耸结构产生较大的弯曲变形。对导致结构产生结构的破坏。电视台、输电塔在强风的作用下遭到破坏的情况时有发生。为了避免这种灾害对高耸结构的破坏研究也是迫在眉睫。如何系统的分析与解决椭圆截面高耸结构的风效应对结构的影响研究也成为很多学者研究的重要课题。对风工程研究的主要方法分为三种：理论分析、风洞试验、现场实测与数据模拟。

近年来，我国的风灾频发，尤其是海边城市经常遭受强台风的侵袭，根据国内外数据统计表明，风灾是造成损失最为严重的自然灾害。近几年，每逢夏季来袭，台风频繁登录我国各沿海城市，风灾是对高耸结构中造成影响最大的自然灾害，在强风的风荷载作用下，会对高耸结构产生较大的振动与弯曲变形，进而会导致结构产生疲劳甚至会造成结构的破坏，近些年来，电视台、输电塔在强风的作用下遭到破坏的情况时有发生。为了避免这种灾害对高耸结构的破坏研究也是迫在眉睫。在查阅各个资料对高耸结构的研究，有多位专家学者对此进行了研究。顾明,王凤元,全涌,陈伟,张锋等人对超高层建筑风荷载的试验研究^[7],李会知，郑冰，张伟对高层建筑风响应及等效静态风荷载的研究^[8]，张建国,顾明,张永对高层建筑静力等效风荷载研究^[10]，但是对椭圆截面的高耸结构的研究课题在还是比较少。如何系统的分析与解决椭圆截面高耸结构的风效应对结构的影响研究也成为很多学者研究的重要课题。

准确地评估与分析研究高耸结构的风效应，并以此为基础作出开展抗风的设计，将会大大避免风灾对高耸结构的破坏。当前各个国家都给出了相应荷载规范的规定，但由于风荷载本身存在着随机性，对建筑结构的作用力非常的复杂。这让专业学者利用规范的相关理论和相关计算公式去计算高耸结构的风荷载以及风振效应存在着很大的困难。风洞试验的提出也是为了更好的解决此类问题，利用风洞试验得出的数据为依据，可详细的评估结构的风效应。

1.2.2 风荷载分类

风对高层建筑的作用：

在高耸结构上作用的风荷载分为两种：平均风荷载、脉动风荷载。进而对建筑物进行分析，将风作用在建筑物上的力进行划分，分为顺风向、横风向、扭矩

（1）顺风向风荷载：建筑物所受到的顺风向风荷载是与风流方向相同的风向，由于力分为静力和动力两部分，顺风向荷载平均部分以静力来分析与讨论，对其在结构就的作用以静力的方式进行计算，而脉动风荷以动力来进行分析讨论，主要是其与自身结构的动力特性有关

（2）横风向风荷载：作用在建筑物结构的横风向风荷载的产生原因是由于旋涡脱落，与来流的湍流有影响，作用在高层建筑的横风向风荷载的确定主要方法以风洞试验为主进行分析。

（3）扭转风荷载:： 由于脉动风荷载瞬时作用在建筑物时存在随机性性，在作用点上不重合，所导致受力不均匀，发生了扭转。

1.2.4高耸结构风效应的研究现状

研究结果的抗风分析方法分两种，时域法是指建筑布局在以风荷载为输入的前提下，按照时域表达式，对结构响应进行详细分析的一种方法。进行结构的线性及非线性分析。所得结果且更直观。目前风力工程研究方法主要采用频域分析。风洞实验采取的首要实验方式分为三种：建筑结构模型的多点同步测风压试验，高频动态天平试验等，限于篇幅不进行过多介绍，本文主要运用了前面所提到的建筑结构模型的多点同步测压试验，其主要原理是将建筑物通过几何缩尺比模拟制成较小的模型，通过在模型上施加相应的风荷载（荷载大小也是按比例对模型施加），通过在模型上施加压力，在模型上的各压力测点最终测出模型各面的压力，通过各测点得出的压力对高耸结构建筑物进行分析、研究，对设计和预防风灾有着很大的帮助。

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