本書(shū)較為系統地介紹了高層建筑結構風(fēng)致振動(dòng)的理論與應用技術(shù)。首先，介紹了高層建筑風(fēng)致振動(dòng)的所必備的基礎知識，包括風(fēng)對結構作用形式、高層建筑風(fēng)致振動(dòng)的概念及研究進(jìn)展、研究的基本方法。其次，詳細介紹了高層建筑順風(fēng)向脈動(dòng)荷載模擬方法、考慮順風(fēng)向氣動(dòng)阻尼的結構風(fēng)致響應、高層建筑橫風(fēng)向脈動(dòng)荷載模擬方法、考慮橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼的結構風(fēng)致響應及考慮粘滯結構阻尼的結構減振效應、高層建筑扭轉向脈動(dòng)荷載模擬方法及振動(dòng)響應。最后，考慮建筑外圍結構風(fēng)致?lián)p毀的背景下，分析了高層建筑表面風(fēng)場(chǎng)維護邊緣地帶風(fēng)壓場(chǎng)外推插值重構方法。

孫業(yè)華，1980年生，高級工程師，國家一級注冊結構工程師，工學(xué)博士?，F任江西財經(jīng)大學(xué)信息管理與數學(xué)學(xué)院工程管理系副主任。研究方向為風(fēng)工程與結構振動(dòng)控制。參與國家自然科學(xué)基金2項，國家社會(huì )科學(xué)基金1項，主持省教育廳科技項目1項，省住建廳科技項目1項，省級教學(xué)改革項目1項，省級一流本科課程1項。發(fā)表論文10余篇。

第1章 緒論

第2章 高層建筑順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載模擬與時(shí)程分析

第3章 高層建筑橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)力模擬研究

第4章 高層建筑扭轉向脈動(dòng)風(fēng)荷載模擬研究

第5章 高層建筑表面風(fēng)場(chǎng)外推插值重構研究

第6章 超高層建筑風(fēng)振控制分析

前 言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展及科技的創(chuàng )新，高層建筑日益向更高、更柔軟的趨勢發(fā)展。超高層建筑具有輕質(zhì)、高柔等特性，對風(fēng)荷載特別敏感。在強風(fēng)作用下，由建筑振動(dòng)響應過(guò)大導致的居住不適和建筑外圍護損壞等情況時(shí)有發(fā)生。因此，高層建筑抗風(fēng)設計不僅要關(guān)注結構的安全性，而且要對正常使用條件下居住的舒適性進(jìn)行研究。當前，隨著(zhù)大量高層建筑采用非線(xiàn)性阻尼設備，結構平扭風(fēng)振響應變得越來(lái)越復雜，這對確定作用在建筑物上的動(dòng)力風(fēng)荷載提出了新的挑戰。本書(shū)大致可分為兩個(gè)部分：高層建筑平扭脈動(dòng)風(fēng)荷載模擬和表面風(fēng)壓場(chǎng)重構研究。

第一部分主要研究高層建筑順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵、橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵、扭轉向脈動(dòng)風(fēng)激勵及相應結構的風(fēng)振響應。

（1）順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵數值模擬與結構響應研究。高層結構表面的風(fēng)壓基本上由來(lái)流特性控制，其滿(mǎn)足擬定常假設風(fēng)荷載，時(shí)間序列符合高斯分布。本書(shū)利用達文波特（Davenport）、卡曼（Kaimal）、馮·卡門(mén)（von Kármán）提出的風(fēng)速譜和達文波特空間相干函數，并運用諧波合成法模擬了沿樓層高度分布的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，同時(shí)對典型矩形高層建筑進(jìn)行了風(fēng)振時(shí)程分析，分析結果表明：馮·卡門(mén)譜模擬計算出的加速度根方差與我國相關(guān)荷載規范和美國圣母大學(xué)（University of Notre Dame，UND）空氣動(dòng)力數據庫中的加速度根方差基本一致，達文波特譜高估加速度響應約25%，卡曼譜則相反，低估了約20%。在此基礎上，本書(shū)研究了結構風(fēng)振響應規律與順風(fēng)向氣動(dòng)阻尼的關(guān)系，隨著(zhù)折減風(fēng)速的增大，結構頂部位移加速度響應根方差減小了5% ～ 20%，加速度響應根方差減小了5% ～ 16%。

（2）橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵數值模擬與結構風(fēng)振響應研究?？紤]到樓層質(zhì)量分布對建筑橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)力的影響，且橫風(fēng)向渦激氣動(dòng)力與結構運動(dòng)的相關(guān)性較強，本書(shū)提出了一種改進(jìn)的矩形高層建筑橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵模擬方法。第一步將沿建筑高度分布的橫風(fēng)向加速度譜和樓層質(zhì)量轉化為沿樓層高度分布的橫風(fēng)向慣性力譜；第二步結合橫風(fēng)向風(fēng)力譜的豎向相干函數，模擬沿建筑高度分布的橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)力時(shí)間序列。所模擬的橫風(fēng)向風(fēng)力譜與目標譜的吻合程度較高，能準確反映橫風(fēng)向脈動(dòng)力譜窄帶寬峰特性。模擬結果表明：第一階振型占主導地位，第二階振型對結構加速度的貢獻不容小覷。在結構2/3 高度處設置黏滯阻尼器時(shí)，第二階頻率對應的功率譜峰值減小得較為明顯，峰值統計值平均降低約43.1%，因此計算橫風(fēng)向加速度時(shí)至少需要考慮前2 階振型。此外，在研究橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼效應的過(guò)程中發(fā)現，當折減風(fēng)速約為10.02 時(shí)，頂部位移出現最大橫風(fēng)向位移峰值，位移根方差增大約57.2%。因此，進(jìn)行結構抗風(fēng)設計時(shí)應采取有效措施避開(kāi)該段的氣動(dòng)效應。

（3）扭轉向脈動(dòng)風(fēng)激勵數值模擬與風(fēng)致振動(dòng)研究?？紤]到建筑層間轉動(dòng)慣量分布對建筑扭轉向脈動(dòng)扭矩的影響，本書(shū)提出了基于基底扭矩功率譜密度函數的矩形高層建筑扭轉向脈動(dòng)風(fēng)激勵模擬方法。研究表明：建筑頂部扭轉角加速度與日本建筑學(xué)會(huì )（Architectural Institute of Japan，AIJ）建議的最大扭轉角加速度經(jīng)驗公式計算結果的吻合程度較高（AIJ，2015），且能反映不同深寬比（D/B）的扭轉角加速度特征。而本書(shū)利用達朗貝爾原理，將建筑層間轉動(dòng)慣量和扭轉角加速度譜轉化成層間扭轉功率譜，并結合扭轉豎向相干函數，模擬了沿樓層高度分布的扭轉向脈動(dòng)風(fēng)激勵時(shí)程，在時(shí)域內得到的扭轉角加速度響應根方差比UND 數據庫中的大了約10%。此外，結構扭轉向加速度的響應主要受到結構扭轉向第一階振型的影響。

第二部分是高層建筑表面脈動(dòng)風(fēng)壓場(chǎng)的外推插值重構研究。為提高建筑邊緣或角部區域風(fēng)壓場(chǎng)脈動(dòng)風(fēng)壓外推插值重構計算的精度，本書(shū)引入馮·卡門(mén)函數，并提出了一種改進(jìn)的本征正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）- 克里金（Kriging）法。由于赫斯特（Hurst）指數和風(fēng)壓場(chǎng)相關(guān)長(cháng)度具有一定的先驗性，可通過(guò)實(shí)測數據確定先驗參數的取值，使本書(shū)改進(jìn)的本征正交分解- 克里金法在計算過(guò)程中具有一定的風(fēng)壓場(chǎng)統計特征。研究表明：由重標極差分析法（rescaled range analysis，R/S）得到的建筑迎風(fēng)面的赫斯特指數為0.75 ～ 0.85，說(shuō)明數據的時(shí)間序列具有長(cháng)期記憶效應，屬于自相似的隨機過(guò)程。這使得所提出的邊角區域外推插值重構法的計算精度優(yōu)于三次樣條插值法和基于線(xiàn)性變異函數的普通克里金法。

作為研究結構抗風(fēng)的著(zhù)作，本書(shū)的出版是對脈動(dòng)風(fēng)荷載在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉向三個(gè)方向脈動(dòng)分量模擬的深入探索。本書(shū)在撰寫(xiě)過(guò)程中，參考了隨機振動(dòng)相關(guān)理論和大量學(xué)者的研究成果，希望本書(shū)的出版能夠推動(dòng)對相關(guān)理論的研究，為結構抗風(fēng)設計領(lǐng)域提供幫助與借鑒。由于時(shí)間有限，書(shū)中難免有不足之處，謹請同行專(zhuān)家批評指正。本書(shū)的出版得到了江西財經(jīng)大學(xué)信息管理與數學(xué)學(xué)院的資助。在此，感謝所有為本書(shū)的出版提供幫助的專(zhuān)家和領(lǐng)導。

孫業(yè)華

2024年3月

本書(shū)系統性介紹了高層建筑結構風(fēng)致振動(dòng)的理論與應用技術(shù)，著(zhù)重分析高層建筑風(fēng)致振動(dòng)的本質(zhì)及應用。本書(shū)從高年級本科生和低年級碩士研究生的思維角度出發(fā)，盡可能用樸實(shí)的語(yǔ)言深入淺出地準確表達知識內容，使廣大讀者能夠掌握全書(shū)的主要內容。

隨著(zhù)工業(yè)革命的持續推進(jìn)，經(jīng)濟技術(shù)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展，而人口大量向大都市區域聚集，大大加劇了城市土地資源的稀缺。在這樣的背景下，人類(lèi)開(kāi)始探索和實(shí)踐更高水平的建筑技術(shù)，這使得我們的城市天際線(xiàn)屢次被刷新。據世界高層建筑與都市人居學(xué)會(huì )的統計，2000～2010 年全球最高的100 座建筑的平均高度從286 m 增加到349 m。

風(fēng)與社會(huì )的發(fā)展及人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)，從古代利用風(fēng)車(chē)灌溉農田到現代利用風(fēng)力發(fā)電解決電力短缺問(wèn)題，風(fēng)不斷為人類(lèi)造福。但風(fēng)也會(huì )給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)巨大的災害，據統計，人類(lèi)所遭受的自然災害中，風(fēng)災造成的經(jīng)濟損失遠超地震、水災及火災等各種自然災害之和，尤其是臺風(fēng)、颶風(fēng)、龍卷風(fēng)等所造成的人員傷亡、經(jīng)濟損失及社會(huì )影響更為突出（表1.1）。全球每年產(chǎn)生的風(fēng)力在8 級以上的熱帶氣旋達80多個(gè)，死亡人數約為2萬(wàn)人，經(jīng)濟損失超過(guò)80 億美元。

風(fēng)致結構振動(dòng)響應在很大程度上取決于建筑的幾何外形、結構剛度、阻尼比和質(zhì)量等因素。不同的幾何外形會(huì )造就不同的氣流繞流模式，由此形成的風(fēng)荷載也不同，如超高層建筑——上海中心大廈改變幾何外形后，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗發(fā)現，旋轉、不對稱(chēng)的外立面較方形截面減少了約60% 的風(fēng)荷載。當來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)卓越頻率與結構固有頻率接近時(shí)，會(huì )產(chǎn)生較大的風(fēng)致振動(dòng)響應。

除結構本身的特性之外，結構的風(fēng)致振動(dòng)還與來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)的特性有關(guān)。來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)的紊流尺度越大、紊流度越高，結構的隨機風(fēng)振響應越大。另外，當上游結構或其他障礙物對來(lái)流有一定的干擾時(shí)，結構繞流產(chǎn)生的旋渦脫落可能會(huì )導致其下游產(chǎn)生高紊流度且沿橫風(fēng)向流動(dòng)的尾流，該現象稱(chēng)為氣動(dòng)不穩定；當下游結構處在氣動(dòng)不穩定區域內時(shí)，下游的來(lái)流會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的脈動(dòng)現象，使結構的振動(dòng)形態(tài)改變，而結構的振動(dòng)形態(tài)反過(guò)來(lái)又會(huì )改變其繞流形態(tài)，這種流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）現象稱(chēng)為氣彈效應。

風(fēng)荷載以面荷載的形式作用在建筑物表面，不同的表面形狀產(chǎn)生的氣動(dòng)力不同。高層建筑在高度方向上具有連續的整體性且滿(mǎn)足剛性隔板假定，因此，可將風(fēng)荷載凝聚成廣義的集中力作用在高層建筑等效質(zhì)點(diǎn)上。在高層建筑抗風(fēng)研究中，根據來(lái)流方向與結構振動(dòng)的關(guān)系，可把風(fēng)荷載分為順風(fēng)向風(fēng)荷載、橫風(fēng)向風(fēng)荷載和扭轉向風(fēng)荷載。與此同時(shí)，可把高層建筑風(fēng)振響應分為順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉向的三個(gè)分量來(lái)考慮。根據風(fēng)荷載的形成機理，順風(fēng)向風(fēng)荷載主要由迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生，并受來(lái)流湍流的影響；橫風(fēng)向風(fēng)荷載主要由剪切層分離導致旋渦脫落引起；扭轉向風(fēng)荷載則由建筑表面壓力分布不對稱(chēng)引起。

風(fēng)對建筑的作用是指通過(guò)建筑外圍護結構所受到的脈動(dòng)風(fēng)壓，以合力的形式使結構發(fā)生順風(fēng)向抖振、橫風(fēng)向馳振、渦脫共振、扭轉發(fā)散振動(dòng)等，這些振動(dòng)不僅會(huì )影響結構的內力，而且會(huì )導致結構產(chǎn)生動(dòng)力失穩現象。而建筑風(fēng)致振動(dòng)研究是在假定建筑外圍護完好無(wú)損的前提下進(jìn)行的，但強風(fēng)下建筑外圍護損壞每年都會(huì )發(fā)生。建筑外圍護損壞會(huì )瞬間改變表面風(fēng)壓的分布形式，不僅會(huì )影響結構的安全性，而且會(huì )對人的生命和財產(chǎn)安全產(chǎn)生重大影響。