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本書較為系統(tǒng)地介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的理論與應(yīng)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(chǔ)知識(shí)，包括風(fēng)對結(jié)構(gòu)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(xì)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(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)、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(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)及考慮粘滯結(jié)構(gòu)阻尼的結(jié)構(gòu)減振效應(yīng)、高層建筑扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)荷載模擬方法及振動(dòng)響應(yīng)。最后，考慮建筑外圍結(jié)構(gòu)風(fēng)致?lián)p毀的背景下，分析了高層建筑表面風(fēng)場維護(hù)邊緣地帶風(fēng)壓場外推插值重構(gòu)方法。

孫業(yè)華，1980年生，高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，工學(xué)博士?，F(xiàn)任江西財(cái)經(jīng)大學(xué)信息管理與數(shù)學(xué)學(xué)院工程管理系副主任。研究方向?yàn)轱L(fēng)工程與結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制。參與國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，國家社會(huì)科學(xué)基金1項(xiàng)，主持省教育廳科技項(xiàng)目1項(xiàng)，省住建廳科技項(xiàng)目1項(xiàng)，省級教學(xué)改革項(xiàng)目1項(xiàng)，省級一流本科課程1項(xiàng)。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(zhuǎn)向脈動(dòng)風(fēng)荷載模擬研究

第5章 高層建筑表面風(fēng)場外推插值重構(gòu)研究

第6章 超高層建筑風(fēng)振控制分析

前 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(qiáng)風(fēng)作用下，由建筑振動(dòng)響應(yīng)過大導(dǎo)致的居住不適和建筑外圍護(hù)損壞等情況時(shí)有發(fā)生。因此，高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)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(dāng)前，隨著大量高層建筑采用非線性阻尼設(shè)備，結(jié)構(gòu)平扭風(fēng)振響應(yīng)變得越來越復(fù)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(zhàn)。本書大致可分為兩個(gè)部分：高層建筑平扭脈動(dòng)風(fēng)荷載模擬和表面風(fēng)壓場重構(gòu)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(lì)、橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)、扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。

（1）順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究。高層結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓基本上由來流特性控制，其滿足擬定常假設(shè)風(fēng)荷載，時(shí)間序列符合高斯分布。本書利用達(dá)文波特（Davenport）、卡曼（Kaimal）、馮·卡門（von Kármán）提出的風(fēng)速譜和達(dá)文波特空間相干函數(shù)，并運(yùn)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(jié)果表明：馮·卡門譜模擬計(jì)算出的加速度根方差與我國相關(guān)荷載規(guī)范和美國圣母大學(xué)（University of Notre Dame，UND）空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)庫中的加速度根方差基本一致，達(dá)文波特譜高估加速度響應(yīng)約25%，卡曼譜則相反，低估了約20%。在此基礎(chǔ)上，本書研究了結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律與順風(fēng)向氣動(dòng)阻尼的關(guān)系，隨著折減風(fēng)速的增大，結(jié)構(gòu)頂部位移加速度響應(yīng)根方差減小了5% ～ 20%，加速度響應(yīng)根方差減小了5% ～ 16%。

（2）橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)研究。考慮到樓層質(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(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性較強(qiáng)，本書提出了一種改進(jìn)的矩形高層建筑橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)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(zhuǎn)化為沿樓層高度分布的橫風(fēng)向慣性力譜；第二步結(jié)合橫風(fēng)向風(fēng)力譜的豎向相干函數(shù)，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(biāo)譜的吻合程度較高，能準(zhǔn)確反映橫風(fēng)向脈動(dòng)力譜窄帶寬峰特性。模擬結(jié)果表明：第一階振型占主導(dǎo)地位，第二階振型對結(jié)構(gòu)加速度的貢獻(xiàn)不容小覷。在結(jié)構(gòu)2/3 高度處設(shè)置黏滯阻尼器時(shí)，第二階頻率對應(yīng)的功率譜峰值減小得較為明顯，峰值統(tǒng)計(jì)值平均降低約43.1%，因此計(jì)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(yīng)的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)折減風(fēng)速約為10.02 時(shí)，頂部位移出現(xiàn)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(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效措施避開該段的氣動(dòng)效應(yīng)。

（3）扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)數(shù)值模擬與風(fēng)致振動(dòng)研究。考慮到建筑層間轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分布對建筑扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)扭矩的影響，本書提出了基于基底扭矩功率譜密度函數(shù)的矩形高層建筑扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)模擬方法。研究表明：建筑頂部扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角加速度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的吻合程度較高（AIJ，2015），且能反映不同深寬比（D/B）的扭轉(zhuǎn)角加速度特征。而本書利用達(dá)朗貝爾原理，將建筑層間轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭轉(zhuǎn)角加速度譜轉(zhuǎn)化成層間扭轉(zhuǎn)功率譜，并結(jié)合扭轉(zhuǎn)豎向相干函數(shù)，模擬了沿樓層高度分布的扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)時(shí)程，在時(shí)域內(nèi)得到的扭轉(zhuǎn)角加速度響應(yīng)根方差比UND 數(shù)據(jù)庫中的大了約10%。此外，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)向加速度的響應(yīng)主要受到結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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)壓場的外推插值重構(gòu)研究。為提高建筑邊緣或角部區(qū)域風(fēng)壓場脈動(dòng)風(fēng)壓外推插值重構(gòu)計(jì)算的精度，本書引入馮·卡門函數(shù)，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(shù)和風(fēng)壓場相關(guān)長度具有一定的先驗(yàn)性，可通過實(shí)測數(shù)據(jù)確定先驗(yàn)參數(shù)的取值，使本書改進(jìn)的本征正交分解- 克里金法在計(jì)算過程中具有一定的風(fēng)壓場統(tǒng)計(jì)特征。研究表明：由重標(biāo)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(shù)為0.75 ～ 0.85，說明數(shù)據(jù)的時(shí)間序列具有長期記憶效應(yīng)，屬于自相似的隨機(jī)過程。這使得所提出的邊角區(qū)域外推插值重構(gòu)法的計(jì)算精度優(yōu)于三次樣條插值法和基于線性變異函數(shù)的普通克里金法。

作為研究結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的著作，本書的出版是對脈動(dòng)風(fēng)荷載在順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向三個(gè)方向脈動(dòng)分量模擬的深入探索。本書在撰寫過程中，參考了隨機(jī)振動(dòng)相關(guān)理論和大量學(xué)者的研究成果，希望本書的出版能夠推動(dòng)對相關(guān)理論的研究，為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供幫助與借鑒。由于時(shí)間有限，書中難免有不足之處，謹(jǐn)請同行專家批評指正。本書的出版得到了江西財(cái)經(jīng)大學(xué)信息管理與數(shù)學(xué)學(xué)院的資助。在此，感謝所有為本書的出版提供幫助的專家和領(lǐng)導(dǎo)。

孫業(yè)華

2024年3月

本書系統(tǒng)性介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的理論與應(yīng)用技術(shù)，著重分析高層建筑風(fēng)致振動(dòng)的本質(zhì)及應(yīng)用。本書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)的語言深入淺出地準(zhǔn)確表達(dá)知識(shí)內(nèi)容，使廣大讀者能夠掌握全書的主要內(nèi)容。

隨著工業(yè)革命的持續(xù)推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展，而人口大量向大都市區(qū)域聚集，大大加劇了城市土地資源的稀缺。在這樣的背景下，人類開始探索和實(shí)踐更高水平的建筑技術(shù)，這使得我們的城市天際線屢次被刷新。據(jù)世界高層建筑與都市人居學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，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)展及人類的生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)，從古代利用風(fēng)車灌溉農(nóng)田到現(xiàn)代利用風(fēng)力發(fā)電解決電力短缺問題，風(fēng)不斷為人類造福。但風(fēng)也會(huì)給人類社會(huì)帶來巨大的災(zāi)害，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類所遭受的自然災(zāi)害中，風(fēng)災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)超地震、水災(zāi)及火災(zāi)等各種自然災(zāi)害之和，尤其是臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、龍卷風(fēng)等所造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)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(dá)80多個(gè)，死亡人數(shù)約為2萬人，經(jīng)濟(jì)損失超過80 億美元。

風(fēng)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)在很大程度上取決于建筑的幾何外形、結(jié)構(gòu)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，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)、不對稱的外立面較方形截面減少了約60% 的風(fēng)荷載。當(dāng)來流脈動(dòng)風(fēng)卓越頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)。

除結(jié)構(gòu)本身的特性之外，結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)還與來流脈動(dòng)風(fēng)的特性有關(guān)。來流脈動(dòng)風(fēng)的紊流尺度越大、紊流度越高，結(jié)構(gòu)的隨機(jī)風(fēng)振響應(yīng)越大。另外，當(dāng)上游結(jié)構(gòu)或其他障礙物對來流有一定的干擾時(shí)，結(jié)構(gòu)繞流產(chǎn)生的旋渦脫落可能會(huì)導(dǎo)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(xiàn)象稱為氣動(dòng)不穩(wěn)定；當(dāng)下游結(jié)構(gòu)處在氣動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)時(shí)，下游的來流會(huì)產(chǎn)生顯著的脈動(dòng)現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)改變，而結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)反過來又會(huì)改變其繞流形態(tài)，這種流固耦合（fluid-structure interaction，F(xiàn)SI）現(xiàn)象稱為氣彈效應(yīng)。

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(xù)的整體性且滿足剛性隔板假定，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(jù)來流方向與結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向風(fēng)荷載。與此同時(shí)，可把高層建筑風(fēng)振響應(yīng)分為順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向的三個(gè)分量來考慮。根據(jù)風(fēng)荷載的形成機(jī)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，并受來流湍流的影響；橫風(fēng)向風(fēng)荷載主要由剪切層分離導(dǎo)致旋渦脫落引起；扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載則由建筑表面壓力分布不對稱引起。

風(fēng)對建筑的作用是指通過建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的脈動(dòng)風(fēng)壓，以合力的形式使結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向抖振、橫風(fēng)向馳振、渦脫共振、扭轉(zhuǎn)發(fā)散振動(dòng)等，這些振動(dòng)不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，而且會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。而建筑風(fēng)致振動(dòng)研究是在假定建筑外圍護(hù)完好無損的前提下進(jìn)行的，但強(qiáng)風(fēng)下建筑外圍護(hù)損壞每年都會(huì)發(fā)生。建筑外圍護(hù)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(jié)構(gòu)的安全性，而且會(huì)對人的生命和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生重大影響。