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1浅谈基于可靠度的高层、高耸结构抗风分析学校:吉林大学专业:建筑工程年级:×××姓名:×××完成日期:×××2目录摘要………………………………………………………………………3关键词……………………………………………………………………4一、高层、高耸结构的发展…………………………………………4二、风荷载及其与结构的相互作用…………………………………7三、结构可靠度理论与方法………………………………………..11四、静力可靠度问题…………………………………………………12五、风振控制…………………………………………………………18参考文献……………………………………………………………..…203浅谈基于可靠度的高层、高耸结构抗风分析【摘要】风荷载作用下的高层、高耸结构的振动响应越来越剧烈，而无论是结构还是风荷载都存在大量不确定性，因而以可靠度方法进行高层、高耸结构的抗风研究是比较合适的。本文以可靠度理论、随机振动理论为基础，在广泛借鉴国内外同行研究成果的基础上，对高层、高耸结构的抗风分析及相关问题作进一步的研究。研究内容主要包括以下几方面:1.设计基准期参考风速的确定离不开原始风速资料，对缺乏长期风速资料的地区，给出了一种通过当地短期(3一5年)的风速资料推算设计基准期参考风速的方法，为抗风设计提供依据。2.抗风分析的最终目的是使结构能够正常工作，针对高层、高耸结构的风振响应的特点，推导出动响应统计参数的计算公式，并采用正态分布法分析了一次强风作用下的结构可靠度。同时在强风年出现次数满足泊松分布的前提下，得到设计基准期可靠度分析公式。3.分析了动力响应计算中，最大的荷载效应与最大的荷载之间没有完全的对应关系，指出了结构静力可靠度与动力可靠度分析的本质不同。同时还分析了采用月最大、年最大及设计基准期最大风荷载对设计基准期内结构抗风动力可靠度的影响。4.风振系数是联系动力荷载与等效静力荷载的桥梁，在抗风设计中起着关键的作用，对它的可靠性作了进一步的研究。5.在分析了平均时距对统计平均风速影响的基础上，进而以结构4的可靠度为指标利用MonteCarl。方法分析了当平均时距比较大时，脉动风速平方项对脉动风压功率谱的影响。6.结构风振控制是减小结构风振响应，提高抗风可靠度的有效手段。在分析了被动TMD用于风振控制存在有效频带窄的问题后，提出了采用神经网络提供主动控制力的主动控制方法。并通过神经网络系统对结构响应进行一步预测，从而进一步提高控制系统的能力。分析中以结构的可靠指标为评判控制系统能力的尺度。【关键词】高层、高耸结构:风荷载;可靠度;统计时距;风振控制一、高层、高耸结构的发展结构是人类为满足自身的生存、文化活动及工农业生产的需要而建造的建筑物或构筑物。结构工程作为一门古老的学科，它的发展与人类的文明息息相关，反映着一个时代科技发展的水平。1、高层结构高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，城市人口集中、用地紧张及激烈的商业竞争，加速了现代高层建筑的出现和发展。10层55m高的美国芝加哥家庭保险公司大楼(Homehisu丁ance)是世界上第一幢近代高层建筑。它建于1884年，采用铸铁框架承重结构，标志着一种区别于传统砌筑结构的新结构体系的诞生。19世纪末钢结构被应用到高层建筑中，使建筑物的高度超过了100m，二战前美国超过200m的高层建筑已经有10幢。战后经济复苏，高层建筑的发展进入一个新的阶段。高层建筑在世界各国不断出现，层数和高度都有大幅度的突破，建筑结构体系也呈多样化。高450m的吉隆坡的石5油大厦应是目前世界范围内最高的高层建筑。我国高层建筑的发展与国外类似，经历了从低到高、从单一到复杂的发展过程。1959年建成的14层的北京民族饭店、16层的民航大楼标志着我国自行设计和建造高层建筑的开端，近20年来我国高层建筑的发展令世界瞩目。我国建成的高层建筑大部分为钢筋混凝土结构，其抗震设计在层数和高度上己走在世界的前列，当然也有少部分高层建筑采用钢结构。采用的结构形式有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构及筒体结构，巨型框架结构在我国还处在起步阶段。1979年，我国公布并施行了行业标准《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3一79)，1991在总结了十多年我国及国外高层结构设计经验及科研成果的基础上又颁发了新的《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3一91)为我国高层建筑的健康发展起到了指导作用。1998年我国颁发了《高层民用建筑钢结构技术规程》，标志着我国钢结构高层建筑的发展上了一个新的台阶。目前上海高412m的金茂大厦为钢筋混凝土核心筒结构，是目前国内最高的高层建筑。我国人口众多，尤其大中城市的人口集中是相当惊人的，因此高层建筑是一个发展方向。高层、超高层建筑的兴建同时也促进了结构分析方法的发展。高层结构的传统分析方法主要有有限元法和有限条法，它们可以完成大型结构的分析，但计算量大耗费机时长，波前法可以提高有限元分析的速度[’J。结构最优化理论在高层结构设计中的应用，使设计者可以更大的发挥能动性，有利于设计出更加合理的结构。2、高耸结构6现代高塔结构的建设始于20世纪50年代，由于当时通讯业和电视业的迅速的发展，无线电通讯的发射塔和电视发射塔如雨后春笋般在西方发达国家出现。而无线电发射塔的高度一定程度上决定了电波所能覆盖的范围，于是发射塔被建得越来越高，以至于达到了50om、600m的高度。美国在60年代建造了几十座400~600m电视桅杆，其中有47lm斯托克顿—萨克拉门托电视桅杆(1962年)，534m乔治亚电视桅杆(1963年)、610m苏城电视桅杆(1965年)，此外还有5llm吉拉多角电视桅杆、629m北达科他—法戈电视桅杆等等。我国电视塔建设起步较晚，最早的大型钢塔是Zoom的广州电视塔(1965年)和210m的上海电视塔(1973年)。80年代以后，我国的高耸结构发展较快。西安、沈阳、北京、天津、南京等地相继建成了200m~400m的钢筋混凝土电视塔，其中468m的上海东方明珠电视塔(1994年)高度为全国之首。这些高塔已经成为所在城市的一个景点和标志性建筑。我国以前的高耸结构设计，主要是参照前苏联1948年由R.A.萨维斯基主编的《无线电塔桅结构设计规范》。80年代以后开始编制符合我国国情的国家标准，在历年的理论研究成果和大量工程实践的基础上，我国首部《高耸结构设计规范》(GBJ135一90)在90年代初正式颁布。国家标准《烟囱设计规范》(GBJ51一83)、国家标准《构筑物抗震设计规范》(GB50191一93)也在这个时期颁布实施。这些规范、规程等的制定，使我国高耸结构设计与施工产生了质的飞跃。目前，国际上高耸结构的高度尚停留在600m左右，有人拟设计高度8oom甚至1ooom的高塔。这种高度更高、相对柔度更大的高耸结构，风荷载作7用下的动力响应及振动控制将更加错综复杂，需要进一步的研究。风荷载引起的高耸结构的振动，将严重影响无线电信号的发射质量。如何有效的控制高耸塔的振动问题将是一项重要的研究内容。另外高耸结构由于振动而引发的疲劳问题也有待研究，许多桅杆结构曾因疲劳问题而倒塌。二、风荷载及其与结构的相互作用荷载是对结构的安全和使用性能有直接影响的一种最主要的作用。风荷载对高层、高耸结构作用既有瞬时作用，在设计基准期内的任意时点荷载效应大于结构的抗力都会使结构失效;又有累积作用，通过风荷载的反复作用使结构累积损伤，降低结构的可靠度。1、环境风荷载风是地球表面大范围空气团由高压区向低压区的运动，这种空气运动是由太阳对地球表面及其上部空气的不均匀加热造成的，也就是说空气运动所需的能量是由太阳的辐射提供的。运动的空气流受到建筑物的阻挡而形成高压气幕，产生风压力，风速越大建筑物受到的压力越大。过大的风压力就有可能对建筑结构造成破坏，远在17世纪就有人开始了对风压的研究。风灾是自然灾害中造成人员和财产损失最大的一种。据统计，全球每年由于风灾造成的损失达近百亿美元，平均有约3万人死亡。风灾损失的主要部分为工程结构的损坏、倒塌及由此引起的人员伤亡和财产损失。为提高结构在风荷载作用下的安全性，传统结构设计思想主要是尽可能地提高结构的抗力，如增大截面、增加刚度、提高材料强度或改变结构的质量分布等。然而这些技8术措施存在较大的局限性，难以有效适应工程发展的迫切需要。随着系统科学思想在结构工程中的应用和发展，结构控制己成为目前抵御风和地震等随机荷载作用最有发展前途的方向之一，并己有多个成功应用的工程实例。结构可靠度分析离不开对荷载的统计，抗风分析同样不能缺少对风荷载的统计。过去统计最大风速时所采用的样本，实际上是以某一主风方向的最大风速为记录主体。这样得到的最大风速用于任意方向与真实情况是不相符的，对于各个方向年最大风速出现的概率是不相同的。因此，应进行风速、风向的联合分布研究，进而开展全风向下的结构抗风可靠度分析。风荷载可分为水平风荷载和竖向风荷载，一般大跨结构需考虑竖向风荷载的动力作用，而水平风荷载是高层建筑和高耸结构遭受的主要侧向荷载之一。随着高强轻质材料的应用和设计水平的不断提高，使得现代建筑向更高、更柔的方向发展。建筑结构的固有频率更加接近强风的卓越频率，风荷载作用下的结构响应进一步加剧，风荷载已成为高层、高耸结构的主要设计荷载。同时，建筑物也能改变风场，使局部风荷载明显增大。由于建筑物不具有飞行器那种流线型外形，风速流场不可避免的伴有分离流动、涡的脱落和振荡，建筑结构与流体发生祸合振荡，使建筑物的使用者感到不适甚至危及结构安全。风荷载与结构的相互作用机理复杂、理论分析困难，风洞试验是一种较好的方法，但风洞试验对复杂的风场情况也不能完全模拟，而且要花费较多的费用。随着计算流体力学的发展和高层建筑设计要求的提高，开展高层建筑风场和风压力的计算研究，将有利于快速、准确地确定风荷载的大小，为高层建筑9设计提供较可靠的依据。总之，建筑物与风荷载相互作用使得风对建筑物以及建筑物周围环境的影响越来越显著，已引起了工程界和学术界对风荷载的广泛重视。2、结构的顺风向响应高层建筑、高耸结构在风荷载作用下的顺风响应人们研究的比较早也比较深入。顺风向风荷载是由来流紊流产生的，Davenport提出了近地风的紊流模型，并在此基础上建立了计算高层建筑顺风向响应的振风因子法。此后发展起来的一系列计算顺风响应的方法都是在DavenPort所提出的方法的基础上考虑一些其他影响因素建立来的。Vefozzil考虑了风压三维空间相关性的影响;simiu考虑了迎风面与背风面风压相关以及风速谱随高度变化的影响;也考虑了风速谱随高度变化的影响，他们分别建立了相应的计算机程序和手算简化方法脚l。总之，结构的顺风向响应理论已经比较成熟。3、结构的横风向响应在很多情况下，结构受到的横风向力较顺风向力小得多，尤其对于对称结构，横风向力更是可以忽略。然而对于一些细长的柔性结构，横风向可能会产生很大的动力效应。当横风向风作用引起结构共振时，结构横风向风效应则不能忽略。横风向风振是由不稳定的空气动力特性形成的，它与结构截面形状及雷诺数有关。由于横风向风力的作用，结构也将产生横向的平移和振动。横风向的涡致共振可能给工程结构带来很大的危害，在结构估算不足时，甚至可能导致结构破坏或倒塌，如1972年，上海一座高烟囱在台风中实测横风向位移比顺10风向大得多，捷克一座高180m的钢筋混凝土电视塔由于横风向振动达lm而开裂，德国斯图加特电视塔实测横风向振幅比顺风向大2.4倍[22l。因此，对于结构横风向共振进行研究并提出合理的抗风验算方法，对结构设计的经济性和安全可靠性具有重要的意义。横风向激励机理复杂，影响因素较多，目前还难以用解析表达式来描述横向风荷载的作用。文献[24]认为其激励形式有尾流激励，来流紊流和结构横风向振动诱导的激励三种。显然，后者不是一种独立的激励形式，它体现了结构横风向风振时，风与结构的相互祸合作用。即使仅考虑尾流激励，横风向响应计算的通用公式也很难得到[25]，只能通过风洞实验确定其经验公式[26刃，28]。Simiu分析总