基于类埃克曼螺线曲面板的高层建筑扭转风效应控制方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种基于类埃克曼螺线曲面板的高层建筑扭转风效应控制方法。

背景技术

山区丘陵不仅通过加快风速来改变风环境，而且还通过改变风向来改变风环境。结果，在该类别地形附近的风廓线表现出随高度变化的风向，通常被称为(地形驱动)扭曲风廓线。处于该类别地形的高耸建筑(如商业区或者住宅区)受扭转风剖面的作用不可忽略，对于细长柔性或者具有偏心形状的高层建筑物，扭转风剖面由于使得建筑外壁上形成了不对称的风压，并且在建筑周围沿高度产生了不均匀的流场，因此改变了建筑物的空气动力学特性，同时不对称的风荷载可以增强高层建筑的扭转响应，而顺风荷载和侧风荷载之间的更高相关性可以放大横向引起的风振响应。其中最典型的风振响应即为涡激振动(简称涡振)，建筑涡振不仅会引起结构的疲劳破坏，还会影响居住的舒适性。

对建筑涡振的抑制学者们已经有广泛的研究，抑制措施通常包含有结构措施，机械措施和气动措施，当设计方案确定后，结构措施不再可行了。机械措施主要是通过安装机械装置来增加大跨桥梁结构的阻尼和提高刚度等来减小结构风致振动响应，然而，这需要耗费巨大的人力物力去生产及维护该装置，并且没有从根本上解决自激振动的发生。气动措施包括被动方式与主动方式两种。被动方式是仅仅需要改变建筑的气动外形或增加附属来提高抗风能力，该方式简单经济因而被广泛应用于实际工程中。

但是在扭转风剖面作用下，建筑不同高度的流场与普通风剖面作用下的差异大，且产生的气动力以扭转为主，因而传统的针对普通边界层风剖面的气动措施不再适用或者效果不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于类埃克曼螺线曲面板的高层建筑扭转风效应控制方法，利用曲面板的导流作用，减小扭转风剖面带来的扭转风荷载和建筑周围流场的不均匀分布，从而实现在扭转风剖面下，曲面板对超高层建筑风致扭转振动的控制。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于类埃克曼螺线曲面板的高层建筑扭转风效应控制方法，所述方法步骤如下：

步骤一：曲面板宽度的确定；

根据当地风速实测资料，统计得到主导风向、风速及沿高度方向的扭转风偏角γ，设曲面板最底部和建筑表面的夹角为β，当高度z＝0时γ＝β，

主导风向和建筑的无量纲脱落频率共同决定了曲面板的宽度L1，

L1＝B/10*(1+st)*cos(β)，

其中：B表示建筑宽度；

st表示建筑斯托罗哈数，取为0.1；

*表示乘号×；

由于所述扭转风偏角γ由下至上角度逐渐减小，曲面板的宽度L1同样由下至上逐渐减小；

步骤二：建筑底部曲面板位置的确定；

由步骤一中得到了曲面板的宽度L1，曲面板一端放置在建筑迎风面的尖角处，即建筑的第一角部，另一端以L1为半径旋转β角即确定了建筑底部曲面板位置，建筑另外三个角部的曲面板形状与上述一致，仅仅是位置发生了变化，建筑另外三个角部按如下方式定义：即按照建筑顺时针方向依次为第二、第三、第四角部，在所述第二、第三及第四角部分别设置一个曲面板，设置在第二角部的曲面板相对于设置在所述尖角处的曲面板顺时针旋转90°，设置在第三角部的曲面板相对于设置在尖角处的曲面板顺时针旋转180°，设置在第四角部的曲面板相对于设置在尖角处的曲面板顺时针旋转270°；

步骤三：曲面板边缘的曲线的确定；

在建筑底面的曲面板宽度和位置由步骤一与二求得，随着高度的增加曲面板的边缘的曲线为类Ekman曲线，如公式(1)所示；

其中：γ(z)表示曲面板顺风向与横风向的投影长度在不同高度z下的夹角；

u(z)和v(z)分别表示在不同高度z处曲面板顺风向与横风向的投影长度；

u

α表示粗糙度指数，按照建筑结构风荷载规范选取。

本发明相对于现有技术的有益效果是：针对扭转风剖面下的建筑结构风振控制措施与方法尚处于空白阶段。本发明创新性的提出了针对在扭转风剖面作用下，高层建筑减小横风向响应以及涡激共振的被动控制措施，该方法简单高效普适性比较强，大大减小了控制成本，同时能提高高层以及超高层建筑在扭转风剖面下的风舒适性和安全性。

附图说明

图1是安装有类埃克曼螺线曲面板的高层建筑的俯视图；

图2是扭转曲面板形状和安装位置示意图；

图3是扭转曲面板安装于建筑上的透视图，图中H表示建筑的高度。

具体实施方式

具体实施方式一：一种基于类埃克曼螺线曲面板的高层建筑扭转风效应控制方法，所述方法步骤如下：

步骤一：曲面板宽度的确定；

根据当地风速实测资料，统计得到主导风向、风速及沿高度方向的扭转风偏角γ，设曲面板最底部和建筑表面的夹角为β(如图2所示)，当高度z＝0时γ＝β，

主导风向和建筑的无量纲脱落频率共同决定了曲面板的宽度L1，

L1＝B/10*(1+st)*cos(β)，

其中：B表示建筑宽度；

st表示建筑斯托罗哈数，取为0.1；

*表示乘号×；

由于所述扭转风偏角γ由下至上角度逐渐减小，曲面板的宽度L1同样由下至上逐渐减小(如图3所示)；

步骤二：建筑底部曲面板位置的确定；

由步骤一中得到了曲面板的宽度L1，曲面板一端放置在建筑迎风面的尖角处，即建筑的第一角部，另一端以L1为半径旋转β角即确定了建筑底部曲面板位置(如图3所示)，建筑另外三个角部的曲面板形状与上述一致，仅仅是位置发生了变化，建筑另外三个角部按如下方式定义：即按照建筑顺时针方向依次为第二、第三、第四角部，在所述第二、第三及第四角部分别设置一个曲面板，设置在第二角部的曲面板相对于设置在所述尖角处的曲面板顺时针旋转90°，设置在第三角部的曲面板相对于设置在尖角处的曲面板顺时针旋转180°，设置在第四角部的曲面板相对于设置在尖角处的曲面板顺时针旋转270°(如图1所示)；

步骤三：曲面板边缘的曲线的确定；

在建筑底面的曲面板宽度和位置由步骤一与二求得，随着高度的增加曲面板的边缘的曲线为类Ekman曲线，如公式(1)所示；

其中：γ(z)表示曲面板顺风向与横风向的投影长度在不同高度z下的夹角；

u(z)和v(z)分别表示在不同高度z处曲面板顺风向与横风向的投影长度；

u

α表示粗糙度指数，按照建筑结构风荷载规范选取。