CN110580380A - 一种建筑等效静风荷载数据的处理方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑等效静风荷载数据的处理方法、装置及存储介质，该方法通过对建筑进行风洞试验，获取所述建筑结构基底的倾覆弯矩时间序列和气动弯矩功率谱，从而计算所述结构基底的平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量及等效静风荷载耦合分量以及其中各个分量对应的权重系数，最终计算得到等效静风荷载。该装置包括用于存储程序的存储器以及用于加载程序以执行所述处理方法的处理器。该存储介质存储有处理器用以执行所述处理方法的指令。通过使用本发明的处理方法，可使得到的等效静风荷载数据精度更高，应用于建筑结构分析时效果更好，可保证建筑的安全可靠性。本发明可广泛应用于建筑分析技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及建筑分析技术领域，尤其是一种建筑等效静风荷载数据的处理方法、装置及存储介质。
背景技术
随着现代经济和科学技术的不断发展，世界上高层建筑的数量迅速增长，与普通建筑相比，高层建筑可以带来明显的社会经济效益，但其在设计上、技术上都有许多新的问题需要加以考虑和解决。鉴于高层建筑在结构上有着质量轻、柔性大、阻尼小和自振频率低等特点，故而在建筑的结构设计中，随着建筑高度的不断增加，风荷载权重逐渐超过地震荷载权重成为最受关注的荷载。对建筑风荷载的研究有着大量的现实应用需求：一方面，全球气候变化的背景下，灾难性风气象的发生及其对生命财产造成的损失有加剧的趋势；另一方面，随着我国城市建设的快速发展，大量超高层建筑和大型公共建筑不断涌现，解决建筑结构抗风及建筑风环境问题不断面临新的挑战。
然而，直接从自然风的风荷载特性出发来计算建筑结构的风致响应比较复杂，计算过程中涉及的大量动力分析不便于工程应用。一般在结构设计阶段，习惯于用等效静风荷载来考虑平均风和脉动风对结构的影响，因此等效静风荷载是联系风工程和结构设计的桥梁，高层建筑的等效静风荷载一直是风工程界比较关注的一个问题。目前现有的等效静风荷载数据分析方法主要有两种：第一种等效静风荷载的计算公式为：(1)其中，为建筑的结构基底在建筑的第i楼层质心处的等效静风荷载；为作用于第i楼层质心处的平均风荷载，Pi,B和Pi,R分别为作用于第i楼层质心处的等效静风荷载的背景分量和共振分量，这种分析处理方法比较简略，精度较低。
在实际应用中，有学者对上述方法进行了进一步修正，修正后的公式为：(2)其中为等效静风荷载的背景响应与共振响应的相关系数。以高层建筑的基底倾覆弯矩为等效目标来看，方法(2)比方法(1)具有更高的精度，也即：由方法(2)计算得到的等效静风荷载作用在建筑结构上所产生的基底倾覆弯矩与直接采用动态风荷载计算得到的基底倾覆弯矩响应之间的相对误差比方法(1)更小。但上述方法(2)仍存在以下缺点：首先，方法(1)、(2)在本质上都是一种平方和开方法。即将Pi,B和Pi,R进行平方和再开方来得到建筑结构的等效静风荷载。平方和开方是在结构响应计算中一种常用的方法，对于响应计算是有具体物理意义的，但Pi,B和Pi,R是荷载，直接将Pi,B和Pi,R进行平方和开方并没有严格的物理意义及理论支撑，而是一种近似于经验的处理。且方法(2)本身的精度在某些情况下还是难以满足精确的要求，考虑到高层建筑结构分析的重要性，现有的等效静风荷载数据分析处理方法亟待进一步改善。
名词解释：
风荷载：也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的作用，其大小与风速的平方成正比包括稳定风和脉动风两种作用，在工程结构上称为空气静力作用和空气动力作用。在多大风地区和设计高耸结构或大跨度桥梁时，需特别注意。
高频底座测力天平：一种用于安装在建筑物模型底座的高频率测力天平，可以测量建筑模型底部的六分量力(两个水平方向上的剪力，竖向的轴力，以及绕两个水平主轴的倾覆弯矩和绕竖直轴方向的扭矩)，采样频率可以达到几百至几万Hz，故而称之为高频底座测力天平。
等效静风荷载：风荷载是一种随机动荷载，作用在建筑物上时由于建筑物本身并非绝对刚性，所以建筑物对动力荷载的输入会产生放大效应，但在结构设计中直接考虑动荷载的影响非常繁琐，故而采用一组等效的静力荷载来代替动态风荷载的作用，这样的荷载就称之为等效静风荷载，等效静风荷载非常便于用于建筑的结构设计。
倾覆弯矩：倾覆力矩的一种，即倾翻线外侧的载荷相对倾翻线所形成的力矩。在建筑工程中，倾覆力矩常用于进行结构或构件稳定性计算或分析，倾覆力矩的大小等于产生倾覆作用的荷载乘荷载作用点到倾覆点间的距离。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例的目的在于：提供一种建筑等效静风荷载数据的处理方法、装置及存储介质，能够得到物理意义更加明确、精度更高的建筑等效静风荷载数据，从而使得建筑结构内力分析及结构设计更加安全可靠。
本发明实施例所采取的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，包括以下步骤：
对建筑进行基于高频底座测力天平的风洞试验，获取所述建筑的结构基底的倾覆弯矩时间序列和气动弯矩功率谱；
分别计算所述结构基底的平均风致弯矩响应所引起的平均风荷载、风致背景弯矩响应所引起的等效静风荷载背景分量和风致共振弯矩响应所引起的等效静风荷载共振分量；
计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应；
根据所述风致耦合弯矩响应计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量；
计算所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量分别对应的权重系数；
根据所述平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，计算等效静风荷载。
进一步，所述计算所述结构基底的平均风致弯矩响应所引起的平均风荷载这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的倾覆弯矩时间序列，通过公式计算所述结构基底的平均风致弯矩响应，其中，为所述结构基底的平均风致弯矩响应，T为试验采样时长，M(t)为所述结构基底的倾覆弯矩时间序列，t为时间尺度；
根据所述结构基底的平均风致弯矩响应，通过公式计算所述平均风荷载，其中，为所述结构基底的平均风致弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的平均风荷载，zi为所述建筑从地面到第i楼层的总高度，ΔHi为所述建筑的层高，即ΔHi＝zi-zi-1，H为所述建筑的总高度，α为试验中采用的地貌指数。
进一步，所述计算所述结构基底的风致背景弯矩响应所引起的等效静风荷载背景分量这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的气动弯矩功率谱，通过公式计算所述结构基底的风致背景弯矩响应，其中，为所述结构基底的风致背景弯矩响应，为所述结构基底的气动弯矩功率谱，f为频率；
根据所述结构基底的风致背景弯矩响应，通过公式计算所述等效静风荷载背景分量，其中，Pi,B为所述结构基底的风致背景响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载背景分量，gB为所述风致背景弯矩响应所对应的峰值因子。
进一步，所述计算所述结构基底的风致共振弯矩响所引起的等效静风荷载共振分量这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的气动弯矩功率谱，通过公式计算所述结构基底的风致共振弯矩响，其中，为所述结构基底的风致共振弯矩响应，ζ0为所述建筑结构的一阶模态阻尼比，χ0为所述建筑结构的折算固有频率；
所述建筑结构的折算固有频率通过公式χ0＝(f0D)/VH求得，其中，f0为所述建筑结构的一阶固有频率，D为所述建筑结构的特征宽度，一般取为结构迎风面宽度，VH为所述建筑高度H处的平均风速；
根据所述结构基底的风致共振弯矩响应，通过公式计算所述等效静风荷载共振分量，其中，Pi,R为所述结构基底的风致共振弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载共振分量，gR为所述风致共振弯矩响应所对应的峰值因子，mi为所述建筑第i个楼层的质量，φi为所述建筑第i个楼层所对应的振型值。
进一步，所述计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应这一步骤，其具体包括：
通过公式计算所述结构基底的总风致弯矩响应，其中，为所述结构基底的总风致弯矩响应，|H(f)|2为所述建筑结构的机械导纳；
所述建筑结构的机械导纳通过公式求得；
通过公式计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应的相关系数，其中，ρBR为所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应的相关系数；
通过公式计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间的耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应，其中，为所述结构基底的风致耦合弯矩响应。
进一步，所述根据所述风致耦合弯矩响应计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量这一步骤，其具体包括：
将所述风致耦合弯矩响应按照所述风致背景弯矩响应和风致共振弯矩响应的比例分解为背景部分和共振部分：
所述背景部分为：所述共振部分为：
其中，为所述风致耦合弯矩响的背景部分，为所述风致耦合弯矩响的共振部分；
通过公式计算所述风致耦合弯矩响应的背景部分引起的第一等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C1为所述风致耦合弯矩响应的背景部分在所述建筑的第i楼层质心处所引起的第一等效静风荷载耦合分量，gC为所述风致耦合弯矩响应所对应的峰值因子；
通过公式计算所述风致耦合弯矩响应的共振部分引起的第二等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C2为所述风致耦合弯矩响应的共振部分在所述建筑的第i楼层质心处所引起的第二等效静风荷载耦合分量；
通过公式Pi,C＝Pi,C1+Pi,C2计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C为所述结构基底的风致耦合弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载耦合分量。
进一步，所述计算所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量分别对应的权重系数这一步骤，其具体包括：
通过公式计算所述等效静风荷载背景分量对应的权重系数，其中，WB为所述等效静风荷载背景分量对应的权重系数；
通过公式计算所述等效静风荷载共振分量对应的权重系数，其中，WR为所述等效静风荷载共振分量对应的权重系数；
通过公式计算所述等效静风荷载耦合分量对应的权重系数，其中，WC为所述等效静风荷载耦合分量对应的权重系数，sgn()为符号函数。
进一步，所述根据所述平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，计算等效静风荷载这一步骤，其具体为：
通过公式计算等效静风荷载，其中，为所述结构基底在所述建筑的第i楼层质心处的等效静风荷载；
取从而计算得到所述等效静风荷载的极大值；
取从而计算得到所述等效静风荷载的极小值。
第二方面，本发明实施例提供了一种建筑等效静风荷载数据的处理装置，包括：
存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行所述处理方法。
第三方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述处理方法。
上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明实施例通过对建筑进行基于高频底座测力天平的风洞试验，获取所述建筑的结构基底的倾覆弯矩时间序列和气动弯矩功率谱，根据所述倾覆弯矩时间序列和气动弯矩功率谱和相关公式计算所述结构基底的平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量及等效静风荷载耦合分量，然后计算所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量分别对应的权重系数，最终根据所述平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，得到等效静风荷载。使得得到的所述等效静风荷载数据物理意义更加明确、精度更高，将所述等效静风荷载应用于建筑结构内力分析及结构分析时，分析实验的效果更好，可保证建筑结构的安全可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法流程图；
图2为本发明实施例的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法计算得到的等效静风荷载作用在建筑结构上所产生的基底倾覆弯矩与实际结果对比图；
图3为本发明实施例的另一种建筑等效静风荷载数据的处理方法计算得到的等效静风荷载作用在建筑结构上所产生的基底倾覆弯矩与实际结果对比图；
图4为本发明实施例的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法计算得到的等效静风荷载作用在建筑结构上所产生的基底倾覆弯矩与实际结果相对误差示意图；
图5为现有技术的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法计算得到的等效静风荷载作用在建筑结构上所产生的基底倾覆弯矩与实际结果相对误差示意图；
图6为本发明实施例的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法应用于建筑设计建造的流程示意图；
图7为本发明实施例的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法应用于建筑分析的流程图；
图8为本发明实施例的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法应用于建筑分析时与现有技术的处理方法结果对比图；
图9为本发明实施例的一种建筑等效静风荷载数据的处理装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明实施例提供了一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，包括以下步骤：
S1：对建筑进行基于高频底座测力天平的风洞试验，获取所述建筑的结构基底的倾覆弯矩时间序列和气动弯矩功率谱；
S2：分别计算所述结构基底的平均风致弯矩响应所引起的平均风荷载、风致背景弯矩响应所引起的等效静风荷载背景分量和风致共振弯矩响应所引起的等效静风荷载共振分量；
S3：计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应；
S4：根据所述风致耦合弯矩响应计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量；
S5：计算所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量分别对应的权重系数；
S6：根据所述平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，计算等效静风荷载。
S7：根据所述等效静风荷载，进行建筑结构分析。
在本发明实施例中，完整提供了一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，该方法的计算流程物理意义明确，最终获取的所述等效静风荷载数据精度更高，其原理如下：首先，对建筑进行基于高频底座测力天平的风洞试验，风洞试验是确定建筑结构基底风荷载的重要手段。本发明实施例中主要应用的是风荷载试验中的测力试验：直接测量建筑模型在风荷载作用下产生的弯矩、扭矩、剪力等整体受力以及动态响应，测量结果用于计算所述建筑结构基底的各类风致响应。由计算得来的各类风致响应，可以进一步得出其对应所引起的等效静风荷载分量，即如本方法实施例中所述结构基底的平均风致弯矩响应所引起的平均风荷载、风致背景弯矩响应所引起的等效静风荷载背景分量和风致共振弯矩响应所引起的等效静风荷载共振分量。除上述响应及其对应的等效静风荷载分量外，还必须考虑到所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应和所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量。计算所述等效静风荷载的各个分量完毕后，再分别计算除平均风荷载外其他各个分量分别对应的权重系数。最终由之前计算的所述平均风荷载，再由所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，来计算等效静风荷载。通过以上分析方式得到的等效静风荷载，可用于为建筑主体结构分析提供风荷载依据，普遍情况下直接考虑计算动态风荷载非常麻烦，故采用本实施例中的方法可有效解决上述问题，从而使得建筑结构内力分析及结构分析过程简单化，且比以往的分析方法精度更高、效果更好，可保证建筑结构的安全可靠性。
进一步作为优选的实施方式，所述计算所述结构基底的平均风致弯矩响应所引起的平均风荷载这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的倾覆弯矩时间序列，通过公式计算所述结构基底的平均风致弯矩响应，其中，为所述结构基底的平均风致弯矩响应，T为试验采样时长，M(t)为所述结构基底的倾覆弯矩时间序列，t为时间尺度；
根据所述结构基底的平均风致弯矩响应，通过公式计算所述平均风荷载，其中，为所述结构基底的平均风致弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的平均风荷载，zi为所述建筑从地面到第i楼层的总高度，ΔHi为所述建筑的层高，即ΔHi＝zi-zi-1，H为所述建筑的总高度，α为试验中采用的地貌指数。
其中，所述地貌指数在现行的建筑荷载规范中包括A、B、C、D四类地貌，主要是以地面粗糙度类别来区分，A类指近海海面和海岛，海岸，湖岸及沙漠地区；B类指田野，乡村，丛林，丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
进一步作为优选的实施方式，所述计算所述结构基底的风致背景弯矩响应所引起的等效静风荷载背景分量这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的气动弯矩功率谱，通过公式计算所述结构基底的风致背景弯矩响应，其中，为所述结构基底的风致背景弯矩响应，为所述结构基底的气动弯矩功率谱，f为频率，即所述高频底座测力天平的采样频率；
根据所述结构基底的风致背景弯矩响应，通过公式计算所述等效静风荷载背景分量，其中，Pi,B为所述结构基底的风致背景响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载背景分量，gB为所述风致背景弯矩响应所对应的峰值因子，一般可取为2.5。
进一步作为优选的实施方式，所述计算所述结构基底的风致共振弯矩响所引起的等效静风荷载共振分量这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的气动弯矩功率谱，通过公式计算所述结构基底的风致共振弯矩响，其中，为所述结构基底的风致共振弯矩响应，ζ0为所述建筑结构的一阶模态阻尼比，χ0为所述建筑结构的折算固有频率；
所述建筑结构的折算固有频率通过公式χ0＝(f0D)/VH求得，其中，f0为所述建筑结构的一阶固有频率，D为所述建筑结构的特征宽度，一般取为结构迎风面宽度，VH为所述建筑高度H处的平均风速；
根据所述结构基底的风致共振弯矩响应，通过公式计算所述等效静风荷载共振分量，其中，Pi,R为所述结构基底的风致共振弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载共振分量，gR为所述风致共振弯矩响应所对应的峰值因子，一般可取为2.5，mi为所述建筑第i个楼层的质量，φi为所述建筑第i个楼层所对应的振型值。
进一步作为优选的实施方式，所述计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应这一步骤，其具体包括：
通过公式计算所述结构基底的总风致弯矩响应，其中，为所述结构基底的总风致弯矩响应，|H(f)|2为所述建筑结构的机械导纳；
所述建筑结构的机械导纳通过公式求得；
通过公式计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应的相关系数，其中，ρBR为所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应的相关系数；
通过公式计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间的耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应，其中，为所述结构基底的风致耦合弯矩响应。
进一步作为优选的实施方式，所述根据所述风致耦合弯矩响应计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量这一步骤，其具体包括：
将所述风致耦合弯矩响应按照所述风致背景弯矩响应和风致共振弯矩响应的比例分解为背景部分和共振部分：
所述背景部分为：所述共振部分为：
其中，为所述风致耦合弯矩响的背景部分，为所述风致耦合弯矩响的共振部分；
通过公式计算所述风致耦合弯矩响应的背景部分引起的第一等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C1为所述风致耦合弯矩响应的背景部分在所述建筑的第i楼层质心处所引起的第一等效静风荷载耦合分量，gC为所述风致耦合弯矩响应所对应的峰值因子，一般可取为2.5；
通过公式计算所述风致耦合弯矩响应的共振部分引起的第二等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C2为所述风致耦合弯矩响应的共振部分在所述建筑的第i楼层质心处所引起的第二等效静风荷载耦合分量；
通过公式Pi,C＝Pi,C1+Pi,C2计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C为所述结构基底的风致耦合弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载耦合分量。
进一步作为优选的实施方式，所述计算所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量分别对应的权重系数这一步骤，其具体包括：
通过公式计算所述等效静风荷载背景分量对应的权重系数，其中，WB为所述等效静风荷载背景分量对应的权重系数；
通过公式计算所述等效静风荷载共振分量对应的权重系数，其中，WR为所述等效静风荷载共振分量对应的权重系数；
通过公式计算所述等效静风荷载耦合分量对应的权重系数，其中，WC为所述等效静风荷载耦合分量对应的权重系数，sgn()为符号函数。
当ρBR大于0时，sgn(ρBR)＝1；当ρBR等于0时，sgn(ρBR)＝0；当ρBR小于0时，sgn(ρBR)＝-1。
进一步作为优选的实施方式，所述根据所述平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，计算等效静风荷载这一步骤，其具体为：
通过公式计算等效静风荷载，其中，为所述结构基底在所述建筑的第i楼层质心处的等效静风荷载；
取从而计算得到所述等效静风荷载的极大值；
取从而计算得到所述等效静风荷载的极小值。
一般在建筑结构的分析过程中，为了尽可能地保证建筑的安全稳定性，应全面考虑到建筑所能承受的最大风荷载，故实际应用中可采用作为所述等效静风荷载用于建筑结构分析。
下面，参照附图说明本发明实施例中一种建筑等效静风荷载数据的处理方法相对于现有技术的等效静风荷载数据的处理方法优越之处，其中所述现有技术的等效静风荷载数据的处理方法为背景技术中所述的方法(2)。
在本发明实施例中，参与分析的原始样本建筑物高为272m，采用1:400的缩尺模型在C类地貌下进行了基于高频力天平的风洞试验，以400Hz的采样频率测试了建筑物模型底部的六个力和力矩分量。
参照图2、3，本发明实施例中，取计算得到所述等效静风荷载的极大值，将所述等效静风荷载作用于上述建筑结构上，所产生的基底倾覆弯矩与直接采用动态风荷载计算得到的峰值倾覆弯矩响应进行比较：图2为x方向上得到的倾覆弯矩响应结果对比图，图3为y方向上得到的倾覆弯矩响应结果对比图。从图中易知：本发明实施例中的等效静风荷载数据的处理方法无论是在x方向，还是y方向，从0到350度共36个风向角(每十度一个风向角)上得到的倾覆弯矩响应数据与实际的结果吻合程度均十分良好，说明本发明实施例中的等效静风荷载数据的处理方法得到的等效静风荷载数据接近实际结果，精度很高。所述x、y方向为建筑建造时所采用的平面坐标系，本发明实施例中x方向为现实中的南北方向，y方向为现实中的东西方向(某些建筑物布置的方向并不一定是沿东西、南北进行主轴布置的，这种建筑的坐标系根据其实际情况具体分析)。
参照图4、5，为直观起见，本发明实施例中，将取计算得到等效静风荷载作用在结构上所产生的基底倾覆弯矩，与直接采用动态风荷载计算得到的峰值基底倾覆弯矩之间在y方向上从0到350度共36个风向角(每十度一个风向角)的相对误差列于图4，类似地将由现有的计算方法(2)计算得到等效静风荷载作用在结构上所产生的基底倾覆弯矩，与直接采用动态风荷载计算得到的峰值基底倾覆弯矩之间在y方向上从0到350度共36个风向角(每十度一个风向角)的相对误差列于图5。对比图4、5，可知：本发明实施例中所提出的等效静风荷载数据的处理方法误差率保持在2.5％以内，远小于现有的计算方法(2)，故可得本发明实施例中的等效静风荷载数据的处理方法精度比现有方法更高。
下面结合图6对本发明实施例所述的一种建筑等效静风荷载数据的处理方法在建筑设计建造过程中的实施原理做以下说明：
本发明实施例中所获取到的等效静风荷载数据可将作用结构上的动态风荷载等效为一组静风荷载，能够极为方便地应用于建筑的结构分析中。在所述建筑的结构分析中，根据我国《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，其将建筑结构的荷载具体分为三部分：1.永久荷载，包括结构自重、土压力、预应力等；2.可变荷载，包括楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等；3.偶然荷载，包括爆炸力、撞击力等。
在实际的建筑结构分析时，应按上述规范对不同种类的荷载采用不同的代表值。其中，永久荷载中的结构自重，土压力和预应力作为永久荷载是因为它们都是随时间单调变化而能趋于限值的荷载，其标准值都是依其可能出现的最大值来确定，即永久荷载采用最大标准值作为代表值。可变荷载则应根据设计要求按规定采用荷载的组合值或标准值作为其荷载代表值，偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。其中不同工况的荷载组合时，风荷载的组合值、频遇值系数和准永久值系数分别取0.6、0.4和0.0。将多种荷载组合后，然后对预先设计的建筑结构进行分析，验算结构的承载力和变形是否符合规范要求。如果设计的建筑结构不满足承载或变形要求，则应重新优化更改设计，直到建筑的荷载分析结果满足上述《建筑结构荷载规范》后开始动工进行建筑建造。在所述建筑的设计、建造分析过程中，风荷载作为其中的一种重要荷载，特别是对于高层建筑的荷载分析起着至关重要的作用，因此在用等效静风荷载去等效模拟时，数据的精确要求对最终建筑的安全性能极其重要，通过本发明实施例中所提出的建筑等效静风荷载数据的处理方法，可保证建筑荷载分析的精度更高。
下面结合图7、8对本发明实施例所述S7：根据所述等效静风荷载，进行建筑结构分析这一步骤，做以下详细说明：
本发明实施例中，所述步骤S7的具体实施流程为：
S701：获取建筑结构任一方向、任一风向角下的等效静风荷载数据；
S702：生成所述等效静风荷载数据随建筑结构高度变化的分布折线图；
S703：根据所述分布折线图，获取建筑高度告警区域及风荷载极值；
S704：根据所述建筑高度告警区域及风荷载极值，进行建筑结构分析。
其中，所述风荷载极值为选取的方向、风向角下获取的等效静风荷载数据最大值，所述高度告警区域为所述风荷载极值对应的高度(或风荷载变化率最大时所对应的高度)。
参照图8，本发明实施中，基于所述样本建筑物的高频力天平风洞试验，在y方向、310°典型风向角下采用本发明实施例中的等效静风荷载数据的处理方法和现有技术中方法(2)所得到的等效静风荷载数据，通过折线图将两种所述等效静风荷载数据随建筑结构高度的变化情况展示了出来。从图8中可以得出，随着建筑的高度不断增加，本发明实施例与现有技术方法(2)所得到的等效静风荷载差异也越来越大，这说明风致响应中背景响应与共振响应的耦合项所起到的作用随着建筑楼层高度的增大越来越不容忽视。从所述折线图中可以看出，在两种分析方法中，所述样本建筑物在y方向、310°典型风向角的风荷载作用下，均在高度267m处产生了最大等效静风荷载，且在267m上下时等效静风荷载的变化率较大，因此可将267m作为本样本建筑物的高度告警区域，，相应的我们可以获取到在267m出的本实施方法得到的等效静风荷载极值为-110kN(负数并不代表风荷载大小，风荷载为负数时代表吸力作用)，而方法(2)得到的等效静风荷载极值为-97kN。可见，在综合考虑本建筑物的高度高于267m时是否能够承受在y方向、310°典型风向角的等效静风荷载极大值时，现有方法(2)中的数据给到了较小的等效静风荷载极值，而这个数据在应用于建筑结构分析时有可能造成实际的风荷载作用大于-97kN，从而引发重大安全事故。由前述可知，本发明实施例中的等效静风荷载数据的处理方法更接近实际结果，精度比现有方法(2)更高，因此得出的风荷载极值更有参考价值，故而建筑的抗风能力、稳定性都能够得到保障。
在实际的建筑结构等效静风荷载分析过程中，应该根据实际的建筑需要分别从不同方向、不同风向角多次分析等效静风荷载数据，综合各次分析结果，才能得出最终合理的建筑方案。
另外，还应当说明的是，还有可能出现本发明实施中得到的等效静风荷载极值小于方法(2)中的等效静风荷载极值，在这种情况下，则进行建筑结构分析的时候可以根据本发明实施中得到的等效静风荷载极值来科学地降低建筑过程中所使用的防风材料规格或者尽可能地增加建筑高度、层数，在保证了建筑的抗风能力、稳定性的同时还可提高建筑的经济效益。
参照图9，本发明实施例提供了一种建筑等效静风荷载数据的处理装置，包括：
存储器202和处理器201，所述存储器202用于存储至少一个程序，所述处理器201用于加载所述至少一个程序以执行所述处理方法。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
另一方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器201可执行的指令，所述处理器201可执行的指令在由处理器201执行时用于执行所述处理方法。
类似地，可见，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
本发明实施例中，所述处理装置中包括至少一个处理器201和至少一个存储器202，所述存储器202用于存储至少一个程序，且所述程序用于被处理器201执行以实现本发明实施例中所述处理方法。本发明实施例中，所述处理器201可以由包括单片机、FPGA、CPLD、DSP、ARM等在内的任一种或多种处理器芯片及其外围电路和程序所构成。所述存储器202所采用的存储介质形式可以是但不限于电、磁、光、红外线、半导体的系统、装置或器件，也可以是任意以上形式所组成的组合。具体地，可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或者上述任意形式所组成的组合。存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，所述程序可以被指令执行系统执行。所述存储器202上包含的程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述介质的任意合适组合。所述程序的代码可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++等；还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。所述程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“另一实施方式”或“某些实施方式”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
对建筑进行基于高频底座测力天平的风洞试验，获取所述建筑的结构基底的倾覆弯矩时间序列和气动弯矩功率谱；
分别计算所述结构基底的平均风致弯矩响应所引起的平均风荷载、风致背景弯矩响应所引起的等效静风荷载背景分量和风致共振弯矩响应所引起的等效静风荷载共振分量；
计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应；
根据所述风致耦合弯矩响应计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量；
计算所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量分别对应的权重系数；
根据所述平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，计算等效静风荷载。
2.根据权利要求1所述一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于：
所述计算所述结构基底的平均风致弯矩响应所引起的平均风荷载这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的倾覆弯矩时间序列，通过公式计算所述结构基底的平均风致弯矩响应，其中，为所述结构基底的平均风致弯矩响应，T为试验采样时长，M(t)为所述结构基底的倾覆弯矩时间序列，t为时间尺度；
根据所述结构基底的平均风致弯矩响应，通过公式计算所述平均风荷载，其中，为所述结构基底的平均风致弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的平均风荷载，zi为所述建筑从地面到第i楼层的总高度，ΔHi为所述建筑的层高，即ΔHi＝zi-zi-1，H为所述建筑的总高度，α为试验中采用的地貌指数。
3.根据权利要求2所述一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于：
所述计算所述结构基底的风致背景弯矩响应所引起的等效静风荷载背景分量这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的气动弯矩功率谱，通过公式计算所述结构基底的风致背景弯矩响应，其中，为所述结构基底的风致背景弯矩响应，为所述结构基底的气动弯矩功率谱，f为频率；
根据所述结构基底的风致背景弯矩响应，通过公式计算所述等效静风荷载背景分量，其中，Pi,B为所述结构基底的风致背景响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载背景分量，gB为所述风致背景弯矩响应所对应的峰值因子。
4.根据权利要求3所述一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于：
所述计算所述结构基底的风致共振弯矩响所引起的等效静风荷载共振分量这一步骤，其具体包括：
根据所述结构基底的气动弯矩功率谱，通过公式计算所述结构基底的风致共振弯矩响，其中，为所述结构基底的风致共振弯矩响应，ζ0为所述建筑结构的一阶模态阻尼比，χ0为所述建筑结构的折算固有频率；
所述建筑结构的折算固有频率通过公式χ0＝(f0D)/VH求得，其中，f0为所述建筑结构的一阶固有频率，D为所述建筑结构的特征宽度，一般取为结构迎风面宽度，VH为所述建筑高度H处的平均风速；
根据所述结构基底的风致共振弯矩响应，通过公式计算所述等效静风荷载共振分量，其中，Pi,R为所述结构基底的风致共振弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载共振分量，gR为所述风致共振弯矩响应所对应的峰值因子，mi为所述建筑第i个楼层的质量，φi为所述建筑第i个楼层所对应的振型值。
5.根据权利要求4所述一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于：
所述计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应这一步骤，其具体包括：
通过公式计算所述结构基底的总风致弯矩响应，其中，为所述结构基底的总风致弯矩响应，|H(f)|2为所述建筑结构的机械导纳；
所述建筑结构的机械导纳通过公式求得；
通过公式计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应的相关系数，其中，ρBR为所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应的相关系数；
通过公式计算所述结构基底的风致背景响应和风致共振弯矩响应之间的耦合效应所对应的风致耦合弯矩响应，其中，为所述结构基底的风致耦合弯矩响应。
6.根据权利要求5所述一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于：
所述根据所述风致耦合弯矩响应计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量这一步骤，其具体包括：
将所述风致耦合弯矩响应按照所述风致背景弯矩响应和风致共振弯矩响应的比例分解为背景部分和共振部分：
所述背景部分为：所述共振部分为：
其中，为所述风致耦合弯矩响的背景部分，为所述风致耦合弯矩响的共振部分；
通过公式计算所述风致耦合弯矩响应的背景部分引起的第一等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C1为所述风致耦合弯矩响应的背景部分在所述建筑的第i楼层质心处所引起的第一等效静风荷载耦合分量，gC为所述风致耦合弯矩响应所对应的峰值因子；
通过公式计算所述风致耦合弯矩响应的共振部分引起的第二等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C2为所述风致耦合弯矩响应的共振部分在所述建筑的第i楼层质心处所引起的第二等效静风荷载耦合分量；
通过公式Pi,C＝Pi,C1+Pi,C2计算所述风致耦合弯矩响应所引起的等效静风荷载耦合分量，其中，Pi,C为所述结构基底的风致耦合弯矩响应在所述建筑的第i楼层质心处所引起的等效静风荷载耦合分量。
7.根据权利要求6所述一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于：
所述计算所述等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量分别对应的权重系数这一步骤，其具体包括：
通过公式计算所述等效静风荷载背景分量对应的权重系数，其中，WB为所述等效静风荷载背景分量对应的权重系数；
通过公式计算所述等效静风荷载共振分量对应的权重系数，其中，WR为所述等效静风荷载共振分量对应的权重系数；
通过公式计算所述等效静风荷载耦合分量对应的权重系数，其中，WC为所述等效静风荷载耦合分量对应的权重系数，sgn()为符号函数。
8.根据权利要求7所述一种建筑等效静风荷载数据的处理方法，其特征在于：
所述根据所述平均风荷载、等效静风荷载背景分量、等效静风荷载共振分量和等效静风荷载耦合分量及所述对应的权重系数，计算等效静风荷载这一步骤，其具体为：
通过公式计算等效静风荷载，其中，为所述结构基底在所述建筑的第i楼层质心处的等效静风荷载；
取从而计算得到所述等效静风荷载的极大值；
取从而计算得到所述等效静风荷载的极小值。
9.一种建筑等效静风荷载数据的处理装置，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行权利要求1-8任一项所述处理方法。
10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：
所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-8任一项所述处理方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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