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随着我国经济的发展、科技的进步及城市人口的增长,高层建筑在最近的一、二十年里得到了前所未有的发展。由于高层建筑对风特别敏感,使得结构上的风荷载逐步成为控制高层建筑安全性、舒适性和经济性的最重要的因素之一。而在目前的结构风振研究中,由于计算过程的复杂和认识上的误区,大多数分析均做了一定的简化,并没有考虑土一结构相互作用。本文回顾了土一结构相互作用和结构风振的国内外研究现状,选定了“考虑土一结构动力相互作用时高层建筑风致振动的地基土阻尼比研究”作为本文的研究内容。
本文首先采用Davenport风速谱,推导了明置箱形基础的高层建筑结构在顺风向动力风荷载作用下考虑土一结构动力相互作用时的频率响应计算公式。地基分别采用A.S.Veletsos提出的粘弹性均质半空间模型、以P.Wolf提出的锥体模型为基础的弹性均质半空间模型及层状半空间模型。编制计算程序,给出不同高度的高层建筑结构考虑土一结构相互作用时的风致动力响应计算结果。通过比较采用A.S.Veletsos的粘弹性均质半空间模型和采用以P.Wolf提出的锥体模型为基础的弹性均质半空间模型的计算结果,得出两种模型计算结果基本一致的结论。并比较采用考虑不同土介质层数的层状半空间模型的计算结果,发现在考虑地基土层时,过多地增加地基土层数并不会对计算结果产生显著的影响,由此提出了实用的层状半空间上明置圆盘基础阻抗函数的简化计算准则。
然后,我们通过以上算例给出的结构风致动力响应,并参考国内外一些学者的研究成果,确定了高层建筑结构在风荷载作用下地基土材料阻尼比的取值范围,一般不超过3﹪。由此计算获得的体系第一振型阻尼比也很小,并且随着结构高度的增加而逐渐减小。所以,我们得出结论:对于在动力风荷载作用下的高柔结构,SSI效应对结构的动力响应的影响是不利的。
最后,我们通过算例中给出的结构风致动力响应,计算高层建筑结构在考虑土一结构动力相互作用时的风振系数,与我国现行规范的风振系数作比较,给出比较结论,并考虑建筑物高度、建筑物高宽比和建筑场地的粗糙度类别等因素对考虑SSI效应的风振系数的影响,从而为高层建筑结构的风振设计提供了一定的参考价值。