在台风多发地区,数百米以上高度的超高层建筑的风荷载和效应是结构安全性和使用性的控制性荷载,而且位于强风地区的500m以上量级高度的超高层建筑的横风向荷载一般会超过顺风向响应成为结构抗风设计的重要关注问题。通过传统的增强结构的强度与刚度已经很难满足上述结构设计者对于抗风设计的要求,于是合理地降低作用于超高层建筑上的风荷载成为风工程研究者的一个重要方向。同时在准确估算结构风致响应时候,气动阻尼的精准估算十分重要。本文主要对高宽比为9:1且高度在500m以上量级的一系列变截面(线性锥度立面方案和退台收缩方案)超高层建筑进行同步测压风洞试验,同时结合两个典型具体工程展开的详细风洞试验,考虑角区切角、局部开透风槽、开洞、结构表面粗糙度等对结构体型系数、极值风压、气动荷载分布以及风致荷载和响应的影响;提出并合作研制了一套新的两自由度刚性摇摆气动弹性模型试验装置并成功用于某838m高超高层建筑的气动弹性试验。全文的主要结论和贡献如下:(1)发现了整体体型系数?s存在和常规建筑不同的规律:对于高宽比达9:1的超高层建筑,?s沿高度先减小但在中上部反而增大的现象,立面线性收缩对?s起增加作用,最大达到1.63,远高于规范的体型系数建议值,这种现象在高宽比为12:1和838m高的两个建筑中也同样存在。(2)对于立面线性收缩方案,峰值负压有随锥率增加略微减小趋势。切角处理显著增加切角处的峰值负压,锥率越大,切角处的负压也越大,最大增加90%。开启局部透风槽后在其本身位置处形成高负压区,距离增加影响快速消失。从整体上看,建筑侧立面峰值负压分布较为均匀,从而引起建筑底部风压相对较高,这会严重影响常规建筑底部大堂的幕墙设计,应引起关注。(3)线性锥度立面方案使得建筑侧立面由等截面方式的频率相同的整体漩涡变成沿高度频率逐渐增加的连续漩涡,退台方案则变成沿高度若干个频率不同的局部漩涡,切角处理以后原有的较大峰值漩涡脱落基本消失,开启局部透风槽措施有助于削减未切角处理结构的漩涡脱落强度和切角处理结构气动力中和漩涡脱落频率相关的残余能量。(4)立面线性和退台收缩方案最终都可有效地降低超高层建筑的风致荷载,锥率为2.2%、4.4%和6.6%三个不同锥率模型的100年峰值基底弯矩要比等截面正方形模型分别减小44.12%、68.42%、81.85%,四个退台方案的减小效果在75%~79.2%之间。锥率为0.0%、2.2%和4.4%的三个模型经过切角处理以后减小效果分别为65.25%、73.81%和80.93%。在四种不同局部开槽处理策略中,全部开启减小效果最好,接近模态加权气动力(定义为结构归一化高度和气动力之积)中心开启透风槽的效果最优。(5)对两种平面方案高宽比为12:1高度268.8m的十字形截面超高层建筑工程的详细试验结果显示:建筑立面的粗糙度对结构的风致荷载影响不大,但角区的影响则较为明显必须给予准确的模拟;结构顶部开洞处理的主要作用和在角区开启透风槽的作用相似均是只能削减横风向漩涡脱落的强度,对于顺风向荷载影响极小,对于本工程由于结构基频已远小于结构的漩涡脱落频率,这使得其对荷载的减缓作用非常有限,更主要的是该工程是顺风向控制的,这显示开洞方案对于该工程并不可取。增加圆弧角平面方案的模型表面粗糙度并没有明显改变结构的风致荷载和效应,显示结构圆弧角的雷诺数效应影响不大,这需要进一步的细致研究。(6)所研制的气弹模型试验装置具有结构阻尼可定量控制且稳定性好、模型质量模拟方便等创新点。应用于838m高超高层建筑的试验结果显示:横风向气动阻尼随折减风速增加先减小,当折减风速达到以结构顶部方形截面宽度为依据换算的临界风速时,负的气动阻尼开始出现,折减风速达到12.5时,气动阻尼减小到-1.0%左右,随折减风速继续增加,气动阻尼基本保持不变;顺风向气动阻尼在所研究的折减风速范围内基本均为正值,且随折减风速增加,最大达到1.8%左右。3种不同的结构阻尼(1.1%、2%、3%)下试验得到的气动阻尼具有较好的一致性,这显示对于该工程的结构阻尼对气动阻尼影响不大,同时也说明该装置的可靠性。最后对全文进行总结并对进一步工作进行了讨论和展望。