本书较为系统地介绍了高层建筑结构风致振动的理论与应用技术。首先，介绍了高层建筑风致振动的所必备的基础知识，包括风对结构作用形式、高层建筑风致振动的概念及研究进展、研究的基本方法。其次，详细介绍了高层建筑顺风向脉动荷载模拟方法、考虑顺风向气动阻尼的结构风致响应、高层建筑横风向脉动荷载模拟方法、考虑横风向气动阻尼的结构风致响应及考虑粘滞结构阻尼的结构减振效应、高层建筑扭转向脉动荷载模拟方法及振动响应。最后，考虑建筑外围结构风致损毁的背景下，分析了高层建筑表面风场维护边缘地带风压场外推插值重构方法。

孙业华，1980年生，高级工程师，国家一级注册结构工程师，工学博士。现任江西财经大学信息管理与数学学院工程管理系副主任。研究方向为风工程与结构振动控制。参与国家自然科学基金2项，国家社会科学基金1项，主持省教育厅科技项目1项，省住建厅科技项目1项，省级教学改革项目1项，省级一流本科课程1项。发表论文10余篇。

第1章 绪论

第2章 高层建筑顺风向脉动风荷载模拟与时程分析

第3章 高层建筑横风向脉动风力模拟研究

第4章 高层建筑扭转向脉动风荷载模拟研究

第5章 高层建筑表面风场外推插值重构研究

第6章 超高层建筑风振控制分析

前 言

随着社会经济的发展及科技的创新，高层建筑日益向更高、更柔软的趋势发展。超高层建筑具有轻质、高柔等特性，对风荷载特别敏感。在强风作用下，由建筑振动响应过大导致的居住不适和建筑外围护损坏等情况时有发生。因此，高层建筑抗风设计不仅要关注结构的安全性，而且要对正常使用条件下居住的舒适性进行研究。当前，随着大量高层建筑采用非线性阻尼设备，结构平扭风振响应变得越来越复杂，这对确定作用在建筑物上的动力风荷载提出了新的挑战。本书大致可分为两个部分：高层建筑平扭脉动风荷载模拟和表面风压场重构研究。

第一部分主要研究高层建筑顺风向脉动风激励、横风向脉动风激励、扭转向脉动风激励及相应结构的风振响应。

（1）顺风向脉动风激励数值模拟与结构响应研究。高层结构表面的风压基本上由来流特性控制，其满足拟定常假设风荷载，时间序列符合高斯分布。本书利用达文波特（Davenport）、卡曼（Kaimal）、冯·卡门（von Kármán）提出的风速谱和达文波特空间相干函数，并运用谐波合成法模拟了沿楼层高度分布的顺风向脉动风速时程，同时对典型矩形高层建筑进行了风振时程分析，分析结果表明：冯·卡门谱模拟计算出的加速度根方差与我国相关荷载规范和美国圣母大学（University of Notre Dame，UND）空气动力数据库中的加速度根方差基本一致，达文波特谱高估加速度响应约25%，卡曼谱则相反，低估了约20%。在此基础上，本书研究了结构风振响应规律与顺风向气动阻尼的关系，随着折减风速的增大，结构顶部位移加速度响应根方差减小了5% ～ 20%，加速度响应根方差减小了5% ～ 16%。

（2）横风向脉动风激励数值模拟与结构风振响应研究。考虑到楼层质量分布对建筑横风向脉动风力的影响，且横风向涡激气动力与结构运动的相关性较强，本书提出了一种改进的矩形高层建筑横风向脉动风激励模拟方法。第一步将沿建筑高度分布的横风向加速度谱和楼层质量转化为沿楼层高度分布的横风向惯性力谱；第二步结合横风向风力谱的竖向相干函数，模拟沿建筑高度分布的横风向脉动风力时间序列。所模拟的横风向风力谱与目标谱的吻合程度较高，能准确反映横风向脉动力谱窄带宽峰特性。模拟结果表明：第一阶振型占主导地位，第二阶振型对结构加速度的贡献不容小觑。在结构2/3 高度处设置黏滞阻尼器时，第二阶频率对应的功率谱峰值减小得较为明显，峰值统计值平均降低约43.1%，因此计算横风向加速度时至少需要考虑前2 阶振型。此外，在研究横风向气动阻尼效应的过程中发现，当折减风速约为10.02 时，顶部位移出现最大横风向位移峰值，位移根方差增大约57.2%。因此，进行结构抗风设计时应采取有效措施避开该段的气动效应。

（3）扭转向脉动风激励数值模拟与风致振动研究。考虑到建筑层间转动惯量分布对建筑扭转向脉动扭矩的影响，本书提出了基于基底扭矩功率谱密度函数的矩形高层建筑扭转向脉动风激励模拟方法。研究表明：建筑顶部扭转角加速度与日本建筑学会（Architectural Institute of Japan，AIJ）建议的最大扭转角加速度经验公式计算结果的吻合程度较高（AIJ，2015），且能反映不同深宽比（D/B）的扭转角加速度特征。而本书利用达朗贝尔原理，将建筑层间转动惯量和扭转角加速度谱转化成层间扭转功率谱，并结合扭转竖向相干函数，模拟了沿楼层高度分布的扭转向脉动风激励时程，在时域内得到的扭转角加速度响应根方差比UND 数据库中的大了约10%。此外，结构扭转向加速度的响应主要受到结构扭转向第一阶振型的影响。

第二部分是高层建筑表面脉动风压场的外推插值重构研究。为提高建筑边缘或角部区域风压场脉动风压外推插值重构计算的精度，本书引入冯·卡门函数，并提出了一种改进的本征正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）- 克里金（Kriging）法。由于赫斯特（Hurst）指数和风压场相关长度具有一定的先验性，可通过实测数据确定先验参数的取值，使本书改进的本征正交分解- 克里金法在计算过程中具有一定的风压场统计特征。研究表明：由重标极差分析法（rescaled range analysis，R/S）得到的建筑迎风面的赫斯特指数为0.75 ～ 0.85，说明数据的时间序列具有长期记忆效应，属于自相似的随机过程。这使得所提出的边角区域外推插值重构法的计算精度优于三次样条插值法和基于线性变异函数的普通克里金法。

作为研究结构抗风的著作，本书的出版是对脉动风荷载在顺风向、横风向和扭转向三个方向脉动分量模拟的深入探索。本书在撰写过程中，参考了随机振动相关理论和大量学者的研究成果，希望本书的出版能够推动对相关理论的研究，为结构抗风设计领域提供帮助与借鉴。由于时间有限，书中难免有不足之处，谨请同行专家批评指正。本书的出版得到了江西财经大学信息管理与数学学院的资助。在此，感谢所有为本书的出版提供帮助的专家和领导。

孙业华

2024年3月

本书系统性介绍了高层建筑结构风致振动的理论与应用技术，着重分析高层建筑风致振动的本质及应用。本书从高年级本科生和低年级硕士研究生的思维角度出发，尽可能用朴实的语言深入浅出地准确表达知识内容，使广大读者能够掌握全书的主要内容。

随着工业革命的持续推进，经济技术领域得到了迅猛发展，而人口大量向大都市区域聚集，大大加剧了城市土地资源的稀缺。在这样的背景下，人类开始探索和实践更高水平的建筑技术，这使得我们的城市天际线屡次被刷新。据世界高层建筑与都市人居学会的统计，2000～2010 年全球最高的100 座建筑的平均高度从286 m 增加到349 m。

风与社会的发展及人类的生产活动息息相关，从古代利用风车灌溉农田到现代利用风力发电解决电力短缺问题，风不断为人类造福。但风也会给人类社会带来巨大的灾害，据统计，人类所遭受的自然灾害中，风灾造成的经济损失远超地震、水灾及火灾等各种自然灾害之和，尤其是台风、飓风、龙卷风等所造成的人员伤亡、经济损失及社会影响更为突出（表1.1）。全球每年产生的风力在8 级以上的热带气旋达80多个，死亡人数约为2万人，经济损失超过80 亿美元。

风致结构振动响应在很大程度上取决于建筑的几何外形、结构刚度、阻尼比和质量等因素。不同的几何外形会造就不同的气流绕流模式，由此形成的风荷载也不同，如超高层建筑——上海中心大厦改变几何外形后，通过风洞实验发现，旋转、不对称的外立面较方形截面减少了约60% 的风荷载。当来流脉动风卓越频率与结构固有频率接近时，会产生较大的风致振动响应。

除结构本身的特性之外，结构的风致振动还与来流脉动风的特性有关。来流脉动风的紊流尺度越大、紊流度越高，结构的随机风振响应越大。另外，当上游结构或其他障碍物对来流有一定的干扰时，结构绕流产生的旋涡脱落可能会导致其下游产生高紊流度且沿横风向流动的尾流，该现象称为气动不稳定；当下游结构处在气动不稳定区域内时，下游的来流会产生显著的脉动现象，使结构的振动形态改变，而结构的振动形态反过来又会改变其绕流形态，这种流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）现象称为气弹效应。

风荷载以面荷载的形式作用在建筑物表面，不同的表面形状产生的气动力不同。高层建筑在高度方向上具有连续的整体性且满足刚性隔板假定，因此，可将风荷载凝聚成广义的集中力作用在高层建筑等效质点上。在高层建筑抗风研究中，根据来流方向与结构振动的关系，可把风荷载分为顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转向风荷载。与此同时，可把高层建筑风振响应分为顺风向、横风向和扭转向的三个分量来考虑。根据风荷载的形成机理，顺风向风荷载主要由迎风面和背风面的压力脉动产生，并受来流湍流的影响；横风向风荷载主要由剪切层分离导致旋涡脱落引起；扭转向风荷载则由建筑表面压力分布不对称引起。

风对建筑的作用是指通过建筑外围护结构所受到的脉动风压，以合力的形式使结构发生顺风向抖振、横风向驰振、涡脱共振、扭转发散振动等，这些振动不仅会影响结构的内力，而且会导致结构产生动力失稳现象。而建筑风致振动研究是在假定建筑外围护完好无损的前提下进行的，但强风下建筑外围护损坏每年都会发生。建筑外围护损坏会瞬间改变表面风压的分布形式，不仅会影响结构的安全性，而且会对人的生命和财产安全产生重大影响。