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摘要：高层建筑结构风振响应具有多模态参振及模态耦合效应显著的特点。基于振型分解，本文采用分量叠加法对高层建筑结构的风振响应进行计算，其中，背景响应采用拟静力分析方法，共振响应采用SRSS和CQC两种组合形式进行计算。同时，根据分量叠加法、优化的分量叠加法分析了高层建筑结构风振响应的特性，并将计算结果进行了分析比对。最后，通过某高层建筑结构各分量的比例关系、位移响应等计算结果对所提出的结论进行了验证。
关键词：高层建筑结构，风振响应，背景响应，共振响应
1引言
根据风振响应阵型分解基本理论，通常将结构的动力响应分为共振响应和背景响应分别进行求解[1]。根据分量叠加理论、优化的分量叠加理论、模态叠加理论等基本理论，分别推导适合高层建筑结构的风振响应计算公式。已有研究成果表明，大跨屋盖结构风振响应计算须考虑多阶阵型的影响，以及模态间的耦合效应[2]。本文以某一高层建筑结构为研究对象，分析此类高层建筑结构风振响应的特性。
2基于随机振动理论的分析方法
高层建筑结构在脉动风荷载作用下的运动方程为：
图4-1 顺风向（X轴）背景响应图4-2 横风向（Y轴）背景响应
由图4-1、图4-2所示的结果表明，背景响应随着建筑高度的增加，背景响应也在逐步增大，且采用SRSS组合方法与CQC组合方法得到的结果很相近。以上说明在该高层建筑结构中，背景响应各个振型之间的耦合效应不明显，所以背景响应振型间的耦合作用基本上可以忽略，对计算结果影响不大。与此同时，我们发现采用拟静力方法与振型叠加法得出的结果较为一致。故采用拟静力方法求解更高效。
为反映共振响应振型之间的相关性对计算结果的影响，其计算分别采用了参振模态的背景响应和共振响应的CQC组合结果、SRSS组合结果，并将两种计算结果进行了对比。计算结果显示，无论在横风向还是顺风向，采用CQC组合法和SRSS组合法进行振型叠加得到的共振响应都存在明显差异。说明共振响应各振型之间的耦合效应对响应结果存在较大影响，振型间的耦合作用不能忽略。
传统的CQC法计算精度较为精确，但计算成本较高，尤其三针对高层建筑结构，消耗大量的计算资源。若采用优化共振位移响应分量的计算，计算效率会大大提高。故本文选取了10个不同高度位置且具有代表性的节点，采用SRSS组合法、CQC组合法和优化方法分别计算X向、Y向的位移极值响应的共振分量，并将统计结果进行误差分析。计算结果将CQC组合得到的共振响应结果作为参考基准，发现采用SRSS组合计算出的共振响应方差会产生较大的误差。与Y轴方向的结果相比，X轴方向的误差较明显，最大误差接近20%，在工程中这样的误差是不被允许的。优化后共振响应的计算结果误差范围在2%以内，尤其是在Y轴方向更接近CQC组合法的结果。
为了更直观表达位移响应的变化情况，选取了不同高度位置的节点，在顺风向和横风向分别将利用这两种方法得到的脉动位移响应对比情况如图4-5和图4-6所示。
图4-5 顺风向脉动风振峰值响应图4-6 横风向脉动风振峰值响应
经过图形对比分析可以得出，优化后的分量叠加法计算出的动力响应值与之前的结果发生了明显的改变。这是由于优化之后的分量叠加法基于时程响应，考虑了背景响应、共振响应各自模态间的耦合作用，以及背景响应与共振响应之间的耦合作用，致使两种结果的差异。经验证，采用优化前后的分量叠加法得出的动力响应值差异较明显，优化后的分量叠加法与模态叠加法的计算结果十分相近，优化后的分量叠加法有效的考虑各振型之间的耦合效应，使得计算精度得到了有效地提高。
4 结论
（1）结构在脉动风振响应中主要体现其动力放大效应，背景响应采用拟静力方法求解更高效，背景响应振型间耦合作用不明显，基本上可以忽略；而共振响应振型间的耦合作用对位移响应结果会产生一定的影响，不能忽略。
（2）基于随机振动理论将结构响应分成背景响应和共振响应分别计算，这样可以大大缩减工作量。但是，分量叠加法不能考虑振型之间的耦合效应，计算精度受到影响，而优化后的分量叠加法得到了明显的改善。
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论文作者:成佩玲
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/15
标签：组合论文; 分量论文; 建筑结构论文; 背景论文; 高层论文; 静力论文; 位移论文; 《建筑学研究前沿》2017年第9期论文;