摘要
在长期脉动风荷载作用下，超高层建筑结构的风致振动将产生不断的循环应力，可能使得一些关键构件发生疲劳破坏。从既有研究来看，风振疲劳寿命研究多集中于桅杆、输电塔、风力发电机等高耸结构，对超高层建筑的风振疲劳研究几乎是空白。目前，超高层建筑抗风验算主要考虑构件的承载力极限状态，对往复振动造成的累积疲劳损伤关注较少，以至于“超高层建筑风致振动是否会导致疲劳破坏”、“通常超高层建筑的疲劳寿命是多少”这种基本问题还未见研究报道。鉴于此，本文以不同地区的多个超高层建筑为研究对象，在风洞试验数据的基础上，结合理论计算和有限元模型分析，得到了结构风致响应时程和构件应力时程，采用时域法分析了杆件风致疲劳损伤及影响因素。考虑风速风向联合分布，对不同地区的多个超高层建筑的风振疲劳寿命进行研究。主要研究内容如下： （1）以长沙某超高层建筑为例，进行了刚性模型测压风洞试验，计算了该建筑的风致位移响应。同时对该建筑进行多自由度气弹模型风洞试验，测得了该建筑的风致位移响应。将两种试验方法得到的位移响应进行对比，检验了由刚性测压模型试验计算得到的风振响应的准确性。 （2）以不同地区的多个超高层建筑为研究对象，通过风洞试验、理论计算和有限元模型分析，得到了结构风致响应时程和构件应力时程。采用时域分析方法计算风致疲劳损伤，考虑风速风向联合分布，根据Gumbel极值概率模型的拟合结果得到风速风向联合概率分布模型，将风速风向联合分布概率作为各风速风向下的损伤的比例系数计算疲劳损伤，最终计算得到了分别位于长沙、武汉、黄石地区的多个高层建筑的风振疲劳寿命值。结果发现，本文几幢高层的疲劳寿命都在533年~732年之间，这一计算结果表明，在本文的几幢高层在实际抗风设计中不需要考虑疲劳损伤问题。 （3）鉴于案例研究的适用性有限，为扩展案例研究结果的适用性，并兼顾一些极端的情况，本文又分析了风速风向、平均应力、应力均方根和材料极限抗拉强度对疲劳损伤的影响，建立了风振均方根应力与疲劳寿命的近似关系。基于这一近似关系，并逐渐增大建筑所在地的基本风速，结果发现，当百年一遇风振应力均方根与钢材极限抗拉强度的比值达到0.14左右时，建筑关键杆件的疲劳寿命将低于其设计年限。 （4）对于最极端的情况，即当地主导风向与在最不利风振方向一致时，当百年一遇应力均方根与极限抗拉强度的比值达到0.1左右时，建筑关键杆件的疲劳寿命将低于其设计年限。这一研究结果对实际工程的指导作用是，实际结构抗风设计可先不考虑疲劳寿命问题，如果计算的百年一遇应力均方根与构件极限抗拉强度的比值达到0.14(极端情况0.1)左右时则有必要对疲劳寿命进行专门计算，即便此时的风振极值应力还未达到构件极限强度。
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