关于“Second-Order Effects on Wind-Induced Structural Behavior of High-Rise Steel Buildings”的学术报告

一、研究作者及发表信息

本文的研究作者为Sejun Park和Donghun Yeo（M.ASCE），两位作者均隶属于美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）。该研究成果发表在2018年的《Journal of Structural Engineering, ASCE》期刊上，文章编号为04017209，DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001943。

二、研究背景

这项研究聚焦于高层钢结构建筑在风作用下的结构行为，特别是二阶效应（Second-Order Effects）对其动态结构响应的影响。这些二阶效应主要源于由于重力荷载引起的构件曲率效应（P-Δ效应）和构件弦旋转效应（P-δ效应）。传统观点认为，高层建筑由于自身的基本频率低于1 Hz，更易受到风载低频特性的影响，而独立于地震动高频特性的影响。

已有研究多集中于地震载荷下二阶效应的影响，但对二阶效应在风载下的系统性分析相对较少。为了填补这一研究空白，该研究结合几何刚度方法（Geometric Stiffness Method）和数据库辅助设计（Database-Assisted Design, DAD）方法，探讨风引起的高层钢结构动态响应中的二阶效应问题。

目标是评估二阶效应对高层建筑抗力设计和可服务性设计的影响，并分析这些效应对楼层间位移角、加速度、构件需求与承载能力比值（Demand-to-Capacity Index, DCI）等关键指标的不同影响。

三、研究流程与方法

研究工作分为以下几个核心步骤展开：

1. 几何刚度方法的应用与校正

• 研究采用几何刚度矩阵（Geometric Stiffness Matrix）表征结构中由于重力荷载和侧向位移相互作用引起的二阶效应。
• 为减少计算量并提高精确性，研究利用几何刚度矩阵替代传统的稳定性函数，动态方程通过非迭代方式求解，误差控制在1%以内。

2. 实验模型及风负载数据来源

• 实验系统基于一个60层高的高层钢结构，即Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council（CAARC）建筑模型，其高度为182.88米。
• 风载荷数据来源于意大利Prato空气动力实验室的风洞试验，其中包括不同风向（每10°）和不同风速（20m/s到80m/s）的空气动力压力数据。

3. 建筑模态分析

• 使用有限元软件SAP 2000进行模态分析，分析结果覆盖前六阶模态和自然频率，并分别讨论了是否考虑二阶效应的两种情况。
• 研究表明，考虑二阶效应时，结构的自然频率下降幅度达12%；第二阶和第三阶频率趋于一致。

4. 动态分析与DAD方法整合

• 为研究高层建筑在风载下的动态行为，研究引入DAD算法，根据模态数据结合风洞压力数据库计算应力和响应。
• 动态分析涵盖不同设计情况下的两种载荷组合（LC1和LC2，用于抗力设计；LC3，用于可服务性设计）。

5. 局部和整体响应分析

• 针对选取的21个关键结构构件（包括柱、梁、斜撑），研究计算其DCI值及基于旋转扭矩、剪力、弯曲力矩等力学响应。
• 综合分析楼层间位移角和顶层加速度通过风载作用引起的差异，特别是在不同风速和风向下的分布规律。

四、研究结果

研究的主要结果如下：

1. 二阶效应对整体动态响应的影响

• 当屋顶参考风速（uref）为80m/s时，二阶效应使基底剪力增加9%、扭矩提升10%、倾覆力矩增大15%。
• 风速在100m/s时，由于涡激振动频率与建筑自然频率接近，横风方向的倾覆力矩显著增加。

2. 构件DCI的变化

• 轴力与弯矩交互作用的DCI值（bpmij）对于柱、梁、斜撑分别增加19%、41%、31%（uref=80m/s）。
• 剪力相关的DCI值（bvij）变化幅度较低，其中柱、梁、斜撑分别增加67%、26%、13%。

3.楼层间位移角与加速度

• 楼层间位移角因二阶效应增加14%-21%（uref=40m/s），在带有腹杆和束带桁架层处受影响最小。
• 顶层加速度的变化幅度相对有限，最高仅增加2%。

4. 模态效应的可视化

• 研究通过模态叠加分析说明前六阶模态能够充分捕捉动态响应的变化。二阶效应额外引入的加速度效应主要集中在顶楼及其附近楼层。

五、研究结论

1. 二阶效应显著影响高层建筑在风载荷下的总倾覆力矩、基底剪力及构件的承载设计需求。
2. 提出的研究方法，结合几何刚度方法与DAD算法，可有效在非迭代情况下量化二阶动态效应。
3. 研究为高层建筑结构抗风设计提供了新的分析框架，同时针对含有复杂风效应场景下提高服务性能和结构强度设计提供了理论依据。

六、研究亮点

1. 创新性：系统融合几何刚度方法与DAD框架，减小计算复杂度的同时实现多目标响应评估。
2. 数据基础：基于全面的高质量风洞实验压力数据库，确保研究具有充分数据支持。
3. 应用价值：为高层钢结构建筑最优抗风设计提供了规范化计算模型，填补了风荷作用下二阶效应系统分析的学术空白。

七、研究意义与展望

本文的研究填补了现有高层建筑设计中二阶效应与风载相结合的理论空白，为未来规范高层建筑结构设计提供了方法和数据框架。进一步的研究工作可以围绕不同类型的建筑形状、结构系统及多样化的风环境细化分析，以验证广泛适用性并优化相关技术规范。