趙松林

1 概述

羅浮宮國際家具博覽中心位于順德中心城區(qū),高約200 m,如同船帆,造型非常優(yōu)美。主塔樓為弧狀結(jié)構(gòu),長寬大約為100 m×25 m。由于風(fēng)荷載是該超高層建筑的控制荷載之一,且其高寬比約為8、長寬比約為4,體型比較復(fù)雜,因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用風(fēng)洞試驗(yàn)來確定該建筑的風(fēng)荷載。

本文基于湖南大學(xué)風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)獲得結(jié)果,得到了結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù),基礎(chǔ)等效風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)頂部加速度響應(yīng),并與規(guī)范相關(guān)值進(jìn)行了對(duì)比,獲得了一些有意義的結(jié)論。

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀肁BS板制成,具有足夠的強(qiáng)度和剛度。模型與實(shí)物在外形上保持幾何相似,縮尺比為 1∶300,高 67 cm。將周圍500 m半徑范圍內(nèi)已建和待建的建筑物的1/300縮尺比模型分別按其相對(duì)位置放在主樓模型周圍并固結(jié)在轉(zhuǎn)盤上(見圖1)。為測(cè)取建筑表明的風(fēng)壓,在模型上共布置了435個(gè)測(cè)點(diǎn)。

地貌類型按國家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定的B類地貌考慮,地貌粗糙度系數(shù)(指數(shù)律)α=0.16。試驗(yàn)時(shí)參考點(diǎn)高度設(shè)在67 cm,參考點(diǎn)高度處的控制風(fēng)速為15 m/s,圖2為在風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤中心處的平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面。

3 結(jié)果分析

3.1 體型系數(shù)

依據(jù)測(cè)壓結(jié)果,各點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)由下列公式計(jì)算:

其中,Cpi(t)為測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程;pi(t)為試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓力時(shí)程;p0和p∞分別為參考點(diǎn)處測(cè)得的平均總壓和平均靜壓。

建筑物表面各點(diǎn)的體型系數(shù)可表示為:

其中,μsi為測(cè)點(diǎn)i的局部體型系數(shù);Cpi,mean為測(cè)點(diǎn) i風(fēng)壓系數(shù)的平均值;hr和hi分別為參考點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)的高度。

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,弧形建筑的體型系數(shù)為1.4。按試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的典型風(fēng)向角下的體型系數(shù)見表1。由于建筑特殊的外形,計(jì)算體型系數(shù)時(shí)未包含頂部測(cè)點(diǎn),實(shí)際計(jì)算測(cè)點(diǎn)的最高高度為162 m。

表1 典型風(fēng)向角下的體型系數(shù)

從表1可看出,當(dāng)迎風(fēng)面為凹面(0°風(fēng)向角)時(shí),整體體型系數(shù)與規(guī)范建議值比較接近,當(dāng)迎風(fēng)面為凸面(180°風(fēng)向角)時(shí),整體體型系數(shù)比規(guī)范建議值小。造成這種差別的主要原因是凸面為迎風(fēng)面時(shí),立面邊上較大區(qū)域出現(xiàn)負(fù)風(fēng)壓,這說明氣流在迎風(fēng)面上產(chǎn)生了分離;而迎風(fēng)面為凹面時(shí),氣流分離僅發(fā)生在棱角位置,立面所有測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)為較大的正風(fēng)壓。可見,體形的差異會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)荷載大小的差別。

3.2 基礎(chǔ)等效靜風(fēng)荷載

基于空氣動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)[1]與結(jié)構(gòu)動(dòng)力及可靠度理論[2],計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的等效靜風(fēng)荷載。圖3為計(jì)算得到的基底等效靜風(fēng)荷載隨風(fēng)向分布圖。

從圖3可以看出,在X向,基底剪力(Fx)與基底彎矩(My)具有相同的變化規(guī)律;在Y向,基底剪力(Fy)與基底彎矩(Mx)具有相同的變化規(guī)律。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制風(fēng)向角位于0°和180°附近,相對(duì)來說,0°風(fēng)向角基底等效靜風(fēng)荷載更大,這主要與建筑的體型有關(guān),上述體型系數(shù)也說明了這一特點(diǎn)。從圖3還可看出,X向風(fēng)荷載隨風(fēng)向角的變化較為平穩(wěn),而 Y向的風(fēng)荷載出現(xiàn)明顯的風(fēng)向性;但較大的基底等效靜風(fēng)荷載僅發(fā)生在有限的風(fēng)向角范圍。

表2為按不同方式計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部(最大)等效靜風(fēng)荷載,其中,規(guī)范計(jì)算結(jié)果是指依據(jù)規(guī)范相關(guān)條文采用PKPM計(jì)算得到的結(jié)果。從表2可看出,X向的基底最大等效風(fēng)荷載明顯小于規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果,這是因?yàn)榇祟惢⌒谓ㄖ臍饬鞣蛛x現(xiàn)象與矩形截面的氣流分離現(xiàn)象之間的差異所造成的;Y向的最大基底等效靜風(fēng)荷載與規(guī)范計(jì)算結(jié)果相當(dāng);從綜合上看,采用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可在一定程度上降低工程造價(jià)。

表2 風(fēng)荷載結(jié)果對(duì)比

3.3 結(jié)構(gòu)頂部加速度

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定,高度超過150 m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件,滿足舒適度要求?；谝?guī)范10年重現(xiàn)期風(fēng)荷載取值和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度如圖4所示。從圖4可以看出,無論是X向還是Y向,Y風(fēng)向風(fēng)振明顯大于X風(fēng)向風(fēng)振。結(jié)構(gòu)頂部X向最大加速度為0.040 m/s2,Y向最大加速度為0.076 m/s2,舒適度滿足規(guī)范要求。

《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.5.1條給出了順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度的計(jì)算公式,據(jù)此計(jì)算得到Y(jié)軸方向的順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度分別為0.039 m/s2,0.089 m/s2。由于我國荷載規(guī)范中隱含采用的是2.2的峰值因子[3],而試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中計(jì)算得到的峰值因子為3.3。若將規(guī)范計(jì)算 也按3.3的峰值因子考慮,則 Y軸方向的順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度分別為0.058 m/s2,0.133 m/s2。順風(fēng)向計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,而橫風(fēng)向差別較大。

4 結(jié)語

1)弧形建筑凹面為迎風(fēng)面時(shí),體型系數(shù)與規(guī)范建議值比較接近,為1.35;凸面為迎風(fēng)面時(shí),體型系數(shù)比規(guī)范建議值小,為1.12;體型對(duì)風(fēng)荷載有顯著的影響。2)采用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì),可降低工程成本。因此在進(jìn)行超高層建筑設(shè)計(jì)時(shí),進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究確定其設(shè)計(jì)風(fēng)荷載是非常有意義的。3)結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振比順風(fēng)向風(fēng)振顯著,應(yīng)該歸結(jié)于順風(fēng)向結(jié)構(gòu)振動(dòng)是由于來流的湍流引起的,而橫風(fēng)向振動(dòng)主要是因?yàn)槊}動(dòng)風(fēng)的漩渦脫落引起的。

[1] 埃米爾?希繆,羅伯特?H?斯坎倫.風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用—風(fēng)工程導(dǎo)論[M].劉尚培,項(xiàng)海帆,譯.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1992.

[2] 李桂青,李秋勝.工程結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度理論及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[3] 石碧青,謝壯寧,倪振華.用高頻底座力天平研究廣州西塔的風(fēng)效應(yīng)[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(2):42-48.