高層建筑等效風荷載風洞試驗研究

任曉峰

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430050)

摘要：分析了某高層建筑的多通道同步測壓風洞試驗。利用隨機振動理論計算了結(jié)構(gòu)等效靜力風荷載，分析了風荷載隨風向的變化關(guān)系，計算了結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度響應(yīng)，對居住者舒適度進行了評價。

關(guān)鍵詞：高層建筑；風洞試驗；風致響應(yīng)；等效風荷載

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.022

Abstract:This paper presented the analysis results of wind load acting on a tall building determined in the wind tunnel test by synchronous multi-pressure sensing system.The equivalent static wind load was calculated based on the random vibration theory.The variation of wind load with wind direction was analyzed.The peak acceleration response at the top of the structure was calculated.The comfort of occupant was evaluated.

收稿日期：2015-04-09.

作者簡介：任曉峰(1964-)，高級工程師.E-mail:zhouqinghuajzfy@163.com

Wind Tunnel Test of Wind Load Acting on a Tall Building

RENXiao-feng

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China)

Key words:tall building;wind tunnel tests;wind-induced responses;equivalent static wind load

1研究對象簡介

某高層建筑主塔樓均為55層，高度175 m，建筑平面長寬約為21.05 m×25.45 m。由于該建筑高寬比超限，需要進行風洞試驗[1]，為抗風設(shè)計提供計算參數(shù)。該高層建筑處在臺風多發(fā)地區(qū)，且周邊大多為大體量超高層建筑群，風場環(huán)境較復(fù)雜，風荷載成為設(shè)計控制荷載之一。本高層結(jié)構(gòu)自振頻率見表1，一階振型為Y向振動，二階振型主要表現(xiàn)為X向振動。結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計時采用50年及100年一遇基本風壓[2]，分別為0.50 kN/m2與0.60 kN/m2，計算時建筑物結(jié)構(gòu)阻尼比分別取0.050與0.035。

表1　結(jié)構(gòu)前5階頻率分布

2計算方法

超高層建筑作為懸臂結(jié)構(gòu)，其風致響應(yīng)的運動微分方程可以寫為

3風洞試驗簡介

風壓試驗所使用模型采用有機玻璃材料制作，在其表面開設(shè)一定數(shù)量的風壓孔，保持氣密狀態(tài)，將模型內(nèi)部裝設(shè)風壓管，模型安放在風洞試驗臺，風壓管接至電子式壓力掃描閥，測量模型在風洞試驗中風壓孔處表面風壓[3]。

本高層建筑結(jié)構(gòu)風洞模型為3.0 m×3.0 m(寬×高)的矩形，試驗風速在1.0～40.0 m/s內(nèi)可調(diào)。試驗以主建筑物為中心，模擬直徑500 m范圍內(nèi)的周邊主要建筑及大致地形地貌，模型置于風洞轉(zhuǎn)盤上，進行數(shù)據(jù)測量。在主建筑模型表面設(shè)有300個風壓孔，進行18個風向(0°～360°，間隔30°)的結(jié)構(gòu)表面風壓的測量。

4等效靜力風荷載與響應(yīng)分析

通過對試驗數(shù)據(jù)積分計算得到等效基底彎矩、各樓層的等效靜力風荷載以及結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度[4,5]。分析時取地面粗糙度指數(shù)為0.23(C類地貌)，結(jié)構(gòu)等效風荷載重現(xiàn)期分別為50年與100年。

50年重現(xiàn)期時建筑物(阻尼比0.050)基礎(chǔ)最大等效風荷載及其等效基底彎矩

50年重現(xiàn)期時建筑物(阻尼比0.035)基礎(chǔ)最大等效風荷載及其等效基底彎矩

100年重現(xiàn)期時建筑物(阻尼比0.050)基礎(chǔ)最大等效風荷載及其等效基底彎矩

100年重現(xiàn)期時建筑物(阻尼比0.035)基礎(chǔ)最大等效風荷載及其等效基底彎矩

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)中3.7.6 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，按現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009 規(guī)定的10 年一遇的風荷載取值計算的順風向與橫風向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度αlim不應(yīng)超過表2的限值，本高層建筑物基于10年一遇風

表2　結(jié)構(gòu)頂點風振加速度限值 a lim

荷載取值和風洞試驗數(shù)據(jù)計算的結(jié)構(gòu)頂部(第55層)最大加速度X向為0.148 m/s2、Y向為-0.158 m/s2，最大合成加速度為0.216 m/s2，不滿足規(guī)范要求；根據(jù)建設(shè)方提供的氣候中心資料表明，建筑物所在地區(qū)所測到的10年重現(xiàn)期最大平均風速為18.7 m/s(相當于基本風壓為0.214 kPa)，根據(jù)此氣象資料計算的結(jié)構(gòu)頂部加速X向為0.106 m/s2、Y向為-0.703 m/s2，最大合成加速度為0.711 m/s2，滿足規(guī)范要求。

5結(jié)語

本高層建筑高寬比超限，處在密集建筑群的城市市區(qū)，為了保證建筑物建成后使用階段的抗風安全性，對其在強風作用的風壓分布和在設(shè)計風速下風荷載、位移、加速度響應(yīng)進行詳細的風洞實驗，并根據(jù)試驗結(jié)果研究分析該樓的抗風安全性以及在設(shè)計風速下結(jié)構(gòu)風振特性，供設(shè)計參考使用。

參考文獻

[1]JGJ 3—2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]GB 50009—2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3]風洞試驗指南研究委員會.建筑風洞實驗指南[M].孫瑛,等譯.北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[4]張相庭.結(jié)構(gòu)風工程-理論·規(guī)范·實踐[M].北京:中國建筑工程出版社,2006.

[5]黃本才，汪叢軍.結(jié)構(gòu)抗風分析原理及應(yīng)用[M].上海:同濟大學出版社，2001.