劉潤富（廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東廣州510010）

某超高層建筑風(fēng)荷載分析

劉潤富（廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東廣州510010）

近年來，超高層建筑大量涌現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，風(fēng)荷載往往成為這類結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。風(fēng)洞試驗是對建筑風(fēng)致響應(yīng)獲取的最主要手段，本文基于風(fēng)洞試驗，對某超高層建筑的風(fēng)荷載分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采用有限元方法進(jìn)行頂層位移響應(yīng)分析計算，獲取有意義的結(jié)論。

超高層建筑；風(fēng)洞試驗；計算流體力學(xué)；風(fēng)荷載；有限元分析

1 工程概況

本項目位于華南地區(qū)，是一棟約200m高的住宅?？偨ㄖ娣e約為10萬m2，其中地下空間4萬m2，塔樓約6萬m2。由于本建筑位于強(qiáng)/臺風(fēng)地區(qū)，且周邊區(qū)域建筑物較為密集，其風(fēng)環(huán)境復(fù)雜。為了保證本超高層建筑結(jié)構(gòu)在使用階段的安全性，對本建筑在設(shè)計風(fēng)速作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)進(jìn)行研究分析十分必要，同時建立有限元模型進(jìn)行頂層位移響應(yīng)分析計算，從中獲取結(jié)果數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供有用的設(shè)計依據(jù)。

圖1 超高層建筑效果圖

2 試驗內(nèi)容

2.1 風(fēng)洞試驗設(shè)備

本試驗所使用的風(fēng)洞設(shè)備為閉口回流式矩形截面邊界層風(fēng)洞，分為大小兩個試驗段，小試驗段截面尺寸為2.4m（寬）× 2.0m（高），風(fēng)速范圍為1.0～40.0m/s；大試驗段截面尺寸為3.6m（寬）×3.0m（高），風(fēng)速范圍為0.5～22.0m/s。流場性能良好，試驗區(qū)流場的速度不均勻性小于1.5%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5°。

2.2 大氣邊界層

大氣邊界層為地表之上幾十米到一千米的大氣層，這個范圍內(nèi)的風(fēng)特性對建筑物風(fēng)效應(yīng)有十分明顯的影響，因而在風(fēng)洞試驗中需要對其主要特性進(jìn)行模擬。大氣邊界層內(nèi)空氣流動的特性的影響因素很多，例如地表粗糙度、地形地物、溫度分層情況、地球的自轉(zhuǎn)等。其主要特性表現(xiàn)為平均風(fēng)速和紊流度沿高度的分布。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中用指數(shù)a為區(qū)分地表類型的指標(biāo)。針對建筑所處的位置，其大氣邊界層特性由來風(fēng)的方向確定。當(dāng)風(fēng)向為海向陸地，應(yīng)按A類，即按a=0.12進(jìn)行模擬取值；當(dāng)風(fēng)向為陸地向海，應(yīng)按B類，即a=0.16進(jìn)行模擬取值；當(dāng)建筑物周邊為密集建筑群的城市市區(qū)時，應(yīng)按C類，即按a=0.22進(jìn)行模擬取值?；诒窘ㄖ诘乩砦恢眉爸苓吔ㄖ植记闆r，大氣邊界層特性可判定為C類地表進(jìn)行模擬，即a=0.22。

大氣邊界層模擬裝置可由擋板、尖塔、以及木質(zhì)粗糙元組成，在風(fēng)洞試驗段內(nèi)模擬產(chǎn)生與現(xiàn)場情況等效的大氣邊界層。而主體建筑物附近的風(fēng)場變化則通過實際的地形和周邊建筑物的影響來產(chǎn)生。

在風(fēng)洞試驗中，模擬平均風(fēng)速剖面是首要任務(wù)，其次對風(fēng)的紊流強(qiáng)度和積分尺度的模擬次之。在大氣邊界層內(nèi)，平均風(fēng)速剖面可由下列公式表示：

式中：VZ為目標(biāo)高度Z處的風(fēng)速；V10為10m高度處基本風(fēng)速，Z為目標(biāo)離地高度；Z10為參考高度10m；α代表風(fēng)速剖面指數(shù)。紊流強(qiáng)度的含義為ν′/V，其中ν′為脈動風(fēng)速均方根值；V為平均風(fēng)速。當(dāng)粗糙度增加時紊流強(qiáng)度也隨著的增加，高度越高，紊流度越小，在近地面達(dá)到最大值。

對大氣邊界層模擬裝置的局部進(jìn)行試調(diào)，然后進(jìn)行風(fēng)場特性指標(biāo)測量，保證模型制作比例與模擬風(fēng)場的湍流尺度比例相一致。通過流場指標(biāo)校測試驗可知，大氣邊界層風(fēng)速剖面指數(shù)α為0.22，與目標(biāo)取值吻合度高。

2.3 參考風(fēng)速及參考風(fēng)壓的選取

按風(fēng)氣候分析結(jié)果及我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［1］（GB50009 -2012），本項目所在地區(qū)50y重現(xiàn)期、10m高度處、10min平均的基本風(fēng)壓為w0=0.50kPa；100y重現(xiàn)期、10m高度處、10min平均的基本風(fēng)壓為w0=0.60kPa。則C類地貌、參考高度65.7cm（相對實際為197.1m）處的風(fēng)壓、風(fēng)速取值：50y重現(xiàn)期風(fēng)壓值為1.143kPa，風(fēng)速取值42.77m/s；100y重現(xiàn)期風(fēng)速、風(fēng)壓取值分別為1.372kPa與46.86m/s。

3 試驗設(shè)計

風(fēng)洞試驗以主建筑物為中心，放置于在高頻動態(tài)天平上，模擬半徑約為500m范圍內(nèi)主要的周邊建筑以及地形，安裝于風(fēng)洞試驗區(qū)段試驗轉(zhuǎn)盤上，進(jìn)行24個風(fēng)向角試驗測量，從0～360°，以15°為一個風(fēng)向測量角。合理采樣時間為32s，采樣頻率取為1000Hz。試驗風(fēng)向按24個控制風(fēng)向角設(shè)置，定義風(fēng)向與中心線的夾角（風(fēng)向角）β=0°，如圖2，以順時針轉(zhuǎn)動，每間隔15°進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。風(fēng)洞參考點高度為65.7cm（與實際模型197.1m高度相當(dāng)），試驗風(fēng)速為10m/s。

圖2 試驗風(fēng)向角

4 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

對于X向等效基底剪力，數(shù)值最小時風(fēng)向角為165°，當(dāng)阻尼比取值0.05，0.04，0.35時，大小分別為6.61E+06、6.82E+ 06、6.97E+06，此時為順風(fēng)向荷載，這是由于建筑迎風(fēng)方向受到其他較高的建筑屏擋影響，氣流流動減緩，風(fēng)致響應(yīng)較小。由于本建筑結(jié)構(gòu)高寬比較大且立面復(fù)雜，導(dǎo)致了橫向等效靜風(fēng)荷載，風(fēng)荷載作用方向不穩(wěn)定。原因在此，導(dǎo)致橫風(fēng)向風(fēng)振分析時具有一定的隨機(jī)性，研究難度較高。當(dāng)風(fēng)向角為120°時，X方向等效底部剪力在上述阻尼比條件下最大值分別為-1.35E+07、-1.38E+07、-1.40E+07。而Y方向等效底部剪力，除去個別的風(fēng)向角，其值較X方向的等效底部剪力大，最大值風(fēng)向角為315°。通過對等效靜風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換成順風(fēng)向和橫風(fēng)向等效風(fēng)載，可以容易發(fā)現(xiàn)，順風(fēng)向風(fēng)荷載的總體影響比橫風(fēng)向風(fēng)荷載總體影響大，這表明順風(fēng)向風(fēng)荷載占主導(dǎo)控制地位，然而在少數(shù)的風(fēng)向角中，橫風(fēng)向風(fēng)荷載與順風(fēng)向風(fēng)荷載影響相當(dāng)，甚至超出順風(fēng)向風(fēng)荷載的影響，這也驗證了橫風(fēng)向風(fēng)振作用對超高層建筑風(fēng)振響應(yīng)，影響很大，甚至起主導(dǎo)作用。

5 有限元模型建立

本文根據(jù)直接建立模型的方法建立有限元模型，進(jìn)行等效靜風(fēng)荷載響應(yīng)分析以及風(fēng)荷載時程響應(yīng)分析。主建筑物的等效靜風(fēng)荷載由三個部分組成：順風(fēng)向分量、橫風(fēng)向分量以及扭轉(zhuǎn)風(fēng)向分量，均可通過高頻動態(tài)天平試驗獲取。風(fēng)荷載時程數(shù)據(jù)通過剛性模型測壓試驗獲得。由于實際建筑模型十分復(fù)雜，建立完整的有限元模型耗時巨大，且可行行底，本文進(jìn)行模型簡化處理，對原結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行沿樓層高度自由度聚合，各樓層的質(zhì)量集中在各個樓層面高度上，每一自然層簡化為一個質(zhì)點。各個樓層只考慮X和Y以及θ，三者分別代表順、橫風(fēng)向平移和繞豎軸轉(zhuǎn)動的自由度。為了簡化，且較保守的對于非承重構(gòu)件如填充墻等，對樓層側(cè)移剛度及扭轉(zhuǎn)剛度的定義時，進(jìn)行了忽略處理，只對框架柱及剪力墻提供的剛度進(jìn)行考慮。根據(jù)對比可知，這個簡化處理，誤差仍處于工程接受范圍內(nèi)。

圖3 有限元計算模型圖

6 計算結(jié)果

本文進(jìn)行等效靜風(fēng)荷載響應(yīng)計算中的等效靜風(fēng)荷載數(shù)據(jù)由高頻動態(tài)天平試驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理獲取，試驗工況為：從0～360°，每15°進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分為24個風(fēng)向角工況。因此在進(jìn)行本次響應(yīng)有限元計算中，也按照高頻動態(tài)天平的同樣工況進(jìn)行計算。高頻動態(tài)天平試驗結(jié)果數(shù)據(jù)可直接獲取基底等效風(fēng)荷載作用力，然后通過剛度分配換算到各樓層等效靜力風(fēng)荷載，包括橫風(fēng)向水平分量Fx、順風(fēng)向水平分量Fy以及繞豎軸方向扭轉(zhuǎn)分量Mz。建筑結(jié)構(gòu)各樓層總的等效靜力風(fēng)荷載包括平均風(fēng)荷載分量與脈動風(fēng)荷載分量之和。在有限元計算分析中，把這組數(shù)據(jù)施加到有限元計算模型中，采用靜力分析計算方法，即得到等效靜風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)情況（見圖4）。

對比計算結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)向角為120°時，建筑頂層的位移值達(dá)到最大，數(shù)值為77.4mm。由高頻動態(tài)天平試驗所得的等效風(fēng)荷載結(jié)果我們可以知道，當(dāng)處于120°風(fēng)向角時，等效風(fēng)荷載值也處于最大值，F(xiàn)x=-1.13E+07N、Fy=1.56E+07N，數(shù)值計算所得的結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，由此可知，有限元模型能真實的反映實際建筑模型的特性，計算結(jié)果可靠。

圖4 位移響應(yīng)結(jié)果圖

7 結(jié)論

高頻動態(tài)天平試驗和剛性模型測壓試驗所得數(shù)據(jù)經(jīng)過剛度分配，計算得到各樓層等效靜力風(fēng)荷載和風(fēng)荷載時程。建立有限元計算模型，施加上訴荷載，進(jìn)行模擬計算。使用有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得出前5階振型。然后依次對模型的建立、等效靜力風(fēng)荷載靜力計算及數(shù)據(jù)處理、樓層風(fēng)荷載時程的計算方法以及等效風(fēng)荷載作用下的頂層位移響應(yīng)時程計算進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。然后綜合以上兩種計算方法取，采用結(jié)構(gòu)第一陣型，計算位移響應(yīng)，并與規(guī)范水平位移界限進(jìn)行對比，得出了本樓層頂層風(fēng)振位移響應(yīng)滿足規(guī)范要求的結(jié)論。另外，本文對風(fēng)壓時程換算為風(fēng)荷載時程的方法能具有可接受范圍精度要求。

［1］《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）.

［2］黃本才，汪從軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2001：1～422.

［3］張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計算.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1985：1～72.

［4］李冬霞，李曉賓.基于ANSYS計算高層建筑順風(fēng)向動力響應(yīng).山西建筑，2006.

TU973.213

A

2095-2066（2016）30-0149-02

2016-10-12

劉潤富（1985-），男，工程師，碩士研究生，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及風(fēng)工程研究工作。