陳子楊，王 璐，劉緒娟，李仁余

(廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院工程技術(shù)系，廣東 湛江 524094)

0 前 言

隨著時代的發(fā)展，人口增多，為了滿足人們的生產(chǎn)生活需求，高層建筑結(jié)構(gòu)高度也在不斷提高。據(jù)收集數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在目前我國己建成的高層建筑超過6 000棟，其中大部分的高層建筑分布在我國沿海地區(qū)。而沿海地區(qū)受到臺風(fēng)的影響也越來越明顯，根據(jù)中國臺風(fēng)網(wǎng)顯示，1949-2014年登陸我國的熱帶氣旋約為632個，尤其在廣東、海南、福建，浙江等沿海地區(qū)登岸數(shù)量繁多。例如2018年臺風(fēng)“山竹”在登陸后先后穿過了廣東和廣西，使得300萬人受其影響，5人遇難、1人失蹤，1 200多棟房屋倒塌或嚴重受損。

鑒于臺風(fēng)的巨大危害，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是解決在高強度風(fēng)荷載作用下的設(shè)計。在高層建筑設(shè)計中，對風(fēng)荷載比較敏感的高層建筑(高度大于60 m)，基本風(fēng)壓的取值應(yīng)當(dāng)相應(yīng)提高，并估算建筑總體風(fēng)效應(yīng)取值(整體風(fēng)效應(yīng)和局部風(fēng)效應(yīng))，其中局部風(fēng)效應(yīng)是進行覆面設(shè)計的關(guān)鍵因素。一般而言，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范可對建筑物的總體和局部風(fēng)效應(yīng)對應(yīng)的氣動參數(shù)進行估算，但對規(guī)范規(guī)定的復(fù)雜建筑形式則難以由理論分析得出，必須進行風(fēng)洞試驗才能測得相應(yīng)數(shù)據(jù)，其數(shù)值應(yīng)符合相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。

本文主要綜述了國內(nèi)外對高層建筑在臺風(fēng)條件下風(fēng)致荷載的研究，總結(jié)了三種研究方法的主要方向，并給出未來高層建筑防臺風(fēng)設(shè)計的可能研究方向。

1 國內(nèi)高層建筑抗風(fēng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于高層建筑在臺風(fēng)條件下的研究比較晚，于20世紀(jì)80年代開始有學(xué)者對于高層建筑在風(fēng)荷載條件下的風(fēng)環(huán)境做出評價，但發(fā)表的研究成果很少。由于高層建筑的抗風(fēng)現(xiàn)場實地測量是一個很大的系統(tǒng)工程，不僅需要人力、物力的大力支持，而且需要大量豐富的實地勘測經(jīng)驗與經(jīng)費的支撐。故此后十年我國在此方面研究還幾乎為空白，直到20世紀(jì)90年代后我國才陸續(xù)取得相關(guān)方面的研究。

李秋勝等[1]在臺風(fēng)“云娜”登入期間，于上海金茂大廈(高421 m, 88層)通過實地測量得到平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度、概率分布以及風(fēng)速譜等風(fēng)場特性等數(shù)據(jù)。進而對結(jié)構(gòu)的自然頻率和風(fēng)致響應(yīng)效應(yīng)采用有限元軟件模擬和高頻動態(tài)天平測力試驗進行了對比分析，并且分析了在臺風(fēng)期間城市中心的高空風(fēng)場特性和結(jié)構(gòu)的動力特性。除此之外，還通過風(fēng)洞試驗?zāi)M研究了金茂大廈在強風(fēng)條件下的周邊風(fēng)環(huán)境。與實測結(jié)論進行對比的結(jié)論表明：實測臺風(fēng)中金茂大廈周邊風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)與臺風(fēng)中的預(yù)測值基本一致。

趙欣等[2]于2010年對上海中心大廈進行了風(fēng)荷載試驗研究，運用了風(fēng)洞試驗的方式。結(jié)果表明，維氏風(fēng)場模型得到的梯度風(fēng)速大于喬治奧模型得到的梯度風(fēng)速；風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)大于頻繁地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但小于基本地震強度作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，綜合位移角滿足1/500極限要求。

地王大廈(高324.8 m，69層)，此建筑位于臺風(fēng)高發(fā)區(qū)的深圳市，故一直以來都在承受強臺風(fēng)作用的影響，建成之初眾多學(xué)者對其關(guān)于風(fēng)場和風(fēng)致響應(yīng)的現(xiàn)場實測進行了研究。李正農(nóng)等[3-7]先后對臺風(fēng)作用下的地王大廈進行了現(xiàn)場實測，實測的臺風(fēng)包括莎莉(1996)、約克(1991)、伊布都(2003)、杜鵑(2003)、圓規(guī)(2004)、百麗嘉(2005)等。風(fēng)場實測獲得了各項實測數(shù)據(jù)得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)阻尼比等動力特性，并對比了建筑在各臺風(fēng)中測得的風(fēng)特性數(shù)據(jù)。此外，還對比了現(xiàn)場實測與風(fēng)洞試驗和三維有限元分析的結(jié)果。

2 國外高層建筑抗風(fēng)研究現(xiàn)狀

相比國內(nèi)的高層建筑風(fēng)環(huán)境研究，發(fā)達國家對其已有多達幾十年的研究過程，并且已經(jīng)擁有了相當(dāng)多的成果。其通常對實測高層建筑結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)條件下所得到的風(fēng)致響應(yīng)數(shù)據(jù)與有限元分析法得到的結(jié)果進行對比分析，進而得出結(jié)論。

Kijewski-Correa等[8]通過現(xiàn)場實測法對芝加哥市的三棟高層建筑進行數(shù)據(jù)采集測量，對實測加速度進行模態(tài)識別分析，根據(jù)所獲得的固有頻率對所建立的有限元模型進行修改，進而與風(fēng)洞試驗所實測得的數(shù)據(jù)進行對比分析。

Isyumo等[9]介紹了在城市中心的Commerce Court plaza風(fēng)壓及風(fēng)致加速度響應(yīng)的實測結(jié)果，并建立縮尺模型進行風(fēng)洞試驗測量，與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比比較。結(jié)果表明現(xiàn)場實測和風(fēng)洞試驗結(jié)果很吻合。

Kanda等[10]回顧了日本近50年來關(guān)于高層建筑的現(xiàn)場實測情況，對16個高層建筑風(fēng)場實測項目所得到的的研究成果進行了總結(jié)。雖然測量建筑的各項條件不盡相同，但都能得到現(xiàn)場實測得到高層建筑表面的風(fēng)壓特征。盡管得到了大量數(shù)據(jù)實測數(shù)據(jù)， 但是還未得到完善的分析結(jié)果，大部分的文獻資料還需進一步的完善其實測研究內(nèi)容。

Powell等[11]在1983年暴風(fēng)Alicia進入休斯敦時，現(xiàn)場實測記錄了市中心最高的建筑聯(lián)合銀行廣場風(fēng)場加速度，其持續(xù)時間約90 min，并根據(jù)風(fēng)洞試驗所預(yù)測的風(fēng)速和風(fēng)向，其對建筑所產(chǎn)生的加速度進行對比分析，為測量和預(yù)測加速度提供了有價值的研究案例。

Miyashita Koichi等[12]為了驗證主動振動控制裝置的振動控制效果，對日本濱松ACT大廈在強季節(jié)風(fēng)和臺風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)進行了觀測，并對設(shè)備的風(fēng)振控制效果進行了報道。

近20年來，在高層建筑風(fēng)荷載研究中最常用的三種方法是現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬等方法。其中數(shù)值模擬技術(shù)快速發(fā)展，如CFD模擬，尤其是LES大渦模擬技術(shù)的發(fā)展，使得計算結(jié)果也越來越準(zhǔn)確，很大程度上彌補了風(fēng)洞試驗的不足之處。

Watakabe等[13]分別采用現(xiàn)場測量、風(fēng)洞試驗和CFD模擬方法對一塔狀結(jié)構(gòu)建筑的風(fēng)壓進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗得到的平均風(fēng)壓系數(shù)與現(xiàn)場實測結(jié)果很接近，運用CFD方法進行數(shù)值模擬其計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測結(jié)果均吻合。

Dalgliesh等[14]認為連接現(xiàn)實世界與邊界層風(fēng)洞試驗、CFD模擬之間的紐帶是現(xiàn)場實測，邊界層風(fēng)洞試驗與現(xiàn)場實測是相輔相成，密不可分的關(guān)系，邊界層風(fēng)洞對邊界風(fēng)場和大氣湍流的模擬以及其風(fēng)洞試驗的結(jié)果必須得到現(xiàn)場實測結(jié)果的驗證才能得以繼續(xù)發(fā)展。而正是基于邊界層風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測結(jié)果的數(shù)據(jù)支持，在一些風(fēng)工程問題的研究中計算流體動力學(xué)被認為非常有用。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)

1)在研究方法方面，主要由現(xiàn)場實測、風(fēng)洞模擬實驗與數(shù)值模擬組成。由于現(xiàn)場試驗所需要的時間點與風(fēng)環(huán)境條件都較為特殊，故大多數(shù)實驗使用軟件數(shù)值的模擬和對比分析其影響。而風(fēng)洞模擬實驗需要建立其實驗裝置，由于其成本高昂并且程序復(fù)雜，所以隨著科技技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法已然成為高層建筑風(fēng)環(huán)境最重要的研究方法之一。

2)研究內(nèi)容方面，國內(nèi)外學(xué)者對于高層建筑在強風(fēng)條件下的不同因素有所研究，主要研究元素有建筑高度、建筑高寬比、建筑建造方式等。最終通過風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬法進行模擬實驗并取得數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

3)高層建筑現(xiàn)場實測的不足在于：我國在關(guān)于高層建筑在臺風(fēng)作用條件下進行長期檢測的文獻很少。

4)在建筑群的多棟建筑物頂部進行多點的風(fēng)場實測研究案例也較少。由于對高層建筑的風(fēng)壓現(xiàn)場實測有很大難度，為了防止對高層建筑外墻的損壞，則國內(nèi)外各風(fēng)壓實測研究所設(shè)立的風(fēng)壓測點數(shù)量就較少，然而為了獲得高層建筑表面各局部區(qū)域的風(fēng)壓特征，在建筑表面進行多點的風(fēng)壓實測很有必要。