謝 冰

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002)

1 概述

本項目位于上海市閔行區(qū)江川路，由新建電梯試驗塔以及裙房構(gòu)成，其中電梯試驗塔高度為233.95 m，共34層，標(biāo)準(zhǔn)層層高7.5 m，平面尺寸約為25 m×25 m，高寬比約為9.4∶1。對于此類高寬比大的建筑物，風(fēng)荷載很多時候會超越地震作用成為控制工況。因此，其風(fēng)荷載體型優(yōu)化和風(fēng)荷載合理取值是該類結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的重要問題。本文就上述兩個問題進(jìn)行探討。

2 基本信息

本項目所在場地50年一遇基本風(fēng)壓W0為0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B類。由于結(jié)構(gòu)高寬比較大，樓層層高較高，內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件較少，參照J(rèn)GJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，風(fēng)荷載下變形以及承載力驗算時，阻尼比取0.02。

3 風(fēng)荷載體型優(yōu)化

對于高寬比大的建筑物，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮采取必要可行的減小橫風(fēng)效應(yīng)措施，主要包括：減小建筑物高寬比，建筑物角部處理(凹角、削角)，提高自振頻率，增加建筑物阻尼等。結(jié)合項目實際，本項目采用了對建筑物角部進(jìn)行處理的方式來減小橫風(fēng)效應(yīng)(見圖1)。

3.1 規(guī)范公式估算比選

首先，根據(jù)國家現(xiàn)行荷載規(guī)范的計算公式，對該樓主體結(jié)構(gòu)平面角部削角和凹角兩種體型優(yōu)化措施進(jìn)行初步分析，結(jié)果見表1，圖2。

由表1可知：

表1 橫風(fēng)效應(yīng)初步分析(規(guī)范理論公式)

1)10%的削角方案、10%的凹角方案的風(fēng)荷載分別比標(biāo)準(zhǔn)長方體方案減小約25%，40%。

2)凹角方案比削角方案橫風(fēng)向基底傾覆彎矩減小28%，橫風(fēng)向基底剪力減小29%。

同時，由圖2可知：

1)10%的削角和退臺是最優(yōu)的選擇；

2)退臺的角部明顯好于削角；

3)8%的退臺和10%的削角可以有效消除橫風(fēng)響應(yīng)的影響；

4)8%的退臺與10%的削角結(jié)果近似。另注：周期假設(shè)3.7 s。

3.2 風(fēng)洞試驗比選

注意到國家現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的高寬比上限為1∶8，因此上述結(jié)果僅供參考。為準(zhǔn)確對比削角和凹角兩種方案設(shè)計風(fēng)荷載，在RWDI的2.4 m×2.0 m的邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行了1∶400的縮尺風(fēng)洞試驗，結(jié)果見表2，圖3。

表2 凹角與削角方案的基底彎矩、剪力比較(50年重現(xiàn)期；阻尼比2.0%)

對比可知：凹角方案比削角方案橫風(fēng)向基底傾覆彎矩減小16%～28%；基底剪力減小12%～26%。相比規(guī)范估算的28%～29%幅度略有減小，但減小仍較顯著。因此，推薦凹角方案實際采用。

4 設(shè)計風(fēng)荷載合理取值

首先，需要說明的是圖3給出的50年重現(xiàn)期總風(fēng)荷載隨風(fēng)向的變化是基于50年重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速得出的，并假定風(fēng)速在每個方向上均與設(shè)計風(fēng)速相同。但是一般情況下，不同風(fēng)向角風(fēng)荷載需要考慮設(shè)計風(fēng)速在不同方向上相對出現(xiàn)的概率。因而，為經(jīng)濟(jì)合理地確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計風(fēng)荷載，尚需疊加考慮風(fēng)氣候不同風(fēng)向設(shè)計風(fēng)速概率。

其次，與荷載規(guī)范附錄方法一樣，風(fēng)洞試驗同樣也得到順風(fēng)、橫風(fēng)與扭轉(zhuǎn)三個方向的荷載均是最大值(詳見表3)，實際上，三個方向最大值并不是同時發(fā)生的。為考慮表3中各剪力與扭矩分量同時作用于結(jié)構(gòu)的可能性，對36個風(fēng)向的風(fēng)荷載按照多邊形包絡(luò)原則給出了24個組合，表4給出了建議的荷載組合系數(shù)。表中共列出24種荷載基本組合，代表各荷載分量Fx,Fy以及Mz分別達(dá)到最大值時八種可能的正負(fù)號組合(即+++，++-，+-+等等)。以表4中荷載組合1為例說明如下：該荷載組合要求將等效靜力層間風(fēng)荷載表3給出的+100%的Fx，+40%的Fy以及+35%的Mz同時作用于結(jié)構(gòu)。在該樓結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計中，對所有的荷載組合都予以考察。

表4 風(fēng)洞試驗建議的荷載組合系數(shù)

表3 等效靜力樓層風(fēng)荷載(50年重現(xiàn)期；阻尼比2.0%)

至此，得出的風(fēng)荷載中已包括風(fēng)氣候的風(fēng)向效應(yīng)和全風(fēng)向角包絡(luò)，等同于由規(guī)范計算所得風(fēng)荷載的方式，再按照荷載組合疊加荷載系數(shù)和組合系數(shù)就可具體應(yīng)用于該樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5 風(fēng)洞試驗結(jié)果與國家現(xiàn)行荷載規(guī)范GB 50009—2012的比較

表4提供了風(fēng)洞試驗荷載與國家現(xiàn)行荷載規(guī)范GB 50009—2012的比較。比較中考慮的場地類別為B類(開闊地形)，規(guī)范橫風(fēng)向荷載計算考慮了(0.68/3+0.74/3+0.92/3)=78%凹角，但本項目高寬比超過規(guī)范計算范圍，因此規(guī)范橫風(fēng)向荷載僅供參考。

比較表4數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在偏保守估算平均高寬比條件下，國家現(xiàn)行荷載規(guī)范GB 50009—2012與風(fēng)洞試驗荷載結(jié)果基本符合，至多偏小5.7%。

需要提醒的是，若考慮荷載組合，風(fēng)洞試驗給出的荷載組合(如表4所示)將有多處突破國家現(xiàn)行荷載規(guī)范建議的組合(見表5,表6)，對此需多加注意。

表5 風(fēng)洞試驗荷載與國家現(xiàn)行荷載規(guī)范GB 50009—2012的比較(50重現(xiàn)期；2.0%阻尼比)

表6 國家現(xiàn)行荷載規(guī)范GB 50009—2012建議的風(fēng)荷載組合工況

6 結(jié)語

本文對某高度233.95 m、高寬比9.4∶1的超高電梯試驗塔的風(fēng)荷載體型優(yōu)化和設(shè)計風(fēng)荷載研究，并得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)風(fēng)洞試驗凹角方案比削角方案橫風(fēng)向基底傾覆彎矩、基底剪力減小12%～28%，相比規(guī)范估算的28%～29%幅度略有減小，但減小仍較顯著。

2)經(jīng)濟(jì)、合理地確定結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載，需考慮風(fēng)氣候的風(fēng)向效應(yīng)和全風(fēng)向角包絡(luò)。

3)本項目根據(jù)國家現(xiàn)行荷載規(guī)范估算的順風(fēng)向、橫風(fēng)向風(fēng)荷載最大值與風(fēng)洞試驗的基本相符，但風(fēng)洞試驗給出的風(fēng)荷載組合將有多處突破規(guī)范建議的風(fēng)荷載組合。