洪海波,余先鋒
(1.中新廣州知識(shí)城投資開發(fā)有限公司,廣東 廣州 510555;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640)
隨著技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)代城市土地資源的限制,超高層建筑已具有較大規(guī)模且仍在持續(xù)增加。新建的超高層建筑具有輕質(zhì)、高柔和低阻尼等特點(diǎn),風(fēng)荷載往往成為此類結(jié)構(gòu)的控制性荷載。
由于對(duì)建筑功能要求的提高,新建超高層建筑體形逐漸呈復(fù)雜化、異形化,且建筑周邊往往存在密集的群體建筑干擾,風(fēng)洞試驗(yàn)已成為獲取此類建筑風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)的有效手段。謝壯寧等[1-2]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比分析3棟具有不同外形特征超高層建筑的氣動(dòng)荷載特性。李壽英等[3]以某超高層建筑為背景,進(jìn)行剛性模型同步測(cè)壓試驗(yàn),得到建筑頂部位移和加速度響應(yīng),并進(jìn)行結(jié)構(gòu)舒適度評(píng)價(jià)。事實(shí)上,多年來(lái)風(fēng)工程研究者基于風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)不同高寬比和外形的超高層建筑風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行持續(xù)研究[4-10],但上述研究中的建筑截面外形均與本文的Y形截面有較大差異。
本文對(duì)Y形截面超高層建筑開展單體和有周邊建筑2種工況下的高頻天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn),并通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng),以期為類似超高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。
風(fēng)洞試驗(yàn)在華南理工大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,試驗(yàn)段長(zhǎng)24.0m、寬5.4m、高3.0m。測(cè)力模型由剛性材料制成,幾何縮尺比1∶400,模型高度73cm。圖1分別給出單體和有周邊建筑2種工況下的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P停渲腥后w工況下的試驗(yàn)?zāi)M工程周邊800m半徑內(nèi)的干擾建筑。
圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P?/p>
圖2給出結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系及風(fēng)向角的定義。在單體和群體工況中,均以10°為間隔測(cè)得0°~350°范圍內(nèi)共36個(gè)風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)基底氣動(dòng)力時(shí)程,采樣頻率約為400Hz,采樣時(shí)間為102.4s,采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為40 960個(gè)。
圖2 結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系和風(fēng)向
據(jù)地形分析結(jié)果,各氣象風(fēng)向角下均為C類地貌,根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求模擬了C類地貌風(fēng)場(chǎng),該地貌下梯度風(fēng)高度為450m,地面粗糙度系數(shù)琢=0.22,風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M的平均風(fēng)速和湍流度剖面如圖3所示。
圖3 風(fēng)場(chǎng)參數(shù)
基底彎矩響應(yīng)Mi(i=x,y)通過(guò)擴(kuò)展荷載響應(yīng)相關(guān)(ELRC)方法[11]計(jì)算得到,其主要計(jì)算過(guò)程如下。
1)首先采用完全二次型組合方法計(jì)算得到脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng),其中廣義位移標(biāo)準(zhǔn)差y為:
2)基于ELRC原理計(jì)算各樓層等效靜風(fēng)荷載FESWL,采用直接積分的方式計(jì)算模態(tài)響應(yīng)矩陣,不做背景分量和共振分量分解的近似處理。
3)基于各樓層FESWL計(jì)算基底彎矩響應(yīng)Mi。
文中風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算所取的基本風(fēng)壓為0.5kN/m2,用于計(jì)算等效靜風(fēng)荷載的阻尼比取為5%。
圖4分別給出單體與群體2種工況下建筑結(jié)構(gòu)基底彎矩(Mx和My)的最大值、最小值和平均值隨風(fēng)向的變化。從圖4可看出:①單體和群體工況下的基底彎矩(最大值、最小值和平均值)隨風(fēng)向的變化規(guī)律基本一致;②y向基底彎矩My在風(fēng)向50°~130°達(dá)到極大值,而x向基底彎矩Mx在風(fēng)向170°~250°達(dá)到極大值;③無(wú)論是x向還是y向,群體工況下的基底彎矩極大值均小于單體工況下的結(jié)果;④群體工況下的y向極小負(fù)彎矩My,min與單體工況下的結(jié)果較為接近,但其x向最小負(fù)彎矩Mx,min的絕對(duì)值卻遠(yuǎn)小于單體工況下的結(jié)果。
圖4 結(jié)構(gòu)基底彎矩
計(jì)算得到各樓層等效靜風(fēng)荷載,并將計(jì)算結(jié)果與利用規(guī)范方法得到的等效靜風(fēng)荷載進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。由圖5可知:①單體工況與群體工況下的等效靜風(fēng)荷載均隨高度的增大而增大且整體上較為接近,單體工況下的x和y向等效靜風(fēng)荷載均略大于群體工況下的結(jié)果,相差范圍僅在5%以內(nèi),這說(shuō)明周邊建筑對(duì)于該建筑等效靜風(fēng)荷載的影響并不明顯;②除塔冠外,單體和群體2種試驗(yàn)工況下x和y方向等效靜風(fēng)荷載均明顯小于按規(guī)范方法計(jì)算得到的結(jié)果,其中單體和群體試驗(yàn)工況下等效靜風(fēng)荷載與規(guī)范計(jì)算結(jié)果的最大相差率(規(guī)范結(jié)果-試驗(yàn)結(jié)果)/試驗(yàn)結(jié)果)均超過(guò)了50%。
圖5 等效靜風(fēng)荷載
圖6給出單體和群體工況下x和y向樓層剪力的計(jì)算結(jié)果,并與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖6中可看出:①單體和群體工況下的樓層剪力均隨高度增加而減小,在建筑底部和中部范圍內(nèi)單體工況下的樓層剪力明顯大于群體工況下的樓層剪力,隨著高度增加,單體與群體工況下的樓層剪力逐漸接近;②按規(guī)范計(jì)算的樓層剪力隨著高度增加迅速減小,在建筑底部到中部范圍內(nèi),按規(guī)范計(jì)算的樓層剪力明顯大于單體和群體的結(jié)果,但隨著高度增加,按規(guī)范計(jì)算的結(jié)果會(huì)小于單體和群體試驗(yàn)的結(jié)果。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)基底剪力發(fā)現(xiàn),按規(guī)范計(jì)算得到的建筑x和y向基底剪力分別超過(guò)單體工況下的結(jié)果的41.03%和40.48%((規(guī)范結(jié)果-單體試驗(yàn)結(jié)果)/單體試驗(yàn)結(jié)果)。
圖6 樓層剪力
根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)等效原則可得到各風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)的等效體型系數(shù),單體和群體工況下x和y向等效體型系數(shù)隨風(fēng)向的變化如圖7所示。從圖7中可看出單體和群體工況下的體型系數(shù)隨風(fēng)向變化的整體規(guī)律是一致的,在大部分風(fēng)向角下單體工況下的體型系數(shù)(絕對(duì)值)大于群體工況下的結(jié)果。x方向體型系數(shù)(絕對(duì)值)在單體和群體工況下的最大值分別為1.13和1.02,y向體型系數(shù)(絕對(duì)值)在單體和群體工況下的最大值分別為1.17和1.01。
圖7 體型系數(shù)
在單體和群體建筑工況下,對(duì)某Y形截面超高層建筑展開高頻天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn),并進(jìn)行風(fēng)致響應(yīng)研究,主要結(jié)論如下。
1)單體工況與群體工況下該建筑基底彎矩、等效靜風(fēng)荷載、樓層剪力和等效體型系數(shù)的變化規(guī)律基本一致。
2)單體工況下該建筑x和y方向基底彎矩的極大值均大于單體工況下結(jié)果。
3)單體工況與群體工況下的等效靜風(fēng)荷載整體上較為接近,相差在5%以內(nèi),且除塔冠外其余均明顯小于規(guī)范結(jié)果。
4)單體工況下結(jié)構(gòu)各樓層剪力明顯大于群體工況下的結(jié)果。
5)在建筑底部到中部范圍內(nèi),按規(guī)范方法獲得的樓層剪力明顯大于試驗(yàn)結(jié)果,但隨著高度的增加,規(guī)范結(jié)果會(huì)小于試驗(yàn)結(jié)果。