高層建筑風致結構響應結果分析范文
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摘要：廣州良業大廈項目，塔樓2、塔樓3高度約150m，結構平面形狀原為矩形，后修改為切角三角形，項目前后進行了兩次風洞試驗。對風洞風荷載、規范風荷載及結構響應進行了詳細比較研究，指出超高層建筑中橫風向風振和扭轉風振等效風荷載對結構樓層位移角和構件內力的影響顯著。同時總結了應用風洞試驗數據和確定地面粗糙度類別的的注意事項。
關鍵詞：風洞試驗；橫風向風振等效風荷載；扭轉風振等效風荷載；扭轉效應；地面粗糙度類別
1概況
某項目位于廣州市新滘東路以西琶洲B2區，由塔樓1、塔樓2、塔樓3等3個塔樓和底部連接塔樓1和塔樓2的裙樓組成，3個塔樓呈“<”狀排列，其中塔樓2屋面高度為148.10m、塔樓3屋面高度為149.65m。塔樓2、3相互間距較小，樓層質量及剛度存在較大偏心［1］，結構平面原為矩形（方案1），后調整為切角三角形（方案2），平面形狀變化較大，項目進行了兩次建筑物不同平面形狀的風洞試驗研究和風致結構響應分析。項目效果圖、總平面圖和結構主要特征見圖1、圖2和表1。
2風洞風荷載與規范風荷載的結構風致響應對比
風洞風致結構響應分析報告［2，3］提供了用于主體結構設計的風荷載，每個塔樓包含6個不利風向對應的等效樓層風荷載，每個風向風荷載包含順風向、橫風向以及扭轉等3個等效風荷載分量及其組合系數，采用YJK計算程序驗算風洞風下的結構響應，并和規范［4］風下的結構響應進行比較。篇幅所限，以塔樓2方案1的對比研究成果為例。風洞不利風向和風荷載組合系數如表2所示。塔樓2在風洞風和規范風下的結構樓層等效風荷載包絡值對比和位移角對比如圖3、圖4所示。對比可知，塔樓2風洞風的樓層順風向風荷載明顯小于規范風，但橫風向風力則大幅度大于規范風，且扭轉等效風荷載力矩較大，相當于風荷載平面偏心16%引起的扭矩大小。結構扭轉效應顯著增大，導致結構樓層位移角增大較多。為了解風洞風橫風向和扭轉風振對結構構件內力的影響［5］，選取核心筒一連梁的剪力作為比較對象，為便于比較不同風荷載的對連梁剪力的影響，比較時僅考慮風荷載工況下的連梁剪力標準值（見圖5）。選取3種風荷載工況進行比較：①按文獻［4］8.5.6條的組合系數進行風荷載組合的規范風荷載工況；②按文獻［6］7.5.14條的組合系數進行風荷載組合的規范風荷載工況；③風洞風荷載工況。文獻［4］和文獻［6］關于風荷載分量的組合系數工況要求如表3所示，兩者的要求有較大區別，文獻［6］考慮風荷載各荷載間的相關性，且組合系數比文獻［4］大。連梁剪力標準值對比如圖6所示，橫風向風振和扭轉風振等效風荷載引起的連梁剪力比例分別如圖7、圖8所示。對比可知，雖然風洞順風向風荷載最大值僅為規范風順風向的68%，但橫風向和扭轉風振等效風荷載較大，風洞風作用下的連梁剪力較規范算法有較大增幅，剪力標準值最大值相對文獻［4］算法和文獻［6］算法分別增大40%和34%。在各不利風向風洞風等效風荷載作用下的連梁剪力，由橫風向風振等效荷載引起的剪力與連梁總剪力的比值為4%~125%，比值的大小與風向和梁長方向的夾角存在高度相關性，當風向與梁長方向接近時比值小，當風向與梁長方向接近垂直時比值大。扭轉風振引起的剪力占連梁總剪力的比值為5%~75%，270°和30°風向作用下扭轉風引起的剪力占比小，該風向為平行于建筑物長邊的基底剪力分量主控，其它方向來風扭轉風風振引起的剪力占比較大，多數樓層大于32%。風荷載作用下的高層建筑結構的橫風向風振和扭轉風振等效風荷載引起的結構構件內力較大，構件承載力極限狀態設計時應予以考慮。
3不同體型的結構風致響應對比
本項目進行了總平面布置相同而塔樓平面形狀不同的兩次風洞試驗，本文對方案1、2對應的風洞風引起的樓層剪力和位移角等風致結構響應指標進行對比分析，以期得到不同平面形狀的建筑物的風致響應規律。⑴樓層剪力。塔樓2、3不同方案在順風向基底剪力主控風向下，順風向風荷載引起的單位寬度樓層剪力大小（樓層剪力除以順風向受風面寬度）對比如圖9所示，兩棟塔樓的方案2單位寬度風荷載大小均比方案1的大，樓層總剪力亦是相同情況。⑵順風向樓層位移角。圖10分別為塔樓2、3不同方案順風向樓層位移角對比，樓層位移角的變化趨勢與樓層剪力的變化趨勢一致，方案1順風向樓層位移角大于方案2。⑶橫風向和扭轉風振引起的位移角與總位移角的比值。圖11為塔樓2、3扭轉風振等效風荷載引起的位移角大小與總位移角的比值，扭轉風振引起的位移角比值，方案1（矩形平面）小于方案2（三角形平面）。兩塔樓不同方案橫風向風振引起的順風向位移角均較小，與總位移角的比值小于5%。⑷風洞風和規范風順風向樓層位移角的對比如圖12、圖13所示。不同方案的風洞風引起的位移角最大值均大于規范風，結構樓層位移角最大值均為風洞風控制。塔樓2、3的1、2方案結構風致響應指標對比匯總如表4所示。
4地面粗糙度類別的確定
項目場地位于廣州市琶洲地塊在建核心商務地段，場地南北側距珠江（或支流）較近，南側距珠江支流約400m，北側距珠江約800m，根據衛星圖像資料，東南角4km范圍內為田野和河流，未有高層建筑物。方案階段，采用文獻［4］8.2.1條條文解釋建議的以2km半圓影響范圍內建筑物的平均高度方法近似確定，地面粗糙度為C類。筆者認為該方法不能體現不同方向來風建筑物密集程度的差別，且未能合理地消除圓形平面影響范圍內個別較高建筑物的對平均高度計算的干擾。東南方向來風田野和河流的地貌，與文獻［4］的B類粗糙度定義較為相符。場地地面粗糙度是統一按B類或者C類，或區分風向確定，地面粗糙度的確定存在困難。風荷載按文獻［4］計算，地面粗糙度由C類修改為B類時，樓層最大位移角由1/790增大到1/634，增幅達到25%，梁鋼筋用量增幅為6%，地面粗糙度的選取對結構性能和經濟指標影響較大。［7，8］故本項目委托廣東建科院風工程研究中心進行專門研究。根據周邊地貌特點，將場地四周分為4個典型的扇形區域，采用英國工程技術數據ESDU01008（E0108）的數字風力模型，按照Harris和Deaves研究的通用的大氣環境中邊界層計算方法分析,定量確定場地上空的風特性。根據各典型扇區內沿風來流路徑上的地面粗糙度和路徑長度，計算得到各扇區內的風速剖面，最不利的扇區風速剖面與文獻［4］定義的A、B、C、D類粗糙度的相對關系如圖14所示，扇區風速剖面圖與規范C類風剖面比較接近，最終設計采用C類地面粗糙度。
5應用風洞試驗數據的幾點注意事項
在房屋高度較高、平面或立面形狀復雜、周圍地形和環境復雜時，風洞試驗可作為判斷確定建筑物風荷載的有效手段，其數據應用時，應注意以下幾點事項：
5.1風荷載與地震作用的組合
項目進行抗震設防專項審查時，審查專家提出地震作用與風荷載組合時，兩者的方向角應一致。風洞試驗提供的等效風荷載最不利風向角，是以風荷載在結構主軸的荷載分量極值大小為判斷標準的［9，10］，同一風向角的等效風荷載各荷載分量不一定同時達到最大峰值，最不利風向角不等同于在該風向角方向等效風荷載數值最大，故最不利風向風荷載工況應與結構主軸方向的地震作用組合。5.2風荷載力的作用點及方向的規定、風荷載各分量的組合系數項目進行第一次風洞試驗時，試驗單位提供的風荷載是以結構剛心為作用點統計的，荷載扭矩方向為左手法則，而計算程序YJK和PKPM風荷載作用點均為結構形心，荷載扭矩方向為右手法則，風洞風荷載和計算程序對于風荷載作用點和力的方向規定相差較大。另外計算程序對于規范風下的順風向、橫風向和扭轉等效風荷載的組合系數，采用了文獻［4］的要求，與文獻［6］的要求有較大差別。通過結構計算程序計算風荷載引起的結構響應時，應對風洞數據和計算程序的相關規定進行認真檢查。
5.3結構頂點風振加速度
按照文獻［11］3.7.6條的規定，高度不小于150m的高層混凝土建筑結構應滿足風振舒適度要求，以在10年一遇的風荷載標準值下的結構頂點順風向和橫風向振動最大加速度為判斷標準。風洞試驗結果和按文獻［4］附錄J計算結果如表5所示，兩者均滿足辦公建筑加速度0.25m/s2的限值要求，但風洞試驗結果絕大多數大于計算結果，為計算結果的133%~186%，按文獻［4］附錄J計算的加速度大小接近限值時進行專門研究判別。
5.4水平位移限值的判斷標準
［12］文獻［11］3.7.3條和4.2.6條規定，按彈性方法計算的風荷載標準值作用下的樓層最大位移角要滿足相應限值要求，由于風洞試驗提供的樓層扭轉風振等效風荷載較大，在順風向風荷載相同的情況下，扭轉風振加大了結構的扭轉效應，樓層最大位移角必然增大。具體項目實施時，考慮扭轉風振的組合風荷載作用下的結構樓層位移角限值，是否采用與僅考慮順風向風荷載時的相同限值標準，可與審查專家進行溝通，確定合適的位移角限值標準。
6結語
⑴橫風向風振等效風荷載對結構構件內力有較大影響，扭轉風振等效風荷載對結構位移角和構件內力均有較大影響，應用風洞試驗風荷載時，不能采取僅對比結構基底力大小判斷風荷載控制工況的方式，應將風洞風荷載用于結構性能分析和構件承載力設計。⑵扭轉風振等效風荷載引起樓層位移角較大增幅，本項目兩塔樓不同方案的最大樓層位移角均為風洞風控制。⑶本項目建筑物平面為切角三角形時的樓層剪力和樓層位移角等指標，優于矩形平面。⑷地面粗糙度類別的選取對結構性能和經濟指標有較大影響，必要時采取專門研究確定。⑸應用風洞試驗報告數據進行結構設計時，應對報告和計算程序對力的作用點和方向的規定進行檢查確保計算和實際一致。
參考文獻
［1］唐意，顧明，金新陽.偏心超高層建筑的風振研究［J］.同濟大學學報（自然科學版），2010，38（2）：178-182+316.
［2］廣東省建筑科學研究院.琶洲AH041006地塊總部經濟項目風致結構響應分析報告［R］，2014.
［3］廣東省建筑科學研究院.廣州良業大廈項目風致結構響應分析報告［R］，2016.
［4］建筑結構荷載規范：GB50009-2012［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.
［5］嚴亞林，金新陽，唐意，等.高層矩形建筑橫風向風力特性試驗研究［J］.建筑結構，2011，41（11）：118-120+171.
［6］建筑結構荷載規范（廣東省標準）：DBJ15-101-2014［S］.北京：中國建筑工業出版社，2015.
［7］周云，汪大洋，李慶祥.基于性能的某高層結構風振控制研究［J］.振動與沖擊，2011，30（11）：203-208.
［8］李偉鋒.珠海巨人高科技大廈的抗風設計［C］.第五屆高層建筑抗震技術交流會論文集.廣東省建筑設計研究院，1995：402-404.
［9］周印.高層建筑靜力等效風荷載和響應的理論與實驗研究［D］.上海：同濟大學，1998.
［10］顧明，葉豐.高層建筑風致響應和等效靜力風荷載的特征［J］.工程力學，2006，23（7）：93-98.
［11］高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.
［12］張相庭.國內外風荷載規范的評估和展望［J］.同濟大學學報（自然科學版），2002，30（5）：539-543.
作者：李偉鋒 陳澤鈿 單位：廣東省建筑設計研究院