超高層建筑抗風體型選取研究

摘要：為了研究超高層建筑體型選取時應注意的問題，分析總結了既有超高層建筑的體型特點，對其進行了歸類，可將超高層建筑按體型特點大致以350 m和600 m為界分成3個級別.結合大量超高層建筑抗風設計實例及風洞試驗結果，分析高寬比和長寬比對風致響應的影響.結果表明，明顯弱軸的出現會顯著降低結構效率，并結合工程實際對此給予了解釋.對不同高度的超高層建筑體型設置給出了部分建議：當前抗風設計和研究應進一步考慮被分析對象在體型選取方面的現實性和合理性，應合理控制高寬比和長寬比以保證結構效率.

關鍵詞：超高層建筑；高寬比；風效應；長寬比；建筑體型

中圖分類號：TU312.1；TU972.8文獻標識碼：A

風荷載和地震作用是高層建筑的兩大水平荷載，建筑體型設置顯著影響了荷載效應，中國《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]對不同抗震設防烈度下高層建筑的體型設置給出了若干規定，但對風荷載卻無此方面條文.隨著超高層建筑高度的增加，結構各階自振頻率越來越低，風荷載常常取代地震荷載成為水平控制荷載，“重震輕風”的傾向應該得到糾正[2].

氣動外形的合理設置可以降低風敏感結構的風致響應[3-4]，對于達到一定高度量級的超高層建筑，建筑體型優化被認為是最有效的氣動控制措施，因為通過建筑體型優化來改變風特性是“治本”的行為.某大高寬比方形截面建筑風洞試驗表明，該建筑橫截面尺寸增大7%，在設計風速下的橫風向響應就會減小40%～45%[2，5]，足見建筑體型對風荷載的影響之大（本文認為，建筑高寬比和長寬比亦屬于廣義建筑體型的范疇）.對于一般量級的超高層建筑（如300 m），不同建筑外形也會因風荷載大小產生顯著影響，并有大量研究成果見諸報道[2-8].整體來看，既有體型優化研究是圍繞兩方面展開的，一是以標準層斷面形狀作為著重點，例如倒角、削角等；二是建筑斷面沿豎向的尺寸及形狀變化，如錐化、扭轉、頂部開洞等.

不足的是，既有體型優化方面的相關研究未能將建筑物高寬比、長寬比等宏觀指標考慮在內，事實上，超高層建筑長寬比、高寬比的合理確定是后續工作的前提，因為它是建筑師在設計之初以及研究人員在研究對象選取時首先要考慮的問題.因而，一方面超高層建筑高寬比和長寬比本身有一個合理的選取范圍需要專門分析，另一方面，在此取值范圍的基礎上，是否需要進一步做氣動優化，采用何種優化方式及其優化效果也值得探討.本文有所側重地提出并初步探討了這兩個問題，以期為超高層建筑初步設計、抗風研究對象選取和體型優化研究的下一步工作等提供參考.

至此，可將200 m以上的超高層建筑按體型和高度大致分為I，II，III 3類，分別為：200～350 m，350～600 m，600 m以上.具體來說，350 m以下的超高層建筑斷面形狀相對多樣化，斷面尺寸沿豎向變化不大，沒有明顯的抗風優化措施；350～600 m的超高層建筑斷面形狀多為近似方形，標準層平面尤其是頂部非標準層平面形狀設置都起到了氣動優化作用；600 m以上的建筑則采取了強有力的氣動優化方案，斷面形狀設置和沿高錐形內收設計都明顯考慮了風荷載效應.

2風洞試驗及結果分析

2.1建筑斷面長寬比影響

選取了若干200 m以上實際工程做為分析對象，為增加可比性，所選對象主要為武漢地區的實際高層建筑，分別為：福州宇洋中央金座、菩提金國際金融中心、武漢證劵大廈、長江傳媒大廈、武漢中華城、武漢永清A1塔樓.各建筑風洞試驗布置見圖6，相關工程參數見表2.

以武漢永清塔樓為例，進一步分析不同風向角下的風致響應（見圖7，風向角與坐標軸定義見圖8）.可以看出，強軸向的加速度及位移響應整體較小，弱軸向的風致響應則整體偏大，尤其當弱軸向處于橫風向時，風致加速度及位移響應達到最大，且加速度響應和部分層間位移角超過了我國規范規定的最大限值[1].事實上，不論風致響應是否超過了規范閾值，兩軸向加速度和內力效應差別如此之大必然會降低結構效率，因而是不盡合理的.

2.2建筑高寬比的影響

以上分析案例是200～400 m的超高層建筑，其分析結果證實了結構長寬比選取對風效應有很大影響，但不足以說明高寬比對風效應的影響，因為這些建筑斷面形狀等參數不盡相同，無法進行對比分析，并且這些建筑高度并不太高，即便建筑高寬比較大，其風致響應也常在容許范圍之內.例如：武漢永清塔樓的高寬比（H/B）接近10，其加風致響應也只在很小程度上超過了規范閾值.我團隊本世紀初的擺式氣彈模型試驗研究也證實[9]，當高度360 m的高層建筑高寬比為9時，在B，D類地貌下都未出現大幅渦激振動響應.但是，當高層建筑的高度更高時，結構的上半部分將處于梯度風高度之上，如果對高寬比不加限制，是否會在設計風速內出現大幅位移就值得考慮了.

基于上述分析，本文進行了多自由氣彈模型試驗，以對比文獻[9]的試驗結論.模型設計效果見圖9，該模型對應的實際建筑尺寸為600 m×60 m×60 m，對應的實際頻率為0.1 Hz，可調阻尼范圍為ξ=1%～3%，這些參數與既有建筑比較一致.圖10顯示了風致位移響應隨風速的變化曲線.圖中各參數含義為：斯克拉頓數Sc=2Mξ/（ρD2）；M，ρ，D分別為均勻當量質量、空氣密度和迎風面寬度.圖中數據是按縮尺比折算到實際后的結果.可以看出，在B類和D類流場中該建筑都出現了大幅渦致位移響應，在梯度風速57 m/s（折合基本風壓0.70 kPa）時，小斯克拉頓數建筑頂部側移均方根值與高度之比為1/250，大斯克拉頓數建筑頂部側移均方根值與高度之比也達到了1/410，把均方根位移劃算成極值位移后，將嚴重超過我國規范閾值.

2.3豎向體型的確定

明確建筑的長寬比、高寬比對風效應的影響規律后，就容易得出不同高度建筑長寬比與高寬比的合理取值范圍，然后可在此取值范圍的基礎上，并參考第1節的內容，最終初步確定出建筑在水平向和豎向的體型氣動優化方式，如角部處理、錐化處理、頂部開洞等.至于這些優化方式的具體效果如何則需要進行專門的深入研究.

3機理分析

對于不同長寬比的矩形斷面柱體來說，斯托羅哈數St隨著長寬比的增大而減小 [10，12]，由此可求得漩渦脫落頻率（n=vSt/D， D，v分別為迎風面特征尺寸和平均風速）.矩形斷面超高層建筑長寬比較大時，弱軸向的自振頻率偏低，當來流垂直于短邊作用時，漩渦脫落頻率較小，此時的尾流激振效應會造成較大的橫風向響應.對于不同高寬比的高層建筑來說，高寬比的增大常常伴隨著結構頻率的降低和特征尺寸D的相對減小，加之表征漩渦脫落頻率的無量綱參數St較小，漩渦脫落頻率就更容易接近建筑自振頻率，進而造成大幅渦致響應甚至渦激共振現象.另外，當建筑高度較高時，平均風速剖面的沿高變化規律可能帶來兩方面的結果.一是上部較大的風速會增大漩渦脫落頻率，使其更接近結構頻率；二是風速達到一定高度后近似保持不變，該高度之上的漩渦發放頻率比較一致，使得建筑物的風荷載豎向相關性增大，從而引發大幅渦激振動響應，這也解釋了為什么高度越高的建筑高寬比限制越嚴格.

綜上所述，降低結構響應有3種方法：一是在考慮經濟成本的前提下合理增大結構剛度和頻率；二是通過結構尺寸來改變漩渦發放頻率，比如適當控制高寬比，并嚴格控制長寬比在一定限值內（比如1.5）；三是通過結構的斷面形狀及豎向外形優化來改變漩渦發放的特性.當然，在考慮適用性和經濟性的前提下，使建筑物在不同重現期風速下滿足安全性要求是抗風設計的最終目的，因而，是否有必要采取氣動控制措施以及采取何種控制措施不是一成不變的，而是對不同基本風壓的地區要區別對待.

由于軸力、彎矩、位移與建筑高度分別呈線性、平方和四次方的關系[13]，即隨高度增加位移增大最快，過大側向位移可能引發結構性或非結構性破壞，PΔ效應產生的附加彎矩又會加劇結構側向變形，因而，高層建筑不僅需要較大承載力，而且需要較大的剛度，使結構側向變形限制在一定范圍內.一般來說，增加結構剛度有2種方式：一是改善材料強度或結構構件布置方式（尺寸、體系等）；二是控制結構高寬比和長寬比.第1種方式在增加結構剛度的同時控制了結構受風面積，從而有效抑制了風致靜力效應，第2種方式增加了結構剛度和頻率，并使迎風面尺寸D增大，降低了漩渦脫落頻率，使風致動力效應得到有效控制，長寬比的控制會改善矩形斷面建筑承受水平荷載時的剪力滯后現象，進而增加結構效率.顯然，對于超高層建筑，采用第2種方法是更為有效的，即控制結構高寬比使結構不至于過柔，并嚴格限制長寬比避免明顯弱軸的出現.

4結論

本文主要研究了高寬比、長寬比對建筑風效應的影響，并概括性地分析了建筑豎向體型選取問題，結論有以下幾條：

1） 長寬比較大的超高層建筑弱軸向風效應顯著大于強軸向，高寬比較大的高層建筑頂部位移較易超過規范閾值，對建筑長寬比和高寬比進行合理控制可顯著降低風致響應，在建筑初步設計時應對此有所考慮.比如，在沒有有效的氣動控制措施時，建筑長寬比不宜大于1.5，并嚴格控制在2以內，高寬比應控制在10以內，且越高的建筑越對高寬比限制越嚴格.

2） 超高層建筑按體型特點可大致以350 m和600 m為界限分成3個級別.200～350 m高層建筑的斷面形狀相對靈活多樣，一般不必進行專門的抗風優化設計，但要適當控制結構高寬比和長寬比；350～600 m高層建筑的標準層平面形狀可選擇有利于抗風的近似方形，結構頂部應進行適當氣動優化；600 m以上高層建筑的斷面形狀和沿高外形設置都應采取強有力的氣動優化方案.

3）可對不同體型的高層建筑進行專門分析，確定出不同條件下超高層建筑體型選取的具體規定，以避免建筑師在設計之初和研究人員在對象選取時過于盲目，尤其對低于600 m的超高層建筑，其標準層斷面通常是矩形、方形等規則形狀，更容易形成規范并具有較大的現實意義.

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