復雜體型高層建筑結構等效靜風荷載研究

董 欣

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

某高層建筑位于海南省三亞市，建筑高度189.8 m，距離海邊約130 m，其建筑效果如圖1所示。該建筑的平面尺寸沿高度逐漸減小，底部樓層平面尺寸為144.4 m×73.7 m，頂部樓層平面尺寸為34.2 m ×19.2 m。結構高度 189.8 m，典型結構層層高3.6 m。結構坐標軸定義如圖2所示。

2 規范風荷載

2.1 基本參數

圖1 建筑效果圖

圖2 典型建筑平面圖

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范，評估該高層建筑周邊地貌為A類和B類。三亞市10年、50年和100年一遇的基本風壓值分別為 0.5 kN/m2，0.85 kN/m2和 1.05 kN/m2。結構阻尼比取為 0.05。

2.2 順風向和橫風向風荷載

順風向和橫風向等效風荷載分別按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范中的8.1.1和H.2.2進行計算，如式(1)和式(2)所示。

其中，wk為風荷載標準值，kN/m2;βz為風振系數;μs為風荷載體型系數;μz為風壓高度變化系數;w0為基本風壓，按100年重現期取為1.05 kN/m2;wLk為橫風向風振等效風荷載標準值，kN/m2;g為峰值因子，取2.5;C'L為橫風向風力系數;RL為橫風向共振因子。

當風向沿結構X和Y方向時，按式(1)計算所得結構順風向風荷載如圖3a)所示。可見，由于結構底部1層～4層迎風面積較大，故該處順風向風荷載較大。從第5層開始，順風向風荷載隨著高度的增加而逐漸增大。在上部1/3高度范圍內，順風向風荷載逐漸出現減小趨勢。根據式(2)計算所得結構橫風向等效風荷載如圖3b)所示。同樣地，從第5層開始，結構橫風向風荷載隨著高度的增加而增大;在上部1/3高度范圍內，橫風向風荷載逐漸減小［1，2］。

圖3 結構風荷載（100年重現期，阻尼比5%）

3 風洞試驗風荷載

本文通過高頻天平測力試驗測量結構基底剪力和基底彎矩，進而計算各層的等效靜風荷載［3］。試驗模型幾何縮尺比為1∶300。參考點風速分別為6.7 m/s(A類)和7.0 m/s(B類)。試驗風速縮尺比分別為1∶10.43(A類)和1∶9.75(B類)。時間縮尺比分別為1∶28.77(A類)和1∶30.76(B 類)。圖4給出了 A 類地貌來流的平均風速和紊流度剖面。

天平—模型的自由振動頻率為32.5 Hz，大于100年重現期風速下換算所得實際結構基階自振頻率的2倍。試驗風向角為0°～360°，間隔為10°，即共36個風向角。在結構等效靜風荷載的計算過程中，考慮了來流隨不同風向的折減。模型基底氣動力的采樣頻率為1 000 Hz，采樣時長為60 s，樣本數據長度為60 000個點。50年和100年重現期下，結構基底剪力和基底彎矩如表1所示［4］。

圖4 A類地貌來流平均風速和紊流度剖面

表1 天平測力試驗結果(阻尼比5%)

4 規范與風洞試驗風荷載對比

4.1 等效靜風荷載

圖5對比了X和Y風向下，規范計算與風洞試驗所得結構各層等效靜風荷載。按規范計算時，順風向和橫風向風荷載的組合工況取為0.6FDk+FLk。由圖5可見，X風向下，規范風荷載與試驗風荷載之間的差異大于Y風向下的工況。

圖5 規范風荷載和試驗風荷載對比（100年重現期，阻尼比5%）

4.2 基底反力

將規范計算與風洞試驗所得結構基底剪力和基底彎矩進行對比，如表2所示。可見，兩種方法給出的基底剪力QY和基底彎矩MX差異較小，分別為14.5%和1.7%;基底剪力QX和基底彎矩MY的差異較大，分別為38.5%和45.9%。這是因為當建筑為短邊迎風(X風向)時，根據JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程計算所得風荷載體型系數大于試驗值，而長邊迎風(Y風向)時，規范給出的風荷載體型系數與試驗值相當。此外，短邊迎風(X風向)時，建筑兩側面尺寸較大，來流將在側面分離、再附形成旋渦，此時側面出現劇烈的風壓變化梯度，這種劇烈的風壓變化梯度將影響與之相關性較強的迎風面風荷載，而這種影響未能在規范計算值中得以體現，這也造成了規范計算與風洞試驗所得QX和MY的差異較大。

表2 規范計算與風洞試驗所得基底反力對比(100年重現期，阻尼比5%)

5 結語

當建筑為短邊迎風時，塔樓順風向及橫風向風荷載均小于長邊迎風的工況，這就是說，設計方在最初方案設計時，可將結構短邊作為項目所在地主導風向的迎風邊。兩種風向下，結構風荷載首先隨著建筑高度的增加而增大，在超過2/3高度后，塔樓風荷載呈現減小的趨勢。這就是說采用沿高度逐漸縮進的體型，可減小建筑頂部風荷載，對結構抗風設計較為有利。兩種風向下，塔樓順風向及橫風向風荷載的數值相當，故在計算各樓層總風荷載時，宜采用0.6倍順風向風荷載與橫風向風荷載的組合。

當建筑為短邊迎風時，規范計算與風洞試驗所得結構基底剪力和基底彎矩的差異較大。一方面，這是由于按規范計算所得風荷載體型系數大于試驗值。另一方面，旋渦作用下，較寬的建筑側面使得風壓變化梯度顯著，這將影響與之相關性較強的迎風面風荷載，而這種影響未能在規范計算值中得以體現。

［1］顧 明，葉 豐，張建國.典型超高層建筑風荷載幅值特性研究［J］.建筑結構學報，2006，27(1):24-29.

［2］黃本才，汪從軍.結構抗風分析原理及應用［M］.上海:同濟大學出版社，2008.

［3］舒新玲，周 岱，王泳芳.風荷載測試與模擬技術的回顧及展望［J］.振動與沖擊，2002，21(3):6-10.

［4］俞載道，曹國敖.隨機振動理論及其應用［M］.上海:同濟大學出版社，1988.