超高層建筑結(jié)構(gòu)周期和阻尼比對(duì)風(fēng)荷載作用的影響

文｜中冶京誠工程技術(shù)有限公司 夏兵 汪明

1、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地興建了大量的超高層結(jié)構(gòu)，在這些超高層結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)體系多為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)以及鋼框架支撐結(jié)構(gòu)。在這些超高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系設(shè)計(jì)中，地震作用和風(fēng)荷載是最主要的橫向荷載。對(duì)于處于地震低烈度地區(qū)的超高層建筑，風(fēng)荷載往往起控制作用。所以了解風(fēng)荷載的計(jì)算方法和控制因素對(duì)確定結(jié)構(gòu)方案至關(guān)重要。影響風(fēng)荷載的因素很多，包括地面粗糙度類別、高寬比、深寬比、結(jié)構(gòu)基本周期、阻尼比等，在項(xiàng)目地點(diǎn)、建筑方案確定情況下，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言諸多因素?zé)o法改變，例如地面粗糙度類別、高寬比、深寬比；但其中有一些因素是可以由設(shè)計(jì)人員調(diào)整的，例如通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度來改變結(jié)構(gòu)基本周期，通過采用不同的結(jié)構(gòu)材料或采用設(shè)置阻尼器的方法來改變結(jié)構(gòu)的阻尼比等。根據(jù)現(xiàn)行的GB5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮順風(fēng)向風(fēng)荷載、橫方向風(fēng)振及扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載作用。本文將結(jié)合工程案例對(duì)其中的兩個(gè)因素（結(jié)構(gòu)周期、阻尼比）分析這三種風(fēng)荷載對(duì)超高層建筑的影響。

2、工程概況

某超高層建筑高度為300米，投影平面尺寸約為45米×45米，100年一遇基本風(fēng)壓0.40 kN/m2，地面粗糙度類別B類，抗震設(shè)防烈度為6度，分別采用混合結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)（鋼框架支撐結(jié)構(gòu)）兩種不同結(jié)構(gòu)體系的方案進(jìn)行比較分析，混合結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4，計(jì)算結(jié)果表明，大部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力由風(fēng)荷載控制；通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度得出結(jié)構(gòu)基本周期分別為7.6s和8.6s兩種不同周期結(jié)構(gòu)方案（由于結(jié)構(gòu)兩主軸方向剛度相當(dāng)，所以在計(jì)算順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)周期均采用第1階自振周期），下文將具體分析兩種結(jié)構(gòu)方案中風(fēng)荷載的異同。

表1 順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

圖1 順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值比較

圖3 順風(fēng)向、橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值比較

3、風(fēng)荷載計(jì)算

3.1 順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載

根據(jù)GB5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.1~8.4節(jié)相關(guān)公式，計(jì)算在不同結(jié)構(gòu)第一自振周期下鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載，計(jì)算結(jié)果見表1和圖1。

從圖1所示曲線可以看到，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)來說，二者各自自振周期為7.6s、8.6s對(duì)應(yīng)的曲線基本重合，從表1數(shù)值可知結(jié)構(gòu)基本周期相差1s的情況下，相同結(jié)構(gòu)體系順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載相差僅僅1%左右；可見不同的結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載影響較小，即結(jié)構(gòu)尺寸確定后調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度基本不會(huì)影響橫風(fēng)向風(fēng)荷載變化。

從圖1曲線中還可以看到，鋼結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載大于混合結(jié)構(gòu)，隨建筑高度的增加差值逐步增大。從表1數(shù)值中可知結(jié)構(gòu)高度300米處順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載值比混合結(jié)構(gòu)大10%左右；可知結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)順風(fēng)向等效風(fēng)荷載有一定的影響，但影響不大。

3.2 橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載

從圖2所示曲線可以看到，結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向第1階自振周期對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)荷載影響較大，可以判斷出結(jié)構(gòu)尺寸確定后調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度將會(huì)影響橫風(fēng)向風(fēng)荷載的大小，結(jié)構(gòu)剛度越小，橫風(fēng)向風(fēng)荷載值越大；從表2數(shù)值可知結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向第1階自振周期相差1s的情況下，隨建筑高度的增加橫風(fēng)向風(fēng)荷載值相差逐步增大，300米高度處相差17%左右。

表2 橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

從圖2曲線中還可以看到，結(jié)構(gòu)的阻尼比對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)荷載也有很大的影響，鋼結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載遠(yuǎn)大于混合結(jié)構(gòu)；從表2數(shù)值可知隨結(jié)構(gòu)高度增加二者差值逐漸增大，300米高度處相差30%左右。

從圖3所示曲線可以看到，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)來說，橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載大于順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載，同時(shí)結(jié)構(gòu)剛度相同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載大于混合結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載；

3.3 扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載

經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的高寬比H/=300/=6.67,深寬比D/B=45/45=1，不滿足GB5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄H.3.1的計(jì)算條件要求：高寬比H/≤6、D/B在1.5~5范圍內(nèi)，無法按荷載規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，按試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，故在此不進(jìn)行深入討論。

4、結(jié)論

本文針對(duì)某超高層建筑的兩種不同結(jié)構(gòu)形式，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2012）

分別計(jì)算順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)周期和阻尼比情況下風(fēng)荷載沿高度分布進(jìn)行了詳細(xì)的比較。對(duì)于形狀比較規(guī)則的超高層建筑：

（1）調(diào)整結(jié)構(gòu)第1階自振周期基本不會(huì)影響順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載值變化，結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)順風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載有一定的影響，但影響不大。

（2）結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向第1階自振周期對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載值影響顯著，橫風(fēng)向第1階自振周期越長，橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載值越大；結(jié)構(gòu)的阻尼比對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)振風(fēng)荷載影響較大，結(jié)構(gòu)阻尼比越小，橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載值越大。

（3）對(duì)于基本風(fēng)壓較大，抗震設(shè)防烈度較低的地區(qū)，超高層建筑宜優(yōu)先考慮采用混合結(jié)構(gòu)方案。

（4）當(dāng)采用鋼結(jié)構(gòu)方案時(shí)，可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度來降低橫風(fēng)向風(fēng)荷載值，或通過設(shè)置阻尼器等方式增加結(jié)構(gòu)阻尼比，達(dá)到減小風(fēng)荷載值的目的。建議通過對(duì)多種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行詳細(xì)比較，確定最經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式。