某超高層建筑風荷載分析

劉潤富（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

某超高層建筑風荷載分析

劉潤富（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

近年來，超高層建筑大量涌現。在結構設計中，風荷載往往成為這類結構的主要控制荷載。風洞試驗是對建筑風致響應獲取的最主要手段，本文基于風洞試驗，對某超高層建筑的風荷載分布進行了系統研究，并采用有限元方法進行頂層位移響應分析計算，獲取有意義的結論。

超高層建筑；風洞試驗；計算流體力學；風荷載；有限元分析

1 工程概況

本項目位于華南地區，是一棟約200m高的住宅。總建筑面積約為10萬m2，其中地下空間4萬m2，塔樓約6萬m2。由于本建筑位于強/臺風地區，且周邊區域建筑物較為密集，其風環境復雜。為了保證本超高層建筑結構在使用階段的安全性，對本建筑在設計風速作用下結構的位移響應進行研究分析十分必要，同時建立有限元模型進行頂層位移響應分析計算，從中獲取結果數據，為結構的設計提供有用的設計依據。

圖1 超高層建筑效果圖

2 試驗內容

2.1 風洞試驗設備

本試驗所使用的風洞設備為閉口回流式矩形截面邊界層風洞，分為大小兩個試驗段，小試驗段截面尺寸為2.4m（寬）× 2.0m（高），風速范圍為1.0～40.0m/s；大試驗段截面尺寸為3.6m（寬）×3.0m（高），風速范圍為0.5～22.0m/s。流場性能良好，試驗區流場的速度不均勻性小于1.5%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5°。

2.2 大氣邊界層

大氣邊界層為地表之上幾十米到一千米的大氣層，這個范圍內的風特性對建筑物風效應有十分明顯的影響，因而在風洞試驗中需要對其主要特性進行模擬。大氣邊界層內空氣流動的特性的影響因素很多，例如地表粗糙度、地形地物、溫度分層情況、地球的自轉等。其主要特性表現為平均風速和紊流度沿高度的分布。

《建筑結構荷載規范》中用指數a為區分地表類型的指標。針對建筑所處的位置，其大氣邊界層特性由來風的方向確定。當風向為海向陸地，應按A類，即按a=0.12進行模擬取值；當風向為陸地向海，應按B類，即a=0.16進行模擬取值；當建筑物周邊為密集建筑群的城市市區時，應按C類，即按a=0.22進行模擬取值。基于本建筑所在地理位置及周邊建筑分布情況，大氣邊界層特性可判定為C類地表進行模擬，即a=0.22。

大氣邊界層模擬裝置可由擋板、尖塔、以及木質粗糙元組成，在風洞試驗段內模擬產生與現場情況等效的大氣邊界層。而主體建筑物附近的風場變化則通過實際的地形和周邊建筑物的影響來產生。

在風洞試驗中，模擬平均風速剖面是首要任務，其次對風的紊流強度和積分尺度的模擬次之。在大氣邊界層內，平均風速剖面可由下列公式表示：

式中：VZ為目標高度Z處的風速；V10為10m高度處基本風速，Z為目標離地高度；Z10為參考高度10m；α代表風速剖面指數。紊流強度的含義為ν′/V，其中ν′為脈動風速均方根值；V為平均風速。當粗糙度增加時紊流強度也隨著的增加，高度越高，紊流度越小，在近地面達到最大值。

對大氣邊界層模擬裝置的局部進行試調，然后進行風場特性指標測量，保證模型制作比例與模擬風場的湍流尺度比例相一致。通過流場指標校測試驗可知，大氣邊界層風速剖面指數α為0.22，與目標取值吻合度高。

2.3 參考風速及參考風壓的選取

按風氣候分析結果及我國建筑結構荷載規范［1］（GB50009 -2012），本項目所在地區50y重現期、10m高度處、10min平均的基本風壓為w0=0.50kPa；100y重現期、10m高度處、10min平均的基本風壓為w0=0.60kPa。則C類地貌、參考高度65.7cm（相對實際為197.1m）處的風壓、風速取值：50y重現期風壓值為1.143kPa，風速取值42.77m/s；100y重現期風速、風壓取值分別為1.372kPa與46.86m/s。

3 試驗設計

風洞試驗以主建筑物為中心，放置于在高頻動態天平上，模擬半徑約為500m范圍內主要的周邊建筑以及地形，安裝于風洞試驗區段試驗轉盤上，進行24個風向角試驗測量，從0～360°，以15°為一個風向測量角。合理采樣時間為32s，采樣頻率取為1000Hz。試驗風向按24個控制風向角設置，定義風向與中心線的夾角（風向角）β=0°，如圖2，以順時針轉動，每間隔15°進行數據采集。風洞參考點高度為65.7cm（與實際模型197.1m高度相當），試驗風速為10m/s。

圖2 試驗風向角

4 實驗數據結果分析

對于X向等效基底剪力，數值最小時風向角為165°，當阻尼比取值0.05，0.04，0.35時，大小分別為6.61E+06、6.82E+ 06、6.97E+06，此時為順風向荷載，這是由于建筑迎風方向受到其他較高的建筑屏擋影響，氣流流動減緩，風致響應較小。由于本建筑結構高寬比較大且立面復雜，導致了橫向等效靜風荷載，風荷載作用方向不穩定。原因在此，導致橫風向風振分析時具有一定的隨機性，研究難度較高。當風向角為120°時，X方向等效底部剪力在上述阻尼比條件下最大值分別為-1.35E+07、-1.38E+07、-1.40E+07。而Y方向等效底部剪力，除去個別的風向角，其值較X方向的等效底部剪力大，最大值風向角為315°。通過對等效靜風荷載轉換成順風向和橫風向等效風載，可以容易發現，順風向風荷載的總體影響比橫風向風荷載總體影響大，這表明順風向風荷載占主導控制地位，然而在少數的風向角中，橫風向風荷載與順風向風荷載影響相當，甚至超出順風向風荷載的影響，這也驗證了橫風向風振作用對超高層建筑風振響應，影響很大，甚至起主導作用。

5 有限元模型建立

本文根據直接建立模型的方法建立有限元模型，進行等效靜風荷載響應分析以及風荷載時程響應分析。主建筑物的等效靜風荷載由三個部分組成：順風向分量、橫風向分量以及扭轉風向分量，均可通過高頻動態天平試驗獲取。風荷載時程數據通過剛性模型測壓試驗獲得。由于實際建筑模型十分復雜，建立完整的有限元模型耗時巨大，且可行行底，本文進行模型簡化處理，對原結構模型進行沿樓層高度自由度聚合，各樓層的質量集中在各個樓層面高度上，每一自然層簡化為一個質點。各個樓層只考慮X和Y以及θ，三者分別代表順、橫風向平移和繞豎軸轉動的自由度。為了簡化，且較保守的對于非承重構件如填充墻等，對樓層側移剛度及扭轉剛度的定義時，進行了忽略處理，只對框架柱及剪力墻提供的剛度進行考慮。根據對比可知，這個簡化處理，誤差仍處于工程接受范圍內。

圖3 有限元計算模型圖

6 計算結果

本文進行等效靜風荷載響應計算中的等效靜風荷載數據由高頻動態天平試驗數據經處理獲取，試驗工況為：從0～360°，每15°進行數據采集，分為24個風向角工況。因此在進行本次響應有限元計算中，也按照高頻動態天平的同樣工況進行計算。高頻動態天平試驗結果數據可直接獲取基底等效風荷載作用力，然后通過剛度分配換算到各樓層等效靜力風荷載，包括橫風向水平分量Fx、順風向水平分量Fy以及繞豎軸方向扭轉分量Mz。建筑結構各樓層總的等效靜力風荷載包括平均風荷載分量與脈動風荷載分量之和。在有限元計算分析中，把這組數據施加到有限元計算模型中，采用靜力分析計算方法，即得到等效靜風荷載作用下，結構的位移響應情況（見圖4）。

對比計算結果可以看出，當風向角為120°時，建筑頂層的位移值達到最大，數值為77.4mm。由高頻動態天平試驗所得的等效風荷載結果我們可以知道，當處于120°風向角時，等效風荷載值也處于最大值，Fx=-1.13E+07N、Fy=1.56E+07N，數值計算所得的結果與試驗結果基本吻合，由此可知，有限元模型能真實的反映實際建筑模型的特性，計算結果可靠。

圖4 位移響應結果圖

7 結論

高頻動態天平試驗和剛性模型測壓試驗所得數據經過剛度分配，計算得到各樓層等效靜力風荷載和風荷載時程。建立有限元計算模型，施加上訴荷載，進行模擬計算。使用有限元模型進行模態分析，得出前5階振型。然后依次對模型的建立、等效靜力風荷載靜力計算及數據處理、樓層風荷載時程的計算方法以及等效風荷載作用下的頂層位移響應時程計算進行了詳細的介紹。然后綜合以上兩種計算方法取，采用結構第一陣型，計算位移響應，并與規范水平位移界限進行對比，得出了本樓層頂層風振位移響應滿足規范要求的結論。另外，本文對風壓時程換算為風荷載時程的方法能具有可接受范圍精度要求。

［1］《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）.

［2］黃本才，汪從軍.結構抗風分析原理及應用.上海：同濟大學出版社，2001：1～422.

［3］張相庭.結構風壓和風振計算.上海：同濟大學出版社，1985：1～72.

［4］李冬霞，李曉賓.基于ANSYS計算高層建筑順風向動力響應.山西建筑，2006.

TU973.213

A

2095-2066（2016）30-0149-02

2016-10-12

劉潤富（1985-），男，工程師，碩士研究生，主要從事建筑結構設計及風工程研究工作。