超高層建筑受風力作用的建筑外形影響

【摘要】本文探討了建筑外形對風引起結構反應的影響，主要研究關于超高層建筑“渦旋脫落”的現象。 本文回顧了風對超高層建筑的動力影響理論并本文也提供了一些其他措施關于提出利用建筑外形來優化結構抵抗風動力作用，供結構工程師們參考和進一步研究。

【關鍵詞】外形影響；超高層建筑；抗風性

1、引言

超高層建筑設計時主要受到風對其作用的影響，柔性的超高層建筑是風作用的敏感建筑，為了克服風荷載以及保持建筑上部居住者舒適的位移限值，傳統上來講，結構工程師主要會選擇優化結構體系或者增加模態質量來減少風振運動。從而獲得一個足夠穩定的結構。然而位移和荷載的增加將會導致建筑物的成本增加。超高層建筑的荷載和位移常常也會受到順風和側風方向的動力作用放大的影響，這些影響主要的依賴于建筑的外形。本文主要介紹超高層建筑方案階段中如何考慮建筑外形對其所受到的風的作用的影響，并結合迪拜塔外形對其抗風設計影響的實例進行說明，從而給設計師們提供一個新的角度來考慮抗風設計。

2、“渦旋脫落”現象與建筑物外形的關系：

對于超高層建筑，在設計的方案階段，我們都可以假定其為一個固定在地面的懸臂結構，對于這樣一個柔性細長的結構，自振周期通常為6s以上，那么其位于地震反應譜中地震反應的地震力較低的部分，即超高層建筑物的地震反應較低，在滿足抗震設計的相關要求的大前提下基本為風控設計。然而風對超高層建筑的一個關鍵影響是渦旋效應，渦旋效應可以產生一個強烈的側風向的流體力（圖1），這也是區分高層建筑和超高層建筑的主要表現。

流體在物體產生大范圍的，分離并形成寬闊的尾流，這樣的物體我們稱之為鈍體。對于細長的柔性建筑物，即柔性鈍體，漩渦脫落是在其兩側交替形成的（圖1），漩渦脫落是導致建筑物出現橫風向振動的主要原因。鈍體的斯脫拉哈數是一個主要介于0.1～0.3的連續值。對于一個正方形截面，斯脫拉哈數為0.14左右，對于圓形為0.2。當fv達到建筑的固有頻率fr時，則會發生共振現象，導致橫向風振影響成倍的被放大。[1] 如果建筑物的固有頻率增加，則會增加相應“渦旋脫落”的風速。當建筑物的固有頻率增加，“渦旋脫落”的頂點也會向隨之增大。如果可以將圖2中“渦旋脫落”向右移動到足夠遠以至于發生“渦旋脫落”的風速足夠大時，產生“渦旋脫落”影響會被相應的風速而控制。然而傳統的方法主要是通過增加結構的剛度，來減小“渦旋脫落”的影響，但是該方法的會極大的增加建筑物的造價。特別是對于超高層建筑，如果要想使“渦旋脫落”的頂點向圖形的右邊移動，需要很多的材料用量來增加結構的剛度。如果考慮到圖2中“渦旋脫落”的頂點對建筑物的形狀很敏感，那么在優化的“建筑物形狀的空氣動力特性”下，“渦旋脫落”的影響可以實質性的被降低甚至是被消除。

3、增加建筑物的空氣動力特性措施

因此，利用上述特性，我們可以依靠控制建筑的外形來控制風對建筑物的作用。我們可以采用以下方法通過優化建筑物形狀來改善建筑物的氣體動力特性。

使建筑的轉角圓滑：矩形和正方形是建筑物的普遍外形，然而它們也是抵抗風的動力作用時最不利的外形，因為其會產生相對較強的“渦旋脫出力”，如果建筑物的轉角可以變的圓滑，那么將可以極大的改善其受風時“渦旋脫出”的影響。臺北101大廈便采用了該方法，通過階梯式的切除10%建筑寬度的轉角來獲得減小側風反應和阻力，最后獲得了約25%底部彎矩的減小。

改變建筑截面形狀：漩渦脫落頻率主要依賴于斯脫拉哈數S和建筑物的寬度B，如果建筑寬度B可以隨著建筑高度的變化而改變，例如錐形化或者逐漸減少建筑物的寬度，那么風對建筑產生的渦旋則會在不同的高度脫落成不同的頻率，那么這些漩渦則會逐漸的被“混亂”和變得不連續，這樣可以有效地減小相關的流體力。此外對于不同的高度采用不同的逐步減小截面，例如從正方形漸變成圓形或者其他形狀。由于斯脫拉哈數會隨著截面的改變而有所變化，會產生不同的“渦旋脫落”頻率，由于“渦旋頻率”隨著高度的變化而變化，仍然會產生同樣使風“混亂”的效果。

設置“敞開層”：該方法也是通過允許空氣從建筑物的開孔來使一部分的流體自由流出，這樣吹過建筑物的渦旋則會被減弱或者打斷。

結語：

一個建筑物從方案到完成是建筑工程師和結構工程師最大程度上妥協的結果，其不僅要給人帶來視覺上的美觀，同時在形狀上也應該力求達到較優的空氣動力特性。本文的目的主要集中在討論形狀對建筑物受到風力作用時的影響，然而更進一步的研究應該包括探索如何結合結構動力性能（質量， 剛度以及阻尼等）通過優化結構的形狀來提高其的抗風性能。此外，一些特定的形狀，例如L形，T形以及Y形等，或者其他關于建筑物的外形因素，如圓角，長寬比等對建筑物動力特性的影響結合也需要今后進一步的研究，從而提高設計師們在概念設計時候的效率。

參考文獻：

[1]結構抗風分析原理及應用[M].上海：同濟大學出版社，2008.

[2]Ryan Merrick and Girma Bitsuamlak. SHAPE EFFECTS ON THE WIND-INDUCED RESPONSE OF HIGH-RISE BUILDINGS[J]. Journal of Wind and Engineering， Vol. 6， No. 2， July 2009， pp. 1-18.