高層建筑在臺風作用下的模擬研究進展

陳子楊，王 璐，劉緒娟，李仁余

(廣東海洋大學寸金學院工程技術系，廣東 湛江 524094)

0 前 言

隨著時代的發展，人口增多，為了滿足人們的生產生活需求，高層建筑結構高度也在不斷提高。據收集數據統計，在目前我國己建成的高層建筑超過6 000棟，其中大部分的高層建筑分布在我國沿海地區。而沿海地區受到臺風的影響也越來越明顯，根據中國臺風網顯示，1949-2014年登陸我國的熱帶氣旋約為632個，尤其在廣東、海南、福建，浙江等沿海地區登岸數量繁多。例如2018年臺風“山竹”在登陸后先后穿過了廣東和廣西，使得300萬人受其影響，5人遇難、1人失蹤，1 200多棟房屋倒塌或嚴重受損。

鑒于臺風的巨大危害，高層建筑結構設計的關鍵是解決在高強度風荷載作用下的設計。在高層建筑設計中，對風荷載比較敏感的高層建筑(高度大于60 m)，基本風壓的取值應當相應提高，并估算建筑總體風效應取值(整體風效應和局部風效應)，其中局部風效應是進行覆面設計的關鍵因素。一般而言，根據現有規范可對建筑物的總體和局部風效應對應的氣動參數進行估算，但對規范規定的復雜建筑形式則難以由理論分析得出，必須進行風洞試驗才能測得相應數據，其數值應符合相關結構設計規范的規定。

本文主要綜述了國內外對高層建筑在臺風條件下風致荷載的研究，總結了三種研究方法的主要方向，并給出未來高層建筑防臺風設計的可能研究方向。

1 國內高層建筑抗風研究現狀

國內對于高層建筑在臺風條件下的研究比較晚，于20世紀80年代開始有學者對于高層建筑在風荷載條件下的風環境做出評價，但發表的研究成果很少。由于高層建筑的抗風現場實地測量是一個很大的系統工程，不僅需要人力、物力的大力支持，而且需要大量豐富的實地勘測經驗與經費的支撐。故此后十年我國在此方面研究還幾乎為空白，直到20世紀90年代后我國才陸續取得相關方面的研究。

李秋勝等[1]在臺風“云娜”登入期間，于上海金茂大廈(高421 m, 88層)通過實地測量得到平均風速、風向、湍流度、陣風因子、湍流積分尺度、概率分布以及風速譜等風場特性等數據。進而對結構的自然頻率和風致響應效應采用有限元軟件模擬和高頻動態天平測力試驗進行了對比分析，并且分析了在臺風期間城市中心的高空風場特性和結構的動力特性。除此之外，還通過風洞試驗模擬研究了金茂大廈在強風條件下的周邊風環境。與實測結論進行對比的結論表明：實測臺風中金茂大廈周邊風環境數據與臺風中的預測值基本一致。

趙欣等[2]于2010年對上海中心大廈進行了風荷載試驗研究，運用了風洞試驗的方式。結果表明，維氏風場模型得到的梯度風速大于喬治奧模型得到的梯度風速；風荷載作用下的結構響應大于頻繁地震作用下的結構響應，但小于基本地震強度作用下的結構響應，綜合位移角滿足1/500極限要求。

地王大廈(高324.8 m，69層)，此建筑位于臺風高發區的深圳市，故一直以來都在承受強臺風作用的影響，建成之初眾多學者對其關于風場和風致響應的現場實測進行了研究。李正農等[3-7]先后對臺風作用下的地王大廈進行了現場實測，實測的臺風包括莎莉(1996)、約克(1991)、伊布都(2003)、杜鵑(2003)、圓規(2004)、百麗嘉(2005)等。風場實測獲得了各項實測數據得到了結構的固有頻率和模態阻尼比等動力特性，并對比了建筑在各臺風中測得的風特性數據。此外，還對比了現場實測與風洞試驗和三維有限元分析的結果。

2 國外高層建筑抗風研究現狀

相比國內的高層建筑風環境研究，發達國家對其已有多達幾十年的研究過程，并且已經擁有了相當多的成果。其通常對實測高層建筑結構在臺風條件下所得到的風致響應數據與有限元分析法得到的結果進行對比分析，進而得出結論。

Kijewski-Correa等[8]通過現場實測法對芝加哥市的三棟高層建筑進行數據采集測量，對實測加速度進行模態識別分析，根據所獲得的固有頻率對所建立的有限元模型進行修改，進而與風洞試驗所實測得的數據進行對比分析。

Isyumo等[9]介紹了在城市中心的Commerce Court plaza風壓及風致加速度響應的實測結果，并建立縮尺模型進行風洞試驗測量，與現場實測數據進行對比比較。結果表明現場實測和風洞試驗結果很吻合。

Kanda等[10]回顧了日本近50年來關于高層建筑的現場實測情況，對16個高層建筑風場實測項目所得到的的研究成果進行了總結。雖然測量建筑的各項條件不盡相同，但都能得到現場實測得到高層建筑表面的風壓特征。盡管得到了大量數據實測數據， 但是還未得到完善的分析結果，大部分的文獻資料還需進一步的完善其實測研究內容。

Powell等[11]在1983年暴風Alicia進入休斯敦時，現場實測記錄了市中心最高的建筑聯合銀行廣場風場加速度，其持續時間約90 min，并根據風洞試驗所預測的風速和風向，其對建筑所產生的加速度進行對比分析，為測量和預測加速度提供了有價值的研究案例。

Miyashita Koichi等[12]為了驗證主動振動控制裝置的振動控制效果，對日本濱松ACT大廈在強季節風和臺風作用下的風振響應進行了觀測，并對設備的風振控制效果進行了報道。

近20年來，在高層建筑風荷載研究中最常用的三種方法是現場實測、風洞試驗和數值模擬等方法。其中數值模擬技術快速發展，如CFD模擬，尤其是LES大渦模擬技術的發展，使得計算結果也越來越準確，很大程度上彌補了風洞試驗的不足之處。

Watakabe等[13]分別采用現場測量、風洞試驗和CFD模擬方法對一塔狀結構建筑的風壓進行了對比研究，發現風洞試驗得到的平均風壓系數與現場實測結果很接近，運用CFD方法進行數值模擬其計算結果與風洞試驗和現場實測結果均吻合。

Dalgliesh等[14]認為連接現實世界與邊界層風洞試驗、CFD模擬之間的紐帶是現場實測，邊界層風洞試驗與現場實測是相輔相成，密不可分的關系，邊界層風洞對邊界風場和大氣湍流的模擬以及其風洞試驗的結果必須得到現場實測結果的驗證才能得以繼續發展。而正是基于邊界層風洞試驗和現場實測結果的數據支持，在一些風工程問題的研究中計算流體動力學被認為非常有用。

3 國內外研究現狀總結

1)在研究方法方面，主要由現場實測、風洞模擬實驗與數值模擬組成。由于現場試驗所需要的時間點與風環境條件都較為特殊，故大多數實驗使用軟件數值的模擬和對比分析其影響。而風洞模擬實驗需要建立其實驗裝置，由于其成本高昂并且程序復雜，所以隨著科技技術的發展，數值模擬法已然成為高層建筑風環境最重要的研究方法之一。

2)研究內容方面，國內外學者對于高層建筑在強風條件下的不同因素有所研究，主要研究元素有建筑高度、建筑高寬比、建筑建造方式等。最終通過風洞試驗與數值模擬法進行模擬實驗并取得數據，得出結論。

3)高層建筑現場實測的不足在于：我國在關于高層建筑在臺風作用條件下進行長期檢測的文獻很少。

4)在建筑群的多棟建筑物頂部進行多點的風場實測研究案例也較少。由于對高層建筑的風壓現場實測有很大難度，為了防止對高層建筑外墻的損壞，則國內外各風壓實測研究所設立的風壓測點數量就較少，然而為了獲得高層建筑表面各局部區域的風壓特征，在建筑表面進行多點的風壓實測很有必要。