高層建筑的順風向和橫風向風振響應探討

白潤山 楊恩友 卜娜蕊 白笑天

(河北建筑工程學院 河北 張家口 075000)

引言

高層建筑在大城市已經越來越普及，甚至在向超高層建筑群發展。土地資源的有限和人口的快速增長，增大了對住房資源的需要，直接的推動了高層建筑的迅速發展，提高土地利用率。與此同時，建筑物高度的快速躥高也使建筑的安全性得到關注，特別是高層建筑和超高層建筑對風的敏感度。高層建筑屬于大高寬比的鈍體，當有風吹在建筑表面時，會在表面產生繞流，在前緣角點處出現“分離”，而剪切層和高旋度的區域會形成自由剪切層，朝著尾流方向回旋，形成集中的渦，并向下游脫落，即湍流反應。作用在建筑上的風荷載根據其作用、方向、產生的原因，可分為順風向、橫風向、扭轉向三類。順風向平行于平均風，橫風向垂直于平均風，扭轉向垂直于順、橫所在平面[1]。三種風荷載都會產生風致響應，對建筑物的影響很大。出于對高層建筑以及超高層建筑的需求和追求，風荷載的風致響應不容忽視，而風產生的影響可以用計算流體力學(CFD)進行數值模擬，該方法已經被證實模擬結果是準確有效的，比縮尺風洞試驗更簡便和省時，比實際測量省時省力。

一、順風向振動響應

順風向振動響應是指平均風力在產生響應加上來流風中縱向紊流的分量所引起與來流方向一致的振動響應。而高層建筑在順風向動力響應中主要由自然風產生的湍流脈動速度所引起。順風向的研究與計算方面技術已經很成熟，可以由試驗及公式得出順風向等效靜力風荷載的分析結果和抖振響應。陣風荷載因子(GLF)[2]是得出高層建筑的順風向響應分析或結構抖振響應分析的有效方法之一；三分量法的應用，能準確對等效靜力風荷載進行研究分析，橫風向和扭轉向也可以應用；而順風向響應計算分析的基本理論有準定常假定、片條理論和隨機振動理論。順風向的研究已經很成熟，不過順風向還有很多不確定因素存在，在實際應用和分析中其風致效應必須考慮。

二、橫方向振動響應

橫風向振動響應是因結構尾流中的周期性旋渦脫落而產生的兩側交替變化的氣壓所導致的尾流激勵，稱為結構橫風向渦激力。也是由建筑本身引起的非定常分離流產生，其中橫風向的湍流對振動響應影響小。橫風向的振動頻率與結構振動頻率相近或達到一致時，會引起渦激共振。目前，對于高層建筑的橫風向風荷載及其響應的計算問題，以日本建筑協會的AIJ計算為主，是最為詳細的規定，而被公認的橫風向風荷載統一計算方法還沒有。橫風向風振響應的計算方式有兩種，一是由大量氣動彈性模型風洞試驗直接測得；二是通過高頻測力天平或剛性模型測壓風洞試驗獲得結果。關于獲取橫風向振動響應的其他數據，梁樞果等人[2]建立了完整的橫風向動力風荷載解析模型，能對矩形高層建筑橫風力功率譜密度、均方根升力系數、stmuhal數等進行公式計算。當結構的高寬比大于4時，因在橫風向和扭轉向的平均風為零，且橫風向風荷載和扭轉向風荷載不符合準定常假定，風致效應僅考慮脈動風。針對橫風向風振響應的研究是在一直進行的，隨著計算機技術的發展，橫風向對高層建筑的影響可以通過計算流體力學(CFD)來進行數值模擬，以獲取關于橫風向風振的計算公式或近似求解公式。王雪峰等人[3]通過CFD/FLUENT對超高層建筑的風荷載效應進行了模擬，驗證了數值模擬結果與實際風洞試驗結果之間的相同關系，雖然不是針對橫風向的研究，但是對接下來的高層建筑橫風向風振響應的研究提供了實驗思路和數據參考。

三、振動響應的分析

風荷載在導致高層建筑的振動時，會受地貌、建筑外形、單群體效應等影響，通過間接的方式影響著順風向和橫風向的振動響應。除此之外，高層建筑本身的高寬比、寬厚比、周期、阻尼比、風壓等，也會對矩形高層建筑的風荷載振動響應有影響，從而產生不舒適性和不安全性。

(一)影響順風向、橫風向荷載的因素

風荷載作用時，因為客觀原因的存在，像建筑的高寬比、寬厚比、周期、阻尼比、外形等[4]，以及風壓的大小、周邊干擾建筑群、地貌等因素的存在，使順風向和橫風向的大小及產生的振動響應都會受到影響。

隨著高寬比的增加，矩形高層建筑順風向與橫風向荷載均增大；地貌類別越空曠，橫風向效應問題越嚴重；寬厚比(結構順風向寬度與橫風向寬度之比)對高層橫風向荷載及橫風向與順風向基底剪力比值影響較大；隨著結構周期的增大，結構頂層荷載標準值增大，且結構周期直接影響橫風向風振；結構阻尼比的增大，順風向與橫風向風荷載標準值均減小，且順風向減小幅度小于橫風向；基本風壓增加，高層橫風向基底彎矩與順風向的比值增大。除以上因素對風荷載響應產生具體影響外，還有很多非定性的因素也對風工程的研究有不可忽視的影響。

高層建筑的外形影響是凹凸角、削角、開洞，以及方形、錐形和圓形外觀。對于高層建筑是圓形截面結構的形式，橫風向風荷載與雷諾數Re存在著密切的聯系，而對于具有鈍邊的矩形截面雷諾數不起主要作用；錐率可減小結構的橫風向荷載。CFD在高層建筑對風荷載的數值模擬研究中有著很重要的作用，可以通過CFD模擬風場對高層建筑的影響，也可以把實際的建筑進行建模、把外形的一些特點設計出來，達到高層建筑在實際風場中的受力特性與結果。

(二)風振響應分析與參數名詞

一般采用時域分析和頻域分析。時域分析主要有線性加速度法、紐馬克β法和威爾遜θ法；頻域分析主要有模態位移法、模態加速度法和三分量法。

結構阻尼、正氣動阻尼和振型系數都對風荷載的加速度響應和等效靜力風荷載影響顯著，振型系數對舒適性也有影響。其中，要避免負氣動阻尼的產生，因其會對高層建筑橫風向風振產生不利影響。

結論

高層建筑的順風向和橫風向風振響應是復雜的，又是不可避免的。為了達到高層建筑的使用功能，風工程的研究需要持續進行。目前對順風向風荷載的研究相當成熟，已經有被公認的計算方式和解決方法。而對于橫風向風荷載的風振響應計算求值和研究都還欠完善，需要解決的問題也有很多。對于高層建筑，為了保證建筑的安全性和舒適性，橫風向風振響應的研究應該被重點關注并進行解決和完善。除此之外，高層建筑風荷載的問題還存在很多方面要去解決，比如建筑外形的多種多樣對氣動力的影響、風荷載耦合和風與建筑結構的耦合等怎樣解決能保證建筑安全等都是要解決的難題。