某超高電梯試驗塔風荷載體型優化和風荷載研究

謝 冰

(華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002)

1 概述

本項目位于上海市閔行區江川路，由新建電梯試驗塔以及裙房構成，其中電梯試驗塔高度為233.95 m，共34層，標準層層高7.5 m，平面尺寸約為25 m×25 m，高寬比約為9.4∶1。對于此類高寬比大的建筑物，風荷載很多時候會超越地震作用成為控制工況。因此，其風荷載體型優化和風荷載合理取值是該類結構設計面臨的重要問題。本文就上述兩個問題進行探討。

2 基本信息

本項目所在場地50年一遇基本風壓W0為0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B類。由于結構高寬比較大，樓層層高較高，內部非結構構件較少，參照JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程，風荷載下變形以及承載力驗算時，阻尼比取0.02。

3 風荷載體型優化

對于高寬比大的建筑物，結構設計時需要考慮采取必要可行的減小橫風效應措施，主要包括：減小建筑物高寬比，建筑物角部處理(凹角、削角)，提高自振頻率，增加建筑物阻尼等。結合項目實際，本項目采用了對建筑物角部進行處理的方式來減小橫風效應(見圖1)。

3.1 規范公式估算比選

首先，根據國家現行荷載規范的計算公式，對該樓主體結構平面角部削角和凹角兩種體型優化措施進行初步分析，結果見表1，圖2。

由表1可知：

表1 橫風效應初步分析(規范理論公式)

1)10%的削角方案、10%的凹角方案的風荷載分別比標準長方體方案減小約25%，40%。

2)凹角方案比削角方案橫風向基底傾覆彎矩減小28%，橫風向基底剪力減小29%。

同時，由圖2可知：

1)10%的削角和退臺是最優的選擇；

2)退臺的角部明顯好于削角；

3)8%的退臺和10%的削角可以有效消除橫風響應的影響；

4)8%的退臺與10%的削角結果近似。另注：周期假設3.7 s。

3.2 風洞試驗比選

注意到國家現行規范規定的高寬比上限為1∶8，因此上述結果僅供參考。為準確對比削角和凹角兩種方案設計風荷載，在RWDI的2.4 m×2.0 m的邊界層風洞中進行了1∶400的縮尺風洞試驗，結果見表2，圖3。

表2 凹角與削角方案的基底彎矩、剪力比較(50年重現期；阻尼比2.0%)

對比可知：凹角方案比削角方案橫風向基底傾覆彎矩減小16%～28%；基底剪力減小12%～26%。相比規范估算的28%～29%幅度略有減小，但減小仍較顯著。因此，推薦凹角方案實際采用。

4 設計風荷載合理取值

首先，需要說明的是圖3給出的50年重現期總風荷載隨風向的變化是基于50年重現期設計風速得出的，并假定風速在每個方向上均與設計風速相同。但是一般情況下，不同風向角風荷載需要考慮設計風速在不同方向上相對出現的概率。因而，為經濟合理地確定結構的設計風荷載，尚需疊加考慮風氣候不同風向設計風速概率。

其次，與荷載規范附錄方法一樣，風洞試驗同樣也得到順風、橫風與扭轉三個方向的荷載均是最大值(詳見表3)，實際上，三個方向最大值并不是同時發生的。為考慮表3中各剪力與扭矩分量同時作用于結構的可能性，對36個風向的風荷載按照多邊形包絡原則給出了24個組合，表4給出了建議的荷載組合系數。表中共列出24種荷載基本組合，代表各荷載分量Fx,Fy以及Mz分別達到最大值時八種可能的正負號組合(即+++，++-，+-+等等)。以表4中荷載組合1為例說明如下：該荷載組合要求將等效靜力層間風荷載表3給出的+100%的Fx，+40%的Fy以及+35%的Mz同時作用于結構。在該樓結構的總體設計中，對所有的荷載組合都予以考察。

表4 風洞試驗建議的荷載組合系數

表3 等效靜力樓層風荷載(50年重現期；阻尼比2.0%)

至此，得出的風荷載中已包括風氣候的風向效應和全風向角包絡，等同于由規范計算所得風荷載的方式，再按照荷載組合疊加荷載系數和組合系數就可具體應用于該樓的結構設計。

5 風洞試驗結果與國家現行荷載規范GB 50009—2012的比較

表4提供了風洞試驗荷載與國家現行荷載規范GB 50009—2012的比較。比較中考慮的場地類別為B類(開闊地形)，規范橫風向荷載計算考慮了(0.68/3+0.74/3+0.92/3)=78%凹角，但本項目高寬比超過規范計算范圍，因此規范橫風向荷載僅供參考。

比較表4數據可以發現，在偏保守估算平均高寬比條件下，國家現行荷載規范GB 50009—2012與風洞試驗荷載結果基本符合，至多偏小5.7%。

需要提醒的是，若考慮荷載組合，風洞試驗給出的荷載組合(如表4所示)將有多處突破國家現行荷載規范建議的組合(見表5,表6)，對此需多加注意。

表5 風洞試驗荷載與國家現行荷載規范GB 50009—2012的比較(50重現期；2.0%阻尼比)

表6 國家現行荷載規范GB 50009—2012建議的風荷載組合工況

6 結語

本文對某高度233.95 m、高寬比9.4∶1的超高電梯試驗塔的風荷載體型優化和設計風荷載研究，并得出以下結論：

1)根據風洞試驗凹角方案比削角方案橫風向基底傾覆彎矩、基底剪力減小12%～28%，相比規范估算的28%～29%幅度略有減小，但減小仍較顯著。

2)經濟、合理地確定結構設計風荷載，需考慮風氣候的風向效應和全風向角包絡。

3)本項目根據國家現行荷載規范估算的順風向、橫風向風荷載最大值與風洞試驗的基本相符，但風洞試驗給出的風荷載組合將有多處突破規范建議的風荷載組合。