論高層建筑風洞試驗的必要性

尚永樂

摘要：本文主要列舉某圓形高層結構，通過計算后對比YJK和SAP2000兩個模型結果文件，在周期及質量相對誤差在5%以內后，對比規范風荷載以和風洞試驗作用下風對高層建筑位移角、位移比、風荷載舒適度、墻體受拉分析等結果。

關鍵詞：風洞試驗;位移角;風荷載舒適度;墻底拉應力

引言

隨著高層建筑普及度逐日提高，風荷載在總荷載中占有相當大的比重，甚至起著決定性的作用，尤其一些高層建筑較為密集的城市地區，由于群風效應的影響，僅憑相關規范已經無法準確的確定風荷載的數值，如果選規范風荷載小于真實風荷載將對結構產生不利影響。且荷載規范中關于橫風向風陣加速度的計算也只有關于矩形截面的，缺少圓形、不規則形狀的橫風向風陣加速度計算。所以此時需要風洞試驗來準確的記錄風荷載數值，以保證在風荷載工況下結構的位移角、位移比、風荷載舒適度、墻體受拉分析滿足相關規范要求。

1項目概況

某通風塔。地上工程主屋面高度約180.00米。本項目雖然結構體系比較簡單，但是其高度比較高且使用功能較為復雜，一些控制參數在國內相關規范中的規定不明確，比如位移控制值、風振位移加速度等方面。合理選取這些控制參數，將保證結構正常工作;非結構構件和各種設施的完好;防止風荷載較大時對使用者產生不舒適的感覺等。本文包含了計算依據、主要假定、設計方法及部分結果。

結構超限類別及程度根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010（以下簡稱高規）及《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（以下簡稱抗規），按剪力墻體系，本工程的超限情況判斷：高度：180m/超B級。高寬比：X向11.5，Y向8.7超限。平面規則性：核心筒內樓板很少，樓板集中于筒外懸挑板，無法形成剛性隔板約束。屬于樓板不連續。

2結構設計依據

根據抗規相關的條文要求及相關工程可行性研究調整報告，對于結構分析和設計采用的建筑物分類參數如下：結構設計基準期：50年，結構設計使用年限：100年，結構設計耐久性：100年，建筑結構安全等級：二級，建筑抗震設防分類：乙類，特征周期Tg：0.90s，彈性分析，阻尼比：0.05，周期折減系數：0.9。

3荷載

樓面荷載：鋼筋混凝土重度按26KN每平方米考慮，鋼材重度按78kN每平方米考慮。恒載：樓板、梁、柱和剪力墻等結構構件的自重在計算中由計算程序根據構件截面和材料直接計算。活載：按照《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）（以下簡稱荷規）取值。

（1）風荷載：規范風荷載。按照規定，本工程按100年一遇基本風壓 0.55kN/m2，進行正常使用極限狀態設計，按1.1倍的100年一遇的基本風壓進行承載能力極限狀態設計;地面粗糙度按A類考慮;風荷載體型系數取0.8。（2）風洞實驗。由于本項目高度較高，周邊還有高層建筑，風荷載存在一定不確定性，某防災國家重點實驗室對本項目進行了風洞實驗。

4結構體系

本項目結構體系具有一定特殊性。首先作為構筑物，其結構形式類似一般電視塔或大型煙囪，體系比較簡單;其次具有一定的使用功能，特別是頂部區域，功能相對復雜。所以無論按照一般構筑物或是一般民用建筑進行體系劃分都存在不合適之處，需要綜合考慮二者特點進行設計。（1）主體結構：從風塔主體結構本身的特點出發，將其定義為：鋼筋混凝土剪力墻筒體+懸挑桁架（梁）結構。（2）剪力墻。采用鋼筋混凝土剪力墻。底部剪力墻部分墻肢內埋型鋼，目的是保證風荷載作用下墻肢拉應力不超過1ftk，中上部區域部分墻肢內埋型鋼，主要作用是方便與型鋼懸挑桁架連接，保障傳力途徑的可靠性。不同高度處內墻（外墻）墻厚如下。0-60m：300（500），60m-156m：250/300（400），156m-180m：250（350）。

5結構性能化目標及設計要求

風塔不是典型的民用高層建筑，考慮其超高且具有較為復雜的臨時使用功能等特點，在選取各項控制參數時主要參照《高規》，個別參數進行酌情調整，保證結構的安全性、正常工作狀態、人員的舒適性等。（1）結構水平變形限值：由于風塔的特殊性，其層間位移角限值在不同規范中有不同的要求，如下表所示。根據本項目的結構形式及結合使用功能要求，將層間位移角限值參照《高混規》及《上海市抗規》要求定為1/735。

（2）結構參數：

（3）結構舒適度控制：按照《高規》第3.7.6條要求，對辦公用途房屋，10年一遇的風荷載順風及橫風最大加速度不應超過0.25m/s2。按照《高鋼規》3.3.5要求，對辦公用途房屋，10年一遇的風荷載順風及橫風最大加速度不應超過0.28m/s2。故取0.28m/s2作為控制標準。計算時結構阻尼比一取0.02。

6模型中樓層的假定

風塔的側向剛度比較均勻，但質量在豎向上分布并不均勻，質量主要集中于有使用功能的幾層，上下層之間在中部和下部高差甚至達到40米。在模型分析中將全部質量集中與樓板標高顯然不合實際。考慮到所有層高均為4m或4m的模數，模型中人為將風塔分為每4m高度一層，用于凝聚質量和統計各項參數。采用YJK進行彈性分析和計算，另外對該工程采用了SAP2000軟件進行對比分析和計算，校核計算結果。YJK模型中，為使模型質量分布更接近真實，并方便參數統計，人為將風塔中間挑空部分劃分為每4米一層。

7風荷載計算結果分析

模型主要參數：結構總層數/地下室層數：47/3。

風荷載計算信息：根據風洞報告結果/根據規范風。1.3結構類型：剪力墻結構。結構總信息通過對比YJK和SAP2000計算數據，兩款軟件中周期及質量相對誤差較小，此計算數據可以作為設計依據。風塔計算的前三個振型為X、Y向平動，繞Z向扭轉。結構第一扭轉周期比第一平動周期為0.23，結構扭轉效應較小，滿足《高規》JGJ3-2010第3.4.5條周期比小于0.85的要求。

風荷載作用下結構位移：YJK計算得出的樓層位移曲線如下圖所示。

風剪力及彎矩分析，YJK計算得出的樓層剪力如下圖所示。

風荷載舒適度：由于規范中關于橫風向風陣加速度的計算缺少圓形、不規則形狀的橫風向風陣加速度計算，根據風洞實驗結果，風塔頂部X向加速最大值為0.249m/s2，Y向加速度最大值為0.286m/s2，基本滿足0.28m/ s2作為控制標準的要求。風荷載作用下墻體受拉分析：參考抗震審查技術要點，結構在風荷載或小震作用下墻肢名義拉應力也不應大于1.0ftk，根據結果，在風洞數據下，底部墻肢出現較大拉應力，局部墻肢的最大拉應力達到約4Mpa，大于1ftk=2.85Mpa，故需要在底部設置少量型鋼才能滿足相關要求。

結語：此高層建筑受附近建筑影響會產生群風效應，規范風荷載不能完全準確的記錄風荷載對建筑的影響，通過對比此工程規范風和風洞試驗發現，在風洞試驗的荷載作用下，樓層的最大位移、層間位移角、基底剪

力、抗傾覆彎矩以及墻底拉應力均處于不利的情況。

參考文獻：

[1]建筑結構可靠性設計統一標準GB50068-2018

[2]建筑工程抗震設防分類標準GB50223-2008

[3]建筑結構荷載規范GB50009-2012

[4]建筑抗震設計規范（2016年版）GB50011-2010

[5]高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2010

[6]高層民用建筑鋼結構技術規程JGJ99-2015

[7]混凝土結構設計規范（2015年版）GB50010-2010