多層冷彎薄壁型鋼結構房屋風致響應試驗

褚云朋 伏金蓉 姚勇 王嶸

摘要：多層冷彎薄壁型鋼結構房屋屬于風敏感結構，為研究基本風壓及風向角等因素對該結構房屋風致響應的影響，對某4層房屋縮尺氣彈性模型進行了風洞試驗。結果表明：隨風向角增加，頂層側移先增大后減小，風向角為90°時又增大，且為橫風向振動所致，但僅當風壓達到1.18kN/m2后頂層側移才超限，在風向角為45°時各層層間側移均超限；隨風向角增加，加速度先減小后增大，在0°和90°時來流引起的橫風向振動對加速度影響明顯，當基本風壓大于0.6kN/m2時，建議采用增加阻尼等措施減小加速度過大帶來的振動問題；隨偏角增加加速度呈非線性變化，功率譜中高階振型貢獻明顯，在風致加速度響應計算中應對高階振動給予更多考慮，且自振頻率應避開加速度峰值段的頻率。

關鍵詞：多層冷彎薄壁型鋼結構房屋氣彈性模型風致響應風洞試驗有限元分析

中圖分類號：TU391文獻標志碼：A文章編號：1671-8755（2023）01-0067-08

Abstract：Multilayercoldformedthinwalledsteelstructurebuildingsarewindsensitivestructures.Inordertostudytheinfluenceofbasicwindpressureandwinddirectionangleonthewindinducedresponseofthebuilding，awindtunneltestwascarriedoutonascaledaeroelasticmodelofafourstoreybuilding.Theresultsshowthatwiththeincreaseofwinddirectionangle，thetoplevellateraldisplacementincreasesfirstandthendecreases，andincreasesagainwhenthewinddirectionangleis90°，whichiscausedbycrosswindvibration.However，onlywhenthewindpressurereaches1.18kN/m2canthetoplevellateraldisplacementexceedthelimit.Andwhenthewinddirectionangleis45°，thelateraldisplacementbetweenlayersexceedsthelimit.Withtheincreaseofthewinddirectionangle，theaccelerationdecreasesfirstandthenincreases.Atthewinddirectionangleof0°and90°，thecrosswindvibrationcausedbyinletflowhasanobviouseffectontheacceleration.Whenthebasicwindpressureisgreaterthan0.6kN/m2，itisrecommendedtoincreasedampingandothermeasurestoreducethevibrationproblemcausedbyexcessiveacceleration.Asthedeflectionangleincreases，theaccelerationchangesnonlinearly，andthecontributionofhigherordermodesinthepowerspectrumisobvious.Moreconsiderationshouldbegiventohigherordervibrationsinthecalculationofwindinducedaccelerationresponse，andthenaturalfrequencyshouldavoidthefrequencyofthepeakacceleration.

Keywords：Multilayercoldformedthinwalledsteelstructurebuilding;Aeroelasticmodel;Windinducedresponse;Windtunneltest；Finiteelementanalysis

多層冷彎薄壁型鋼結構房屋自重輕、體系柔，為風敏感結構［1］。從風災破壞可看出屋面板被掀開，墻架龍骨彎扭變形大，屋架變形嚴重，故風載成為影響結構設計的重要荷載，但此類結構目前仍沒有明確的抗風設計方法［2-3］。結構輕柔及外部造型個性化的特點，致使橫風向振動大于順風向，扭轉振動問題較突出，給居住者帶來強烈不舒適感［4-5］。該結構類型房屋的安全可靠性及舒適性問題均有待進一步明確，以便推廣應用。

學者們對低層房屋進行了抗風性能研究，包括試驗和有限元分析，但對多層抗風性能研究僅限于有限元分析。聶少鋒［3］通過風洞試驗測得低層房屋剛性模型的表面體型系數，并給出不同影響因素對屋面風壓的影響；高紅偉［4］采用SAP2000對4～6層房屋進行輸入脈動風的風致響應分析，發現房屋易出現加速度超限帶來的舒適性問題。筆者針對該問題提出了構造處置措施，詳見文獻［5-6］；王嶸［7］利用ANSYS對不同風向角下4層房屋進行風致響應計算，但荷載僅考慮了順風向，未考慮橫風向影響，無法獲得其振動特性，故開展考慮橫風向作用下多層房屋風致響應分析至關重要。

為獲得多層冷彎薄壁型鋼結構房屋風致響應規律，設計并制作了4層房屋縮尺的氣彈性模型，其動力特性參數與原型結構滿足相似原則。對模型進行不同風壓峰值、風向角及阻尼變化的風洞試驗研究，為結構抗風設計提供基礎數據。

1氣動彈性模型的設計與制作

1.1房屋結構原型

試驗結構原型參見文獻［4］，為4層冷彎薄壁型鋼結構房屋，長12.8m，寬10.8m，層高均為3.0m。在有限元軟件ANSYS中建立模型，樓面恒載為1.4kN/m2，活荷載取2.0kN/m2，外墻自重取1.0kN/m2，內墻自重取0.4kN/m2，模型詳細構造參見文獻［7-8］。通過模態分析得到結構前3階周期為0.347，0.343，0.332s，前3階阻尼比為0.04，0.08，0.09。參考日本和美國的該類結構房屋自振周期經驗公式［6］，得到房屋的周期分別為0.36s和0.32s，結構計算自振周期為0.38s，與經驗公式所得值相差3.6%和8.4%，證明有限元建模分析的可行性，同時能用于縮尺比例模型設計。

1.2模型相似準則及參數確定

依據氣彈性模型縮尺相似準則要滿足的幾何、質量及抗彎剛度等3個基本相似條件［9］，得到模型相似系數，見表1，風洞截面尺寸為1.8m×1.4m，為滿足阻塞比小于0.05的要求［9］，將幾何尺寸縮比定為1∶40，根據幾何縮比和相似準則，可推出其余相似參數。經計算原型結構質量為144739.83kg，1階頻率為2.88Hz，結構阻尼比為0.04，由此獲得長0.32m，寬0.27m，高0.30m，質量2.26kg，1階頻率18.23Hz，阻尼比0.04的縮尺模型。

1.3氣彈性模型制作

模型主體結構由骨架、基座板及外覆面板構成，樓面放置配重。采用鋁柱和鋁樓板，配重為輕質PVC塊（圖1（a））；外覆面板為2mm厚竹皮，模型共分4層，層間留有2mm縫隙，便于層間能相對運動（圖1（b））。對其進行動力（頻率、阻尼比、振型）測試，因WS-30小型振動臺僅能提供單方向振動，有限元分析中結構前兩階模態也為X和Y向的平動，故小型振動臺能滿足模型前兩階模態測試的要求。

對模型進行白噪聲激振，得到模型各階頻率，再分別按所得頻率進行正弦波激振，利用半功率帶寬法得到各階阻尼比，結果見表2。從表2看出，前兩階頻率及阻尼比與期望值誤差在5%以內。

2模型風洞試驗

試驗在連續式單回流風洞內進行，風速調控范圍5～105m/s。

2.1模型測點布置

使用Optotrak測量系統采集位移，共設4個標記測點，布置在各層樓面幾何中心，便于攝像儀捕捉到標記點并采集各層位移數據。加速度采集采用三軸加速度傳感器，標檢精度為3%，可測量3個方向的加速度。加速度隨測點高度增加而增大，采集加速度以評估風載下結構舒適性滿足要求為目的，在第4層樓板幾何中心布置傳感器，見圖2。

2.2試驗工況

考慮到研究對象為多層結構，故采用風速沿高度不變的均勻流場，湍流度約1%，既可避免高湍流度不穩定性對漩渦分離和脫落影響，又能得到來流風與結構的相互作用。

考慮不同基本風壓和風向角的工況，參考建筑結構荷載規范［10］中沿海地區基本風壓，重現期選50年，基本風壓范圍0.5～1.6kN/m2。試驗風洞提供最低風速為5.0m/s，即實際高度風速31.6m/s，換算成基本風壓為0.60kN/m2。結合前期有限元分析，試驗時選定基本風壓0.60，0.73，0.87，1.02，1.18，1.36，1.54kN/m27個值，對應風洞試驗風速為5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0m/s。

模型現場布置如圖3所示。模型外形平面內關于X，Y兩個正交方向對稱，結構受力也對稱，故考慮風向角范圍為0°～90°，具體試驗時風向角β取0°，22.5°，45°，67.5°及90°共5個角度，其中局部坐標系方向始終與模型垂直，本文分析的數據均以此坐標為參考點開展。自然風統計以10min為計時單位，而時間的縮尺比為1∶6.33，試驗中位移和加速度均用95s的采集時長記錄動態信號，采樣頻率為258Hz，確保數據具有高精度。

3試驗結果

3.1模型側移

由于采集到的側移方向沿來流順向和橫向，故對不同風向角需按局部坐標進行分解。試驗前對模型位置進行初始坐標標記，得到各坐標原點，側移時程數據依此坐標原點分析處理。

參照規程［11］規定，風載作用下多層鋼結構頂部位移峰值不超過H/500，層間位移不超過h/400，H為結構總高，h為層高。據此結構位移側移限值為12000/500=24mm，層間位移限值為3000/400=7.5mm，對應模型頂部位移限值為24/40=0.6mm，層間位移限值為7.5/40=0.19mm。模型頂部位移響應如圖4所示。

模型頂部位移峰值見圖4。從圖4可知：（1）0°和67.5°風向角時，頂部位移峰值未超過限值，22.5°，45°，90°風向角時，當風速達到7.5m/s后，位移峰值超過限值。（2）0°和67.5°風向角時，風速增到7.5m/s，層間位移峰值超過限值，90°風向角時，風速增到7.0m/s時層間位移峰值達到限值，45°風向角時各風速下層間位移均超過了限值，而67.5°風向角時各風速下層間位移均未達到限值。（3）結構X向位移不利風向角為22.5°和45°，Y向位移不利風向角為45°和90°，建議工程應用時考慮當地常見風向角，在進行建筑方位布置時避開不利風向角。（4）Y向位移峰值隨風向角增加先增大后減小，位移角達到70°后Y向位移峰值再次增大，并在90°風向角時達到最大值。（5）大部分工況下結構頂層位移滿足規程［11］限值要求，但當試驗風速超過7.0m/s時不滿足規程限值要求，對應風速為14級，基本風壓為1.18kN/m2。層間位移峰值見表3，風向角對層間位移影響較大，在45°時超限，國內大部分地區重現期為50年內出現幾率很小，基本風壓下多層房屋頂層位移能滿足規程［11］限值要求。

3.2結構加速度

結構加速度是衡量舒適度的重要指標。從圖5可知：（1）隨風速增加，加速度增大，且在風速6.5m/s以上時，加速度才增加且變化明顯。（2）X向加速度在風向角從0°～90°變化過程中先下降后上升再下降，最大值出現在45°風向角。（3）Y向加速度隨風向角變化先下降后上升，且在90°風向角時最大。（4）加速度與來流渦激振動密切相關，在0°和90°風向角時結構橫風向加速度較大，來流引起橫風向振動對加速度有較強激勵作用。（5）結構X向加速度最不利風向角為45°，Y向加速度最不利風向角為0°和90°，超過規程［12］中對加速度限值規定的頂層加速度峰值。（6）在風速5.0m/s時，X向最小加速度為220.30mm/s2，Y向最小加速度為160.64mm/s2，均已超過規程規定的住宅150mm/s2加速度限值，且隨風速增加加速度增大。（7）風洞試驗中5.0m/s風速對應基本風壓0.6kN/m2，當修建于基本風壓≥0.6kN/m2地區時，需考慮加速度過大帶來的舒適性問題，工程上應采取如增設阻尼等措施降低加速度［13］。

3.3加速度功率譜曲線及分析

加速度功率譜曲線可看出其值在哪個頻率區段較大，進而在結構設計時避開自振周期，避免共振?？紤]風速及風向角對功率譜密度分布影響，將采集到的加速度數據作傅立葉變換，得到加速度功率譜密度。

（1）0°風向角時模型第4層加速度功率譜曲線見圖6。從圖6可看出兩個方向的功率譜曲線峰值均以自振頻率為主，表現為自振起控制作用。（2）功率譜頻率分布隨風速增加基本不變，峰值主要集中在頻率18Hz附近，當風速增大時功率譜峰值出現了微小的向高階頻率轉化，在相同風向角下可忽略風速對功率譜曲線的影響。（3）圖7為6.5m/s風速時功率譜密度隨風向角變化情況。風向角由0°轉至偏角狀態后，加速度功率譜由0°時的18Hz增至67.5°的50Hz，90°時又回到18Hz附近，說明隨偏角增加，功率譜中高階振型貢獻明顯，X向值甚至出現多個高階頻率峰值，此時加速度由自振和高階振型共同起控制作用。（4）風向角轉至90°時，主要由兩個方向的自振控制，功率譜曲線呈單一頻譜特性，與0°風向角類似。（5）高階振型對加速度影響不能忽略，在多層結構風致加速度計算中應對高階振動給予更多考慮，且自振頻率應盡量避開風載引起加速度峰值段的頻率。

4有限元參數分析

采用有限元軟件ANSYS的WORKBENCH計算平臺模擬多層房屋在風場中的雙向流固耦合作用，在瞬態動力模塊中，結構受流場區域模塊產生的荷載而使結構變形，結構變形會使得流場網格再次變形，改變流場荷載分布，以實現雙向流固耦合作用。

4.1模型建立

按照結構原型尺寸建立，考慮外形、質量、頻率、振型、阻尼比等幾個因素與原型結構相同，模型前3階頻率為2.88，2.92，3.01Hz。依據1.2節的相似準則，在WORKBENCH中調整得到材料參數如下：密度196.7kg/m3，彈性模量3.59×107Pa，泊松比0.3，阻尼比與原型結構相同取0.04。簡化模型及流場區域網格劃分如圖8所示。

經計算原結構與模型頻率差值第3階最大為5.4%，具有很好的相似性。流場尺寸取長×寬×高為400m×190m×90m，進口面最大阻塞比為0.012，小于0.05，滿足要求。建筑物與流場的位置關系見圖9，建筑距來流入口100m，出口300m，與兩側面距離90m。

4.2參數設置

模擬基于Transientstructural瞬態分析模塊及CFX流場分析模塊。要實現每一個時間步長內流場壓力與結構變形的耦合，在CFX模塊中為使流場得到充分發展，計算總時間設為100s，時間步長為0.1s，由于試驗中來流為均勻風速，故把湍流度設為1%，考慮到試驗時低風速給流不穩定帶來誤差，模擬中選用試驗較高的流場風速，取試驗風速6.5m/s，根據相似比6.33∶1，得到實際高度風速為41.1m/s，故數值模擬中流場風速設為41.1m/s。

在CFX模塊中流場入口面設置為來流（沿X軸）邊界條件，出口面設置為壓力出口邊界條件，兩個側面和頂面設置為對稱邊界條件，底面設置為無滑移壁面邊界，建筑物各個表面設置為流固耦合面（圖10）。在Transientstructural模塊中把建筑物底面約束為剛接，各表面均設置為流固耦合面，方能與CFX模塊中流固耦合面相互作用進行計算。把建筑表面網格設為動網格，而流場區域不運動，運用suppress命令抑制流體部分的網格。

表4列出了試驗（T）與有限元計算（F）的位移和加速度峰值。從表4可看出：有限元計算位移峰值與試驗峰值差值在10%以內，證明了數值模擬的可行性，說明能用此方法進行該類多層房屋的風致響應參數化分析。

表5列出了各測點在阻尼變化下監測點的加速度變化情況，1號、2號及3號、5號監測點分別位于入口面和出口面的建筑頂層角點處，4號點位于出口面的建筑頂層邊線中點。從表5可以看出：（1）增加阻尼比對降低結構加速度峰值作用明顯，阻尼比從0.04～0.06的增大過程中，加速度降低，且考察點中X向加速度峰值最小降低47.9%，Y向最小降低26.9%，對結構減振作用明顯。（2）X向下降幅度大于Y向，阻尼比由0.04增至0.06時，加速度降低最明顯，后下降幅度減緩。（3）阻尼在增加到0.06時，在所考察的風速范圍內加速度滿足規程［12］的舒適度限值要求，說明阻尼比對加速度影響較大，采用樓層連接處構造加強提高結構阻尼，能降低加速度峰值。

5結論

本文利用氣彈性縮尺模型風洞試驗對4層冷彎薄壁型鋼結構房屋進行了風致響應試驗研究，并進行了有限元參數化分析，得到以下結論：

（1）風向角對層間位移影響較大，在45°時其值均超限，建議工程應用中考慮當地常見風向，對建筑方位進行合理布置。

（2）結構加速度X向最不利風向角為45°，Y向最不利風向角為0°和90°；基本風壓為0.6kN/m2時，加速度峰值超過高層房屋結構技術規程限值。當建造地基本風壓≥0.6kN/m2時，對多層房屋需考慮加速度過大帶來的舒適性問題，可采取增加阻尼來降低加速度。

（3）在相同風向角下可忽略風速對加速度功率譜曲線的影響，相同風速下隨偏角改變，功率譜中高階振型貢獻明顯；X向加速度甚至出現多個高階頻率峰值，在多層結構風致計算中應對高階振動給予更多考慮，且自振頻率應盡量避開風致加速度峰值段的頻率。

（4）有限元分析用于模擬多層房屋在風場中的流固耦合作用，分析與試驗結果差值在10%以內，證明有限元分析方法可行。分析表明隨阻尼增大加速度降低，提高結構阻尼，減振作用明顯。

參考文獻

［1］李元齊，劉飛，沈祖炎，等.高強超薄壁冷彎型鋼低層住宅足尺模型振動臺試驗［J］.建筑結構學報，2013，34（1）：36-43.

［2］金玉芬，楊慶山，李啟.輕鋼房屋圍護結構的臺風災害調查與分析［J］.建筑結構學報，2010（S1）：197-231.

［3］聶少鋒.低層冷彎薄壁型鋼結構住宅風洞試驗研究及數值分析［D］.西安：長安大學，2009.

［4］高紅偉.多層冷彎薄壁型鋼房屋風致響應分析與抗風對策［D］.四川綿陽：西南科技大學，2015.

［5］褚云朋，姚勇，古松，等，冷彎薄壁型鋼結構房屋外墻結構體系，中國，ZL201610876109.0［P］，2016-10-08.

［6］JGJ/T421-2018，冷彎薄壁型鋼多層住宅技術標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，2018.

［7］王嶸，姚勇，褚云朋.不同風向角下多層冷彎薄壁型鋼結構風致響應數值模擬［J］.建筑科學，2015（11）：103-108.

［8］王嶸，姚勇，褚云朋.多層冷彎薄壁型鋼結構氣彈性模型的設計與制作［J］.西南科技大學學報，2016，31（2）：31-35.

［9］STEFANOG，LORENZOR，GLSELLAT，etal.Anaerodynamicandaeroelasticexperimentalstudyonasectionalandthreedimensionalrectangulartallbuilding［J］.JournalofTallandSpecialBuilding，2015（8）：1232-1242.

［10］GB50009-2012，建筑結構荷載規范［S］.

［11］JGJ99-2015，高層民用建筑鋼結構技術規程［S］.

［12］JGJ-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［13］李春祥，張靜怡.結構主動多重調諧質量阻尼器風致振動控制的最優性能研究［J］.振動與沖擊，2008，27（2）：137-142.