沿海強風(fēng)環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑風(fēng)侵評估與施工技術(shù)研究

張斌

摘要：沿海建造的超高層建筑經(jīng)常遭受臺風(fēng)侵襲，需要評估研究沿海強風(fēng)環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑風(fēng)侵情況，便于未來建設(shè)改進。考慮到所研究工程所處環(huán)境特殊，使用Fluent軟件構(gòu)建模擬分析模型，并在該模型中添加強風(fēng)荷載，獲得超高層建筑極限應(yīng)力與極限變形規(guī)律，并計算建筑各角的風(fēng)侵位移。玻璃幕墻是超高層建筑的重要組成部分，使用CFD數(shù)值模擬該部分的易損性。結(jié)果表明，順風(fēng)條件下，建筑背風(fēng)面位移更小；橫風(fēng)條件下則迎風(fēng)面位移更小。計算后確定該建筑各個面主要承受負風(fēng)壓，強風(fēng)荷載下，玻璃幕墻的撓度先失效，橫梁位置與焊縫位置都易發(fā)生損壞，需要從這些方面加強超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的性能。

關(guān)鍵詞：沿海強風(fēng)環(huán)境；鋼結(jié)構(gòu)；超高層建筑；風(fēng)侵評估；Fluent軟件；CFD數(shù)值模擬

中圖分類號：TU393.2??????? 文獻標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1001-5922（2023）03-0172-06

Study on construction technology and wind invasionassessment of steel super high-rise buildings in coastal strong wind environment

ZHANG Bin

（CCCC Construction Group Co.， Ltd.，Beijing 100007，China）

Abstract：Coastal super high-rise buildings are often attacked by typhoons，so it is necessary to evaluate and study the wind invasion of steel structure super high-rise buildings in coastal strong wind environment，so as to facilitate future construction and improvement. Considering the special environment of the project under study，F(xiàn)luent soft? ware was used to build a simulation analysis model，and strong wind load was added to the model to obtain the ulti? mate stress and ultimate deformation law of super high-rise building，and the wind invasion displacement of each corner of the building was calculated. Glass curtain wallis an important part of super high-rise building，and the fra? gility of this part is simulated by CFD. The results show that the displacement of the leeward side of the building is smaller under downwind condition，and the displacement of the windward side is smaller under cross-wind condi? tion. After calculation，it is determined that all sides of the building mainly bear negative wind pressure. Under the strong wind load，the deflection of the glass curtain wall first fails，and the position of the beam and the position of the weld are prone to damage. In the future，it is necessary to strengthen the performance of the super high-risebuilding steel structure from these aspects.

Keywords：coastal strong wind environment；steel structure；super high-rise construction；wind invasion assess? ment；fluent software；CFD numerical simulation

經(jīng)濟發(fā)展伴隨建筑行業(yè)的進步，但是受到土地面積的限制，一般通過建造超高層建筑，避免出現(xiàn)土地浪費的現(xiàn)象。以目前建造工藝來看，一般使用高強度且質(zhì)量較輕的建筑材料實現(xiàn)超高層建筑的建造，這也造成超高層建筑整體結(jié)構(gòu)越來越柔性發(fā)展，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的整體阻尼降低并且增加建筑的自振周期，對于強風(fēng)荷載高度敏感[1-3]。超高層建筑的目標(biāo)使用年限一般較長，建筑結(jié)構(gòu)面對長時間環(huán)境、氣候變化，低溫、酸性氣體、堿性物質(zhì)等因素都會嚴重危害建筑結(jié)構(gòu)的耐久性[4，5]。超高層建筑在生態(tài)環(huán)境影響或者人為因素干擾之下，居住的舒適效果與整體結(jié)構(gòu)安全效果一直是相關(guān)領(lǐng)域研究者的重點關(guān)注內(nèi)容，有學(xué)者針對超高層建筑在風(fēng)荷載影響下所產(chǎn)生的動力響應(yīng)作出深入研究[6]。從目前研究成果來看，較大風(fēng)荷載會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴重的變形情況，玻璃幕墻、圍護結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等組成部分都會在超強風(fēng)荷載的影響下，發(fā)生失穩(wěn)、變形、破損等現(xiàn)象[7-9]，這些現(xiàn)象一方面帶來極為嚴重的安全隱患，另一方面還會直接增加政府的維修基金[10]。超高層建筑從建造到使用也面臨諸多問題，因此需要重點評估各種因素對于超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)險的影響[11-12]。并基于以上各種因素，采用系列模擬算法實現(xiàn)評估以及建筑工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測[13]。并結(jié)合監(jiān)測的數(shù)據(jù)反饋至施工單位對于材料的選擇進行分析，如膠黏劑、鋼材、幕墻等材料提供理論依據(jù)[14]。

根據(jù)以上分析，并綜合考慮實際施工環(huán)境的風(fēng)荷載影響情況，本文從多個方面出發(fā)研究沿海強風(fēng)環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)超高層建造風(fēng)侵評估分析情況。

1鋼結(jié)構(gòu)超高層建造風(fēng)侵評估

1.1研究目標(biāo)主體——鋼結(jié)構(gòu)工程概況

本文所研究的超高層建筑施工工程，地理位置處于福建省廈門市集美新城片區(qū)，整體建筑共50層，主塔樓位于本項目西北角，主塔樓平面尺寸為44.5 m×44.5 m，建筑高度266 m，地下3層，地上47層，單層高度在2.2～15 m不等。該施工區(qū)域由上至下土層結(jié)構(gòu)分別為素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖等，由此可以看出，該區(qū)域堅硬雜石較多，施工難度較大。

結(jié)構(gòu)體系為鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒+環(huán)桁架，鋼結(jié)構(gòu)工程包括外框鋼管柱、樓層鋼梁、核心筒鋼骨柱、核心筒鋼板墻、三道環(huán)桁架及塔冠。塔樓東側(cè)附帶有2層裙房，裙房鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件為鋼梁，最大跨度27.6 m，分布于2F～3F，且2F 中間設(shè)置有夾層結(jié)構(gòu)，截面形式均為H性鋼梁；塔樓結(jié)果分解圖如圖1所示。

1.2評估方法

1.2.1基于數(shù)值模擬的超高層建筑動力響應(yīng)分析

1）模型構(gòu)建

若想研究在強風(fēng)荷載之下，超高層建筑所產(chǎn)生的動力響應(yīng)，需要使用有限元軟件構(gòu)建分析模型，利用數(shù)值模擬鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑在沿海強風(fēng)影響的模態(tài)情況。使用 Fluent數(shù)值模擬軟件構(gòu)建超高層建筑的結(jié)構(gòu)分析模型，等比例構(gòu)建超高層建筑的三維幾何模型，同時構(gòu)建風(fēng)場相關(guān)的歐拉體系模型[15]。使用二類截面：歐拉體單元截面、實體單元截面實現(xiàn)工程算例模型構(gòu)建，模型簡化前后需要注重性質(zhì)等效所以需要慎重考慮材料參數(shù)的取值，確定截面性質(zhì)后才能將這些截面與實際建筑中相應(yīng)的建筑部件對應(yīng)，獲得各個部件的數(shù)值模擬模型。各個部件分別構(gòu)建完成后，再依次組裝，完成整個超高層建筑的模型構(gòu)建。

2）確定邊界條件

模型構(gòu)建過程中，出于模型簡化的需求，邊界條件是模型底面被施加的固定約束。在軟件中選擇邊界條件管理器，先創(chuàng)建第一個邊界條件A-1，分析步類型選擇位移與轉(zhuǎn)角，U1-U3以及UR1-UR3均設(shè)置為0，使用瞬時賦值。

針對本文所研究的工程情況，在軟件中創(chuàng)建一個重力荷載，X與Y方向的分量值均為0，Z方向的分量3的值是-9.8，使用瞬時重力荷載幅值[16]。

3）風(fēng)荷載施加創(chuàng)建

構(gòu)建平均風(fēng)荷載時先在軟件中定義解析場，從X 軸正方向出發(fā)，風(fēng)荷載呈現(xiàn)出指數(shù)分布規(guī)律。構(gòu)建余弦脈動風(fēng)荷載時，設(shè)置2 s 風(fēng)速周期，頻率值則設(shè)定為0.5 Hz，圓頻率設(shè)置為3.14，風(fēng)荷載帶的初始幅值設(shè)置為1開始時間設(shè)定為0，以此確保風(fēng)荷載始終超過0，實現(xiàn)1幅值的余弦脈動風(fēng)。

針對所研究的超高層建筑物構(gòu)建數(shù)值模擬模型，并生成風(fēng)荷載施加模型，具體如圖2所示。

4）單元選擇與網(wǎng)格劃分

為提升模型計算的效率和較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果，選取合適的單元。使用六面體線性減縮積分實體單元模擬超高層建筑中的混凝土結(jié)構(gòu)，該單元每個個體都具備8個節(jié)點，這類單元能夠降低單元內(nèi)積分點數(shù)量，提升計算速度，防止計算結(jié)果出現(xiàn)剪力鎖閉的情況。鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑中存在較多鋼筋結(jié)構(gòu)，針對這類結(jié)構(gòu)，選取三維桁架單元（2節(jié)點），這類單元只能承受壓縮與拉伸荷載，能夠?qū)崿F(xiàn)加強構(gòu)件的模擬[17]。

1.2.2 風(fēng)荷載下超高層建筑幕墻易損性分析

玻璃幕墻是超高層建筑中的重要組成部分，同時也是超高層建筑的重要圍護部分，所以評估沿海強風(fēng)環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)超高層建造風(fēng)侵情況時，需要重點分析玻璃幕墻的易損性[18]。

數(shù)值模擬軟件之中本身就攜帶黏性模塊，可以直接實現(xiàn)CFD 數(shù)值模擬，模擬過程中需要利用湍流能、入口風(fēng)剖面以及湍動能耗散率，所以開展研究之前先需要對這些參數(shù)實行計算。計算超高層建筑外風(fēng)壓時參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，該規(guī)范能夠主要用于模擬建筑設(shè)計階段在風(fēng)荷載影響下出現(xiàn)的易損傷性變化，本文在實際使用過程中需要適當(dāng)修正該規(guī)范內(nèi)的計算方法[19]。

1）風(fēng)壓系數(shù)分析

從以往的研究經(jīng)驗來看，風(fēng)壓在建筑表面的分布并沒有保證一個統(tǒng)一的形式即使在同一個來流風(fēng)場影響下仍舊會出現(xiàn)部分建筑位置風(fēng)壓過強的情況，受到沿海強風(fēng)影響，這些風(fēng)壓過高的位置為出現(xiàn)較為顯著的破壞形態(tài)。由此可以看出，作用于建筑表面的風(fēng)壓系數(shù)并不能夠體現(xiàn)出風(fēng)荷載之下建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞最嚴重，危險性最高的位置。這就體現(xiàn)出 CFD 數(shù)值模擬的優(yōu)勢，利用這一模擬方法實現(xiàn)較為科學(xué)地分析最不良工況之下建筑結(jié)構(gòu)所承受的力。

2）易損性分析

通過以上風(fēng)壓系數(shù)模擬結(jié)果，可以獲得各種風(fēng)向來流下超高層建筑幕墻上的風(fēng)壓系數(shù)，將該系數(shù)重新代入數(shù)值模擬中，能夠獲得風(fēng)速不同下超高層建筑幕墻上各構(gòu)件的失效概率，并根據(jù)該結(jié)果分析出整個超高層建筑幕墻的易損性。

2 結(jié)果分析

2.1 超高層建筑動力響應(yīng)分析結(jié)果

使用有限元軟件計算生成所研究超高層建筑在風(fēng)荷載下迎風(fēng)面的極限應(yīng)力與極限變形情況，結(jié)果如圖3所示。

從圖3計算生成的有限元結(jié)果可以看出，確定強風(fēng)荷載之下，超高層建筑迎風(fēng)面呈現(xiàn)出的極限變形與極限應(yīng)力，根據(jù)這一變化規(guī)律獲得超高層建筑頂部4個焦點的順風(fēng)向與橫風(fēng)向的時程位移變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，順風(fēng)向風(fēng)荷載作用下超高層建筑東南與東北兩個角點的位移低于西南與西北2個方向的角點，這可能是由于東南與東北方向?qū)儆诒筹L(fēng)面，西南與西北方向?qū)儆谟L(fēng)面；橫風(fēng)向荷載下，4個方向的位移則相反，由此變化規(guī)律可以獲知，超高層建筑需要具備較為均勻?qū)ΨQ的剪力墻布置效果，才能具有抵抗強風(fēng)導(dǎo)致的位移情況，所以超高層建筑需要在迎風(fēng)面加建抵抗強側(cè)移的加強部件。

2.2 風(fēng)荷載下超高層建筑幕墻易損性分析結(jié)果

使用數(shù)值模擬后可以確定超高層建筑各個方向的風(fēng)壓系數(shù)，計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，本文所研究建筑除A 面以外，剩余各面均顯示出較為顯著的負風(fēng)壓系數(shù)。由此可得出，本文所研究建筑多個風(fēng)向角下都展現(xiàn)出負風(fēng)壓，只有迎面位置會出現(xiàn)正風(fēng)壓系數(shù)。

超高層建筑玻璃幕墻面板在風(fēng)荷載下產(chǎn)生的易損性變化結(jié)果如表1所示。

由表1可知，風(fēng)速達到30 m/s 時，超高層建筑玻璃幕墻面板的撓度開始出現(xiàn)失效臨界；當(dāng)風(fēng)速達到60 m/s 時，超高層建筑玻璃幕墻面板的應(yīng)力開始出現(xiàn)失效臨界。受到沿海強風(fēng)影響，超高層建筑玻璃幕墻面板的撓度發(fā)生超限現(xiàn)象，造成超高層建筑玻璃幕墻面板發(fā)生破裂現(xiàn)象，非承載力超出限值，導(dǎo)致超高層建筑玻璃幕墻面板出現(xiàn)嚴重風(fēng)侵破壞。

不同風(fēng)速影響下，超高層建筑玻璃幕墻梁柱結(jié)構(gòu)的易損性分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，風(fēng)速達到65 m/s 時，超高層建筑玻璃幕墻橫梁位置已經(jīng)發(fā)生失效；而立柱結(jié)構(gòu)則是風(fēng)速為75 m/s 時發(fā)生失效。綜合來看，梁柱結(jié)構(gòu)中，橫梁比立柱先失效。根據(jù)數(shù)值模擬的易損性分析結(jié)果可知，梁柱結(jié)構(gòu)連接的螺栓位置率先發(fā)生抗剪失效，所以研究超高層建筑玻璃幕墻橫梁易損性情況時，需要優(yōu)先關(guān)注螺栓連接的變化情況。

超高層建筑玻璃幕墻各個連接構(gòu)件包括螺栓、焊縫以及鋁截面，這些構(gòu)件的易損性分析情況如表3所示。

由表3可知，3種超高層建筑玻璃幕墻構(gòu)件中，處于鋼連接件與螺栓鋼墊片之間的焊縫更容易出現(xiàn)損傷，一般風(fēng)速為65 m/s 時開始出現(xiàn)失效，這種情況主要是由于實際施工時焊縫更容易出現(xiàn)誤差，焊縫周圍也易于出現(xiàn)力學(xué)缺陷。除此之外，鋁截面也較為容易發(fā)生損傷，所以超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，需要綜合考慮沿海強風(fēng)的影響，重點關(guān)注構(gòu)建部分的易損性，選擇更加耐用的構(gòu)件設(shè)備。

3 施工方案

通過仿真模擬實驗分析得出，超高層建筑重要組成部分-玻璃幕墻在風(fēng)荷載下的易損性情況主要來自于各個連接構(gòu)建，包括螺栓、焊縫以及鋁截面等組件因素，因此建造工程從鋼結(jié)構(gòu)焊接、防腐工藝以及防火等核心技術(shù)模塊進行工藝技術(shù)闡述。

3.1 施工技術(shù)方案

3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)焊接

本項目的焊接工藝如圖6所示。

3.1.2 焊接關(guān)鍵技術(shù)

1）預(yù)熱

規(guī)范定義厚度40 mm 以上板為厚板焊接，以項目所在地氣候情況來看，厚板焊接前需進行預(yù)熱。

（1）預(yù)熱范圍應(yīng)沿焊縫中心向2側(cè)至少各100 mm 以上，并按板厚3倍以上范圍實施；（2）當(dāng)預(yù)熱范圍均勻達到預(yù)定值后，恒溫5～15 min；（3）預(yù)熱溫度宜在焊件受熱面的背面測量，測量點應(yīng)在焊接點各方向不小于75 mm 處；（4）采用表面溫度計測試；（5）預(yù)熱熱源采用氧─乙炔中性火焰加熱；（6）常用鋼材采用中等熱輸入焊接時，最低的預(yù)熱溫度符合要求。

2）層間溫度控制

施焊前，注意收集氣象預(yù)報資料。預(yù)計惡劣氣候即將到來，并無確切把握抵抗的，應(yīng)放棄施焊；

焊接時，焊縫間的層間溫度應(yīng)始終控制在100～120℃ ，每個焊接接頭應(yīng)一次性焊完。

若焊縫已開焊，要搶在惡劣氣候來臨前，至少焊完板厚的三分之一方能停焊，且嚴格做好后熱處理，記下層間溫度。

3）后熱與保溫

厚板焊接時為保證焊縫中擴散氫有足夠的時間得以逸出，從而避免產(chǎn)生延遲裂紋，焊后進行后熱處理，后熱溫度為250～350℃ ， 測溫點選在直接加溫處的相對部位，嚴禁在直接施熱部位測試。焊接完成后，即可用多層石棉布緊裹，保溫的時間以接頭區(qū)域、焊縫表面、背部均達環(huán)境溫度為止。

4）焊接變形控制

為減少焊接變形，鋼柱對接焊接均采用對稱焊接，保證2側(cè)熱量均勻輸入。

5）焊后清理

（1）認真清除焊縫表面飛濺、焊渣；（2）焊縫不得有咬邊、氣孔、裂紋、焊瘤等缺陷和焊縫表面存在幾何尺寸不足現(xiàn)象；（3）不得因為切割連接板、墊板、引入板，引出板傷及母材，不得在母材上留有擦頭處及弧坑；（4）連接板、引入、引出板切割時應(yīng)光滑平整；（5）焊縫外觀自檢合格后，方能簽上焊工鋼印號，并做到工完場清。

3.1.3 防腐防水施工

（1）防腐防水涂料應(yīng)滿足良好的附著力，與防火涂料相容。防腐防水涂料應(yīng)通過國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)關(guān)于底漆干膜鋅含量以及耐老化測試的第3方檢測報告。（2）鋼結(jié)構(gòu)除銹、防腐蝕、防水采用的涂料及防腐蝕防水應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 251）和《涂覆涂料前鋼材表面處理表面清潔度的目視評定》（GB/T 8923.1）的規(guī)定；（3）鋼構(gòu)件所用鋼材表面原始銹蝕等級不應(yīng)低于B 級，且需滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB 8923）規(guī)定。埋入混凝土部分的鋼構(gòu)件可采用手工或電動工具除銹，除銹等級為St3級；除此以外的所有鋼構(gòu)件表面均應(yīng)進行噴射除銹，除銹等級為Sa2.5級，表面粗糙度達到40～75μm，鋼材表面除銹檢驗合格后，在要求時限內(nèi)進行涂裝。現(xiàn)場補漆應(yīng)用風(fēng)動或電動工具除銹，達到St3級，表面粗糙度達到35～55μm。

4 結(jié)語

沿海環(huán)境中經(jīng)常強風(fēng)肆虐，8級以上大風(fēng)天氣多發(fā)，嚴重危害當(dāng)?shù)爻邔咏ㄖ姆€(wěn)定性與安全性，因此研究沿海強風(fēng)環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)超高層建造風(fēng)侵評估情況。對于整體超高層鋼結(jié)構(gòu)，使用Fluent 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建模型，并在該模型中模擬出風(fēng)荷載影響，確定不同風(fēng)向下，建筑結(jié)構(gòu)不同方向位置承受的風(fēng)荷載以及風(fēng)荷載影響下所發(fā)生的位移變化。使用 CFD 數(shù)值模擬方法，計算得出超高層建筑不同方向的風(fēng)壓系數(shù)，并且針對超高層建筑重要組成部分-玻璃幕墻在風(fēng)荷載下的易損性情況展開重點分析。經(jīng)過詳細分析發(fā)現(xiàn)，超高層建筑背風(fēng)面不易于發(fā)生風(fēng)荷載影響導(dǎo)致的位移，迎風(fēng)面則恰恰相反。超高層建筑玻璃幕墻受到風(fēng)荷載影響，橫梁比立柱更容易出現(xiàn)損傷，幕墻結(jié)構(gòu)上的焊縫也更容易出現(xiàn)損傷，這些位置都是建筑施工中尤其需要注意的部分。依據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合場地實驗為復(fù)雜沿海環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)超高層建造工藝提供了關(guān)鍵的技術(shù)指導(dǎo)和技術(shù)借鑒。

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