沿海強風環境下鋼結構超高層建筑風侵評估與施工技術研究

張斌

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

關鍵詞：沿海強風環境；鋼結構；超高層建筑；風侵評估；Fluent軟件；CFD數值模擬

中圖分類號：TU393.2??????? 文獻標志碼：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，Fluent 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

經濟發展伴隨建筑行業的進步，但是受到土地面積的限制，一般通過建造超高層建筑，避免出現土地浪費的現象。以目前建造工藝來看，一般使用高強度且質量較輕的建筑材料實現超高層建筑的建造，這也造成超高層建筑整體結構越來越柔性發展，導致建筑結構的整體阻尼降低并且增加建筑的自振周期，對于強風荷載高度敏感[1-3]。超高層建筑的目標使用年限一般較長，建筑結構面對長時間環境、氣候變化，低溫、酸性氣體、堿性物質等因素都會嚴重危害建筑結構的耐久性[4，5]。超高層建筑在生態環境影響或者人為因素干擾之下，居住的舒適效果與整體結構安全效果一直是相關領域研究者的重點關注內容，有學者針對超高層建筑在風荷載影響下所產生的動力響應作出深入研究[6]。從目前研究成果來看，較大風荷載會導致建筑結構出現較為嚴重的變形情況，玻璃幕墻、圍護結構、鋼結構等組成部分都會在超強風荷載的影響下，發生失穩、變形、破損等現象[7-9]，這些現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構風險的影響[11-12]。并基于以上各種因素，采用系列模擬算法實現評估以及建筑工程結構的監測[13]。并結合監測的數據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[14]。

根據以上分析，并綜合考慮實際施工環境的風荷載影響情況，本文從多個方面出發研究沿海強風環境下鋼結構超高層建造風侵評估分析情況。

1鋼結構超高層建造風侵評估

1.1研究目標主體——鋼結構工程概況

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，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。該施工區域由上至下土層結構分別為素填土、雜填土、粉質黏土、殘積砂質黏性土、全風化花崗巖等，由此可以看出，該區域堅硬雜石較多，施工難度較大。

結構體系為鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒+環桁架，鋼結構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、三道環桁架及塔冠。塔樓東側附帶有2層裙房，裙房鋼結構構件為鋼梁，最大跨度27.6 m，分布于2F～3F，且2F 中間設置有夾層結構，截面形式均為H性鋼梁；塔樓結果分解圖如圖1所示。

1.2評估方法

1.2.1基于數值模擬的超高層建筑動力響應分析

1）模型構建

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

2）確定邊界條件

模型構建過程中，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，先創建第一個邊界條件A-1，分析步類型選擇位移與轉角，U1-U3以及UR1-UR3均設置為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）風荷載施加創建

構建平均風荷載時先在軟件中定義解析場，從X 軸正方向出發，風荷載呈現出指數分布規律。構建余弦脈動風荷載時，設置2 s 風速周期，頻率值則設定為0.5 Hz，圓頻率設置為3.14，風荷載帶的初始幅值設置為1開始時間設定為0，以此確保風荷載始終超過0，實現1幅值的余弦脈動風。

針對所研究的超高層建筑物構建數值模擬模型，并生成風荷載施加模型，具體如圖2所示。

4）單元選擇與網格劃分

為提升模型計算的效率和較為準確的計算結果，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構，該單元每個個體都具備8個節點，這類單元能夠降低單元內積分點數量，提升計算速度，防止計算結果出現剪力鎖閉的情況。鋼結構超高層建筑中存在較多鋼筋結構，針對這類結構，選取三維桁架單元（2節點），這類單元只能承受壓縮與拉伸荷載，能夠實現加強構件的模擬[17]。

1.2.2 風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，所以評估沿海強風環境下鋼結構超高層建造風侵情況時，需要重點分析玻璃幕墻的易損性[18]。

數值模擬軟件之中本身就攜帶黏性模塊，可以直接實現CFD 數值模擬，模擬過程中需要利用湍流能、入口風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實行計算。計算超高層建筑外風壓時參考《建筑結構荷載規范》，該規范能夠主要用于模擬建筑設計階段在風荷載影響下出現的易損傷性變化，本文在實際使用過程中需要適當修正該規范內的計算方法[19]。

1）風壓系數分析

從以往的研究經驗來看，風壓在建筑表面的分布并沒有保證一個統一的形式即使在同一個來流風場影響下仍舊會出現部分建筑位置風壓過強的情況，受到沿海強風影響，這些風壓過高的位置為出現較為顯著的破壞形態。由此可以看出，作用于建筑表面的風壓系數并不能夠體現出風荷載之下建筑結構出現損壞最嚴重，危險性最高的位置。這就體現出 CFD 數值模擬的優勢，利用這一模擬方法實現較為科學地分析最不良工況之下建筑結構所承受的力。

2）易損性分析

通過以上風壓系數模擬結果，可以獲得各種風向來流下超高層建筑幕墻上的風壓系數，將該系數重新代入數值模擬中，能夠獲得風速不同下超高層建筑幕墻上各構件的失效概率，并根據該結果分析出整個超高層建筑幕墻的易損性。

2 結果分析

2.1 超高層建筑動力響應分析結果

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

從圖3計算生成的有限元結果可以看出，確定強風荷載之下，超高層建筑迎風面呈現出的極限變形與極限應力，根據這一變化規律獲得超高層建筑頂部4個焦點的順風向與橫風向的時程位移變化規律，結果如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，順風向風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屬于背風面，西南與西北方向屬于迎風面；橫風向荷載下，4個方向的位移則相反，由此變化規律可以獲知，超高層建筑需要具備較為均勻對稱的剪力墻布置效果，才能具有抵抗強風導致的位移情況，所以超高層建筑需要在迎風面加建抵抗強側移的加強部件。

2.2 風荷載下超高層建筑幕墻易損性分析結果

使用數值模擬后可以確定超高層建筑各個方向的風壓系數，計算結果如圖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壓系數。由此可得出，本文所研究建筑多個風向角下都展現出負風壓，只有迎面位置會出現正風壓系數。

超高層建筑玻璃幕墻面板在風荷載下產生的易損性變化結果如表1所示。

由表1可知，風速達到30 m/s 時，超高層建筑玻璃幕墻面板的撓度開始出現失效臨界；當風速達到60 m/s 時，超高層建筑玻璃幕墻面板的應力開始出現失效臨界。受到沿海強風影響，超高層建筑玻璃幕墻面板的撓度發生超限現象，造成超高層建筑玻璃幕墻面板發生破裂現象，非承載力超出限值，導致超高層建筑玻璃幕墻面板出現嚴重風侵破壞。

不同風速影響下，超高層建筑玻璃幕墻梁柱結構的易損性分析結果如表2所示。

由表2可知，風速達到65 m/s 時，超高層建筑玻璃幕墻橫梁位置已經發生失效；而立柱結構則是風速為75 m/s 時發生失效。綜合來看，梁柱結構中，橫梁比立柱先失效。根據數值模擬的易損性分析結果可知，梁柱結構連接的螺栓位置率先發生抗剪失效，所以研究超高層建筑玻璃幕墻橫梁易損性情況時，需要優先關注螺栓連接的變化情況。

超高層建筑玻璃幕墻各個連接構件包括螺栓、焊縫以及鋁截面，這些構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件中，處于鋼連接件與螺栓鋼墊片之間的焊縫更容易出現損傷，一般風速為65 m/s 時開始出現失效，這種情況主要是由于實際施工時焊縫更容易出現誤差，焊縫周圍也易于出現力學缺陷。除此之外，鋁截面也較為容易發生損傷，所以超高層建筑鋼結構建設過程中，需要綜合考慮沿海強風的影響，重點關注構建部分的易損性，選擇更加耐用的構件設備。

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-玻璃幕墻在風荷載下的易損性情況主要來自于各個連接構建，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構焊接、防腐工藝以及防火等核心技術模塊進行工藝技術闡述。

3.1 施工技術方案

3.1.1 鋼結構焊接

本項目的焊接工藝如圖6所示。

3.1.2 焊接關鍵技術

1）預熱

規范定義厚度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熱。

（1）預熱范圍應沿焊縫中心向2側至少各100 mm 以上，并按板厚3倍以上范圍實施；（2）當預熱范圍均勻達到預定值后，恒溫5～15 min；（3）預熱溫度宜在焊件受熱面的背面測量，測量點應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，最低的預熱溫度符合要求。

2）層間溫度控制

施焊前，注意收集氣象預報資料。預計惡劣氣候即將到來，并無確切把握抵抗的，應放棄施焊；

焊接時，焊縫間的層間溫度應始終控制在100～120℃ ，每個焊接接頭應一次性焊完。

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域、焊縫表面、背部均達環境溫度為止。

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）防腐防水涂料應滿足良好的附著力，與防火涂料相容。防腐防水涂料應通過國內權威機構關于底漆干膜鋅含量以及耐老化測試的第3方檢測報告。（2）鋼結構除銹、防腐蝕、防水采用的涂料及防腐蝕防水應符合現行標準《建筑鋼結構防腐蝕技術規程》（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）的規定；（3）鋼構件所用鋼材表面原始銹蝕等級不應低于B 級，且需滿足現行標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB 8923）規定。埋入混凝土部分的鋼構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件表面均應進行噴射除銹，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，在要求時限內進行涂裝。現場補漆應用風動或電動工具除銹，達到St3級，表面粗糙度達到35～55μm。

4 結語

沿海環境中經常強風肆虐，8級以上大風天氣多發，嚴重危害當地超高層建筑的穩定性與安全性，因此研究沿海強風環境下鋼結構超高層建造風侵評估情況。對于整體超高層鋼結構，使用Fluent 數值模擬軟件構建模型，并在該模型中模擬出風荷載影響，確定不同風向下，建筑結構不同方向位置承受的風荷載以及風荷載影響下所發生的位移變化。使用 CFD 數值模擬方法，計算得出超高層建筑不同方向的風壓系數，并且針對超高層建筑重要組成部分-玻璃幕墻在風荷載下的易損性情況展開重點分析。經過詳細分析發現，超高層建筑背風面不易于發生風荷載影響導致的位移，迎風面則恰恰相反。超高層建筑玻璃幕墻受到風荷載影響，橫梁比立柱更容易出現損傷，幕墻結構上的焊縫也更容易出現損傷，這些位置都是建筑施工中尤其需要注意的部分。依據仿真結果結合場地實驗為復雜沿海環境中鋼結構超高層建造工藝提供了關鍵的技術指導和技術借鑒。

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