臺風作用下深圳新世界中心風致響應實測與風洞試驗研究

摘要： 依據近10年來監測到的5次強臺風過境期間深圳新世界中心的實測響應數據，分析了該建筑結構在臺風影響下的響應特點和模態參數變化特性，并將實測結果與粗糙度指數α分別為0.22，0.30和0.35地形下的風洞試驗結果進行了比較。結果表明：歷次臺風影響下實測建筑達到最大振幅附近時均表現為明顯的橫風向振動，且最大振動方向均為南北方向；實測最大峰值加速度為17.28 cm/s²，滿足舒適度要求；臺風過境時，建筑結構模態頻率表現出明顯的振幅依賴性和時變特性，采用“時變”方式描述更加合理，幾次臺風過程的結構模態頻率均是隨時間先減小，在最大風速時達到最小值，然后增大并恢復到常態值；結構模態阻尼比在中低振幅區域分布較為離散，隨著振幅的增加，阻尼比有所增大，順風向和橫風向的阻尼比最大分別為1.9%和1.2%；實測結果更接近于α為0.35地貌的風洞試驗結果，顯示C類地貌的風洞試驗結果偏于保守。

關鍵詞： 超高層建筑；"現場實測；"風洞試驗；"參數識別；"地貌粗糙度

中圖分類號： TU398⁺.9 """文獻標志碼： A """文章編號： 1004-4523（2024）08-1359-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2024.08.010

引 言

隨著現代建筑結構高度記錄的不斷刷新，高層結構的實測研究也越來越受到重視。從20世紀80年代初至今，實時監測系統逐步完善，國內外學者開展了大量的針對高層建筑的健康監測工作。He等^［1］對深圳平安金融中心（600 m）在臺風“海馬”通過期間的結構響應進行了現場實測，分析識別得到的固有頻率隨響應幅值的增大而減小，而阻尼比隨響應幅值的增大有波動；Xie等^［2］對超強臺風“山竹”期間廣州西塔（532 m）的結構動力特性研究分析后同樣發現，模態頻率具有明顯的振幅依賴性但阻尼比與振幅無明顯的相關性；Huang等^［3］基于2011年至2016年上海環球金融中心（SWFC，492 m）頂層的加速度響應實測數據，分析了鄰近上海中心大廈不同施工階段對SWFC結構動力特性的影響，研究得出隨著上海中心大廈施工高度以及施工振幅的增加，SWFC前兩階模態頻率緩慢下降，而模態阻尼比有所增加，作者認為是由于土體與結構的相互作用，相鄰建筑會在不同程度上影響主體建筑的動力特性；Pan等^［4］采用快速貝葉斯FFT方法對深圳卓越世紀中心（ZCC，280 m）在4次臺風和微風條件下風致振動實測數據進行分析，結果表明阻尼比與振動幅值沒有明顯的非線性關系；Zhang等^［5］在超強臺風“山竹”期間對深圳地區4座超高層建筑結構的模態參數進行分析，識別結果顯示在低幅值區域模態頻率存在多值問題，采用“時變”描述可以較好地體現模態參數的變化特征。相同臺風期間，Zhou等^［6］對一棟392.5 m的超高層建筑結構實測分析，結果進一步表明“時變”方式比“幅值相關”更適合描述臺風期間高層建筑結構模態參數的變化；Wan等^［7］在臺風“圓規”期間對深圳平安金融中心的現場實測研究中發現，隨著時間的推移，模態頻率先減小后增大，阻尼比呈現先增大后減小的趨勢。

現場實測是驗證風洞試驗結果準確性的最可靠手段。謝壯寧等^［8］在4次不同臺風期間對高度441.8 m的深圳京基100進行實測研究，并與風洞試驗結果進行對比，結果顯示結構橫風向實測響應和風洞試驗計算峰值加速度響應相差4.2%，說明了風洞試驗的可靠性；Li等^［9］對367 m的香港某超高層建筑結構的實測研究與風洞試驗的對比中指出風洞試驗結果大于實測結果，偏于保守；Liu等^［10?11］將超強臺風“山竹”過境期間ZCC風致加速度和風洞試驗對比，發現風洞試驗結果偏于保守，ZCC項目通過使用平安北塔頂部600 m高處的風速儀記錄的風速數據，推算出較低的來流風速作為風場參考。這種方法使得風洞試驗結果與實際測量結果更為接近^［10］。這和他所研究的同樣風況下位于深圳灣的另一棟超高層建筑結構的實測結果和風洞試驗結果吻合良好的結論^［11］形成鮮明對比，顯示ZCC風洞試驗所選用的粗糙度是偏于保守的。北京氣象塔建塔選址應該是偏于B類地貌，在經歷近20年城市化發展之后，Li等^［12］通過沿塔體不同高度的多個風速儀記錄得到的風速分析得到周邊地貌實際的粗糙度指數為0.32，已經超過GB 50009—2012規定的D類地貌粗糙度指數；全涌等^［13］在風洞中模擬了同濟大學橋梁館WNW方向8 km長、1.8 km寬的矩形區域的真實地貌，結果發現其地面粗糙度指數達到0.50～0.75。以上說明風洞試驗中按規范模擬的地貌粗糙度可能存在與實際發展中地貌粗糙度不符合的問題，需要進一步研究。

本文基于近10年來5次主要臺風期間深圳新世界中心（SNWC）的實測加速度響應數據，分析了建筑結構的響應特點，并從振幅和時間兩個維度分析了建筑結構模態參數的變化規律；最后，將臺風“山竹”期間實測建筑結構的最大峰值加速度與三種地貌下的風洞試驗結果進行了對比，分析不同地貌粗糙度對結構風致響應的影響。

1 臺風簡介

近10年對深圳地區影響較大的臺風共有5次，分別為臺風“納沙”“韋森特”“天鴿”“帕卡”和“山竹”。圖1為這5次臺風的移動路徑，除臺風“納沙”外，其余4次臺風的登陸地點均離深圳較近。

表1總結了這5次臺風的基本信息，包括登陸時間、登陸地點及最大風速等。臺風均在登陸前達到最大風速，而臺風“山竹”的最大風速明顯高于其他臺風，其對實測建筑結構的影響是本文關注的重點，因此這里對臺風“山竹”過境時的風況進行詳細介紹。

超強臺風“山竹”期間平安北塔（PAFC）站點實測最大風速僅為33.7 m/s，在近600 m高空下這個風速值對于該強度級別的臺風而言過小，說明PAFC站點鏤空層設備箱的遮擋作用對風速測量有著較大的影響，因此本文選取內伶仃島氣象站實測風速進行研究。圖2給出了臺風“山竹”過境時，內伶仃島氣象站（NLDI）監測到的10 min平均風速風向變化，圖中0時對應2018?9?16 0：00：00。由圖2可見，NLDI站點觀測得到的最大10 min平均風速為40.7 m/s，對應風向角為52°，次大平均風速為39.1 m/s，對應風向角為84°。Duan等^［14］采用風洞試驗和CFD數值模擬方法研究了NLDI的局部風環境特征，發現在30°～90°風向下海島效應對觀測風速有加速效應，并對此進行了修正，修正后的84°風向角對應風速為34.9 m/s，對應B類地貌10 m高度處的速壓為0.526 kPa。

2 實測響應

監測得到了5次臺風過境時SNWC頂部風致加速度響應時程數據，表2給出了其基本信息。臺風“納沙”移動路徑離深圳較遠，故實測建筑結構的風致加速度響應較小，而其余4次臺風影響下實測建筑結構頂部最大峰值加速度均超過了4 cm/s²，特別在“山竹”作用下達到了17.28 cm/s²。這些近10年5次強臺風過境時的完整實測數據十分寶貴，建筑結構實測響應未超過高層建筑混凝土結構技術規程^［16］規定的限值，且由于臺風山竹的風壓為0.526 kPa，已超過規程^［16］規定的深圳地區10年重現期基本風壓，故可以判定該建筑結構滿足舒適度要求。

圖4給出了在5次臺風作用下該建筑結構頂部達到最大振幅附近2 h加速度時程曲線。建筑結構在5次臺風作用下均多次達到較大振幅且持續時間較長。最大峰值加速度與表1中各臺風對應站點的實測最大風速出現的時間基本一致。此外，在最大振幅時段，5次臺風作用下的y方向峰值加速度均顯著大于x方向，意味著該建筑結構的主振動方向為南北方向。圖5進一步給出了臺風“山竹”影響下建筑結構達到最大振幅附近的2 h加速度跡線，對應時段為2018?09?16 13：30：14～15：30：14，其余4個臺風相應的跡線圖與之類似，這里不再重復給出，可以看出建筑結構達到最大振幅時主要沿南北方向振動。

3 參數識別結果

對實測加速度時程信號進行模態參數識別可獲取強風下被測建筑結構的動力特性。圖6為新世界中心大廈在臺風“山竹”影響下達到最大加速度附近2 h加速度功率譜密度。每個基階模態都僅有一個峰值，表明建筑結構的前兩階模態在高風速時段并未出現耦合。此外，在對數坐標下，盡管x和y方向加速度高階頻率峰值均比較明顯，但是與相應方向基階頻率（f₁和f₂）峰值相比差距均在兩個數量級以上，這表明該超高層建筑在臺風侵襲時的響應由基階模態主導，而高階模態的影響基本可以忽略。

首先將實測得到的加速度時程數據按照時間順序分成2 h/段，經帶通濾波器濾波處理后，出于謹慎考慮，仍采用SOBI方法將每段時程信號解耦得到獨立的模態時程信號，最后使用改進的貝葉斯譜密度法（MBSDA）^［17］對每段模態信號進行識別獲得結構的前兩階模態頻率和阻尼比，分別對應時段峰值加速度和時段中心時刻得到模態頻率和阻尼比隨振幅和時間的變化。

3.1 模態頻率

圖7給出了5次臺風作用下實測建筑結構前兩階模態頻率隨峰值加速度的變化。從圖7中可以看出，結構前兩階模態頻率隨峰值加速度的增大整體呈現下降的趨勢，在最大峰值加速度處達到最小值，呈現明顯的振幅依賴性。另外，隨著峰值加速度的增加，結構前兩階模態頻率的下降趨勢會變緩。

需要注意的是，結構模態頻率在低振幅區域存在明顯的多值問題，即同一個峰值加速度對應兩個或多個不同的模態頻率值。這可能和同一振幅下不同頻率值所對應時間段的風速風向不同有關，風速風向變化會影響建筑結構的氣動剛度，進而影響結構模態參數。采用“頻率?時間”模式描述模態頻率的變化則顯示較好的規律性，如圖8所示。由圖8可見，不同臺風期間，建筑結構前兩階模態頻率隨著時間的推移均逐漸減小，當達到最大風速時段時，模態頻率達到最小值，這也是建筑結構達到最大振幅時段所對應的模態頻率，隨后隨著風速逐漸減弱結構前兩階模態頻率開始緩慢回升。可以看出，模態頻率回升速度明顯小于最大風速前的下降速度。最大風速前后模態頻率變化率的差異是模態頻率隨振幅變化出現多值性問題的原因，較小頻率值均出現在最大風速之后風速逐漸減小的時間段。經持續觀測，結構模態頻率在臺風影響過后均可以恢復至初始值，表明結構沒有產生損傷。

表3給出了不同臺風期間實測建筑模態頻率的變化率（（最大值-最小值）/最大值）。由于“韋森特”只有一個數據時間段，故不計入統計。建筑第一階模態頻率（y方向）的變化率在不同臺風期間均小于第二階模態（x方向）。且建筑在強度最大的“山竹”期間的頻率變化率明顯大于其他3個臺風。

3.2 模態阻尼比

圖9給出了實測建筑結構模態阻尼比隨最大峰值加速度的變化，其中，x方向阻尼比變化范圍為0.57%～1.93%，y方向阻尼比變化范圍為0.42%～1.23%。從整體上看，阻尼比對振動加速度大小存在一定的依賴性，但其分布較為離散，規律性并不強，且這種離散性在中低振幅區域（0～6 cm/s²）更加明顯；隨著振幅（gt;6 cm/s²）的增加，x方向阻尼比逐漸增大，在建筑結構達到最大峰值加速度時達到最大值，y方向阻尼比呈現先增大后穩定的趨勢。相較于弱振下的阻尼比，實測建筑結構在強振下的阻尼比有所增大，但總體上隨振幅波動較大。

對比文獻［2，4?7］中關于SNWC，ZCC，PAFC和廣州西塔等7棟超高層建筑結構在超強臺風作用下結構動力參數的研究，均可發現超高層建筑結構在臺風期間模態頻率具有明顯的振幅相關性，但采用其時變方式所顯示的規律性更好；模態阻尼比與振幅相關性相對較弱，特別是在低振幅區域分布更為離散。

4 實測和風洞試驗的對比驗證

利用臺風“山竹”過境期間測到SNWC最大振動時段的加速度時程信號識別得到的結構動力特性和最大風速風向數據，根據前期C類地貌下的風洞試驗數據進行重分析，顯示實測值明顯小于風洞試驗的結果。參考文獻［10］的結果和以上分析，本文重新模擬了3種不同類型的風場對SNWC重新進行了風洞試驗并進行相應的分析和對比。

4.1 風場類型、模擬結果及試驗模型

風洞試驗的幾何縮尺比為1∶350，模型高度為0.68 m。通過粗糙元、尖劈和擋板等被動裝置模擬共模擬了《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012規定的C類、D類地貌風場以及一種更加粗糙的風場（本文稱之為E類風場），這3種風場的平均風速剖面指數分別為0.22，0.30和0.35，相應的湍流積分尺度分別為270，269和300 m，其中0.35的平均風速剖面是本文自定義的，稱之為E類。圖10為這3種風場的模擬結果和規范建議值的對比。圖11為風洞試驗照片與參考坐標系。

4.2 試驗數據預處理及響應計算方法

本文試驗采用高頻底座測力天平（HFFB）方法，由于天平?模型系統（BMS）的共振抖振效應會導致氣動信號發生產生畸變，采用文獻［18］的方法對測得的畸變信號進行修正。首先對氣動荷載進行小波包分解，得到各頻段的小波包系數并建立小波包系數與功率譜密度估計的關系；然后，通過單自由度信號修正方法對第一個畸變頻率段的共振峰值進行修正并擬合，得到氣動力參考曲線，進一步根據單自由度修正后的信號功率譜與參考曲線的比值調整待修正頻段對應的小波包系數；最后通過小波包重構得到修正后的氣動荷載時程信號。

圖12給出了90°風向角結構順風向及橫風向對應的修正前后基底彎矩功率譜的對比。由圖12可見，修正后由于BMS共振抖振所引起的多峰信號被完全消除，這為后續風致響應計算的準確性提供了保證。

4.3 風振重分析和實測結果的對比

根據不同地貌下的風洞試驗數據，結合以上計算方法和計算參數，得到該建筑結構測試設備安裝高度處的峰值加速度在不同風向角的結果，并與臺風“山竹”期間建筑結構實測最大峰值加速度進行比較，結果如圖13所示?？紤]到人體的感覺是由兩個方向合成的總加速度，故圖中加速度采用總加速度方式。由圖13可見：由于結構形狀沿y軸對稱，三類地貌試驗中結構峰值加速度響應在90°風向角和270°風向角下均較為接近；建筑正南正北均有一棟超高層建筑阻擋來流風向，但總體上看，加速度在180°風向角下大于0°風向角，這是因為一方面建筑北立面迎風面較南立面窄，且兩側為斜面，北風風向所產生的渦激力要弱于南風風向。

由于周邊建筑群所產生的復雜干擾效應、不同風場平均風速和湍流度的差異，導致在風向不在90°（東風）附近的其他風向的不同風場下（尤其是C，D類），結構峰值加速度的規律性看起來都較差，如在大部分斜風的情況下，D類地貌的加速度明顯高于C類地貌情況，這或許和模擬的D類風場的湍流度明顯高于規范值有關（見圖10（b）），而在210°～220°和10°～30°風向角C類地貌的加速度顯著比另外兩種風場的大，這主要是和上游建筑（對應以上兩組風向的上游干擾建筑分別為深交所、江蘇大廈）所產生的干擾效應有關，對于湍流度相對較低的C類地貌風場，上游建筑所產生的干擾效應要明顯高于湍流度更大的其他地貌類型，相應其加速度響應也更大，這符合群體超高層建筑干擾效應的一般規律^［20］。

在本文關注的東風（即90°）風向，SNWC的試驗轉盤區域內的上游建筑都比較矮、不存在能起到明顯干擾影響的建筑（見圖11（a）），因而試驗得到的C，D，E三種地貌的加速度分別為23.1，21.3和16.8 cm/s²，相對于實測結果的誤差（定義為：|實測值-試驗值|/實測值）分別為33.5%，23.3%和3.1%；由此可見E類地貌的結果最接近實測的結果。

由以上計算分析結果可見，只有當上游地貌的粗糙度指數達到0.35時，其結果才較好地接近實測值，這說明對于該建筑以東的密集建筑群所形成的真實地貌，其真實的粗糙度指數可能會遠大于C類地貌（0.22），若按照規范中C類地貌對該地貌進行處理，計算結果將偏于保守?？紤]到SNWC位于深圳市中心，來流方向所經地帶高樓林立，建筑十分密集，如圖14所示。

參考文獻［12］對北京氣象塔的數據分析結果，由于SNWC位于深圳市中心區，所關注SNWC東面上游建筑程度會比北京氣象塔周邊的建筑更高和密集，因此其地貌粗糙度會更高，以上推測的SNWC東面上游地貌的平均風速剖面指數為0.35應該是合理的，并且這個結果還遠未達到全涌等^［13］采用風洞試驗研究得到的大城市中心地帶地貌的地面粗糙度指數的結果（0.50～0.75）。在現有規范的框架內，對于深圳市區區域的地貌粗糙度可按D類選取。

5 結論和建議

本文基于近10年來數次臺風作用下深圳新世界中心的實測響應數據，分析了該建筑結構模態參數的變化規律，對比了風洞試驗和現場實測結果，得到以下結論：

（1）建筑結構在5次臺風作用下均表現出明顯的橫風效應，且最大振動方向均為南北方向，其最大峰值加速度為17.28 cm/s²，滿足風振舒適度要求。

（2）建筑結構模態頻率具有明顯的振幅依賴性，但由于該描述方式下存在的多值性問題，采用“時變特征”的描述方式較優；超強臺風期間，結構模態頻率隨時間先減小后增大，在最大風速附近達到最小值，最大風速以后以較慢的上升速度恢復至初始值。

（3）建筑結構模態阻尼比在中低振幅區域分布較為離散，隨著振幅的增加，阻尼比有所增大，最大順風向和橫風向的阻尼比分別為1.9%和1.2%。

（4）地貌粗糙度指數為0.35的風洞試驗結果與實測值吻合較好，該建筑以東數千米的密集建筑群地貌粗糙度指數遠大于C類地貌的0.22。C類地貌下的試驗結果偏于保守。

（5）在現有規范的框架內，對于深圳市區區域來流風向的地貌粗糙度根據具體情況可按D類選取。

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Field measurements and wind tunnel experimental investigations of typhoon effects on Shenzhen New World Center

LIN Xu-sheng ZHANG Le-le XIE Zhuang-ning WANG Fei SHI Bi-qing

（1.State Key Laboratory of Subtropical Building and Urban Science，"South China University of Technology，"Guangzhou 510641，"China；"2.South China Company，"China Construction Second Engineering Bureau Co. ，"Ltd.，"Shenzhen 518048，"China；"3.Zhuhai Huafa Properties Co.，"Ltd.，"Zhuhai 519020，"China）

Abstract： In this paper，"the characteristics of structural response and modal parameters of Shenzhen New World Center （height 238 m）"are analyzed based on the field data during five typhoons in the last 10 years. The field results are further compared with the wind tunnel test results when the roughness exponent α"is 0.22，"0.30 and 0.35 respectively. The field results show that the building exhibits obvious crosswind vibration when reaching its maximum vibration amplitude，"and the corresponding vibration is in the north-south direction. The measured maximum acceleration is 17.28 cm/s²，"which meets the requirement of residential comfort. During the five typhoons，"the modal frequencies are shown to be evidently amplitude dependent and time-varying，"and it is more reasonable to describe the variation of modal frequency with time than the variation with amplitude. The modal frequency first decreases with time and reaches its minimum at the peak wind speed，"and then returns to the normal value. The modal damping ratios tend to be scattered in the middle-"and low-amplitude region，"and rise slightly with increase in the amplitude. The maximum damping ratios in the alongwind and crosswind directions are 1.9% and 1.2%，"respectively. The wind tunnel test results for α=0.35 are in good agreement with the field measured results，"indicating that the wind tunnel test results for terrain category C are conservative.

Key words： super-tall building；field measurement；wind tunnel test；parameter identification；ground roughness

作者簡介： 林旭盛（1997―），男，碩士研究生。E-mail：254634193@qq.com。

通訊作者： 謝壯寧（1963―），男，博士，教授。E-mail：znxie@scut.edu.cn。