復(fù)雜體型高層建筑結(jié)構(gòu)等效靜風(fēng)荷載研究

董 欣

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

某高層建筑位于海南省三亞市，建筑高度189.8 m，距離海邊約130 m，其建筑效果如圖1所示。該建筑的平面尺寸沿高度逐漸減小，底部樓層平面尺寸為144.4 m×73.7 m，頂部樓層平面尺寸為34.2 m ×19.2 m。結(jié)構(gòu)高度 189.8 m，典型結(jié)構(gòu)層層高3.6 m。結(jié)構(gòu)坐標(biāo)軸定義如圖2所示。

2 規(guī)范風(fēng)荷載

2.1 基本參數(shù)

圖1 建筑效果圖

圖2 典型建筑平面圖

根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，評估該高層建筑周邊地貌為A類和B類。三亞市10年、50年和100年一遇的基本風(fēng)壓值分別為 0.5 kN/m2，0.85 kN/m2和 1.05 kN/m2。結(jié)構(gòu)阻尼比取為 0.05。

2.2 順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載

順風(fēng)向和橫風(fēng)向等效風(fēng)荷載分別按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中的8.1.1和H.2.2進行計算，如式(1)和式(2)所示。

其中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;βz為風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0為基本風(fēng)壓，按100年重現(xiàn)期取為1.05 kN/m2;wLk為橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;g為峰值因子，取2.5;C'L為橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù);RL為橫風(fēng)向共振因子。

當(dāng)風(fēng)向沿結(jié)構(gòu)X和Y方向時，按式(1)計算所得結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)荷載如圖3a)所示?？梢?，由于結(jié)構(gòu)底部1層～4層迎風(fēng)面積較大，故該處順風(fēng)向風(fēng)荷載較大。從第5層開始，順風(fēng)向風(fēng)荷載隨著高度的增加而逐漸增大。在上部1/3高度范圍內(nèi)，順風(fēng)向風(fēng)荷載逐漸出現(xiàn)減小趨勢。根據(jù)式(2)計算所得結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向等效風(fēng)荷載如圖3b)所示。同樣地，從第5層開始，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)荷載隨著高度的增加而增大;在上部1/3高度范圍內(nèi)，橫風(fēng)向風(fēng)荷載逐漸減?。?，2］。

圖3 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載（100年重現(xiàn)期，阻尼比5%）

3 風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載

本文通過高頻天平測力試驗測量結(jié)構(gòu)基底剪力和基底彎矩，進而計算各層的等效靜風(fēng)荷載［3］。試驗?zāi)Ｐ蛶缀慰s尺比為1∶300。參考點風(fēng)速分別為6.7 m/s(A類)和7.0 m/s(B類)。試驗風(fēng)速縮尺比分別為1∶10.43(A類)和1∶9.75(B類)。時間縮尺比分別為1∶28.77(A類)和1∶30.76(B 類)。圖4給出了 A 類地貌來流的平均風(fēng)速和紊流度剖面。

天平—模型的自由振動頻率為32.5 Hz，大于100年重現(xiàn)期風(fēng)速下?lián)Q算所得實際結(jié)構(gòu)基階自振頻率的2倍。試驗風(fēng)向角為0°～360°，間隔為10°，即共36個風(fēng)向角。在結(jié)構(gòu)等效靜風(fēng)荷載的計算過程中，考慮了來流隨不同風(fēng)向的折減。模型基底氣動力的采樣頻率為1 000 Hz，采樣時長為60 s，樣本數(shù)據(jù)長度為60 000個點。50年和100年重現(xiàn)期下，結(jié)構(gòu)基底剪力和基底彎矩如表1所示［4］。

圖4 A類地貌來流平均風(fēng)速和紊流度剖面

表1 天平測力試驗結(jié)果(阻尼比5%)

4 規(guī)范與風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載對比

4.1 等效靜風(fēng)荷載

圖5對比了X和Y風(fēng)向下，規(guī)范計算與風(fēng)洞試驗所得結(jié)構(gòu)各層等效靜風(fēng)荷載。按規(guī)范計算時，順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載的組合工況取為0.6FDk+FLk。由圖5可見，X風(fēng)向下，規(guī)范風(fēng)荷載與試驗風(fēng)荷載之間的差異大于Y風(fēng)向下的工況。

圖5 規(guī)范風(fēng)荷載和試驗風(fēng)荷載對比（100年重現(xiàn)期，阻尼比5%）

4.2 基底反力

將規(guī)范計算與風(fēng)洞試驗所得結(jié)構(gòu)基底剪力和基底彎矩進行對比，如表2所示?？梢姡瑑煞N方法給出的基底剪力QY和基底彎矩MX差異較小，分別為14.5%和1.7%;基底剪力QX和基底彎矩MY的差異較大，分別為38.5%和45.9%。這是因為當(dāng)建筑為短邊迎風(fēng)(X風(fēng)向)時，根據(jù)JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程計算所得風(fēng)荷載體型系數(shù)大于試驗值，而長邊迎風(fēng)(Y風(fēng)向)時，規(guī)范給出的風(fēng)荷載體型系數(shù)與試驗值相當(dāng)。此外，短邊迎風(fēng)(X風(fēng)向)時，建筑兩側(cè)面尺寸較大，來流將在側(cè)面分離、再附形成旋渦，此時側(cè)面出現(xiàn)劇烈的風(fēng)壓變化梯度，這種劇烈的風(fēng)壓變化梯度將影響與之相關(guān)性較強的迎風(fēng)面風(fēng)荷載，而這種影響未能在規(guī)范計算值中得以體現(xiàn)，這也造成了規(guī)范計算與風(fēng)洞試驗所得QX和MY的差異較大。

表2 規(guī)范計算與風(fēng)洞試驗所得基底反力對比(100年重現(xiàn)期，阻尼比5%)

5 結(jié)語

當(dāng)建筑為短邊迎風(fēng)時，塔樓順風(fēng)向及橫風(fēng)向風(fēng)荷載均小于長邊迎風(fēng)的工況，這就是說，設(shè)計方在最初方案設(shè)計時，可將結(jié)構(gòu)短邊作為項目所在地主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)邊。兩種風(fēng)向下，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載首先隨著建筑高度的增加而增大，在超過2/3高度后，塔樓風(fēng)荷載呈現(xiàn)減小的趨勢。這就是說采用沿高度逐漸縮進的體型，可減小建筑頂部風(fēng)荷載，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計較為有利。兩種風(fēng)向下，塔樓順風(fēng)向及橫風(fēng)向風(fēng)荷載的數(shù)值相當(dāng)，故在計算各樓層總風(fēng)荷載時，宜采用0.6倍順風(fēng)向風(fēng)荷載與橫風(fēng)向風(fēng)荷載的組合。

當(dāng)建筑為短邊迎風(fēng)時，規(guī)范計算與風(fēng)洞試驗所得結(jié)構(gòu)基底剪力和基底彎矩的差異較大。一方面，這是由于按規(guī)范計算所得風(fēng)荷載體型系數(shù)大于試驗值。另一方面，旋渦作用下，較寬的建筑側(cè)面使得風(fēng)壓變化梯度顯著，這將影響與之相關(guān)性較強的迎風(fēng)面風(fēng)荷載，而這種影響未能在規(guī)范計算值中得以體現(xiàn)。

［1］顧 明，葉 豐，張建國.典型超高層建筑風(fēng)荷載幅值特性研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2006，27(1):24-29.

［2］黃本才，汪從軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，2008.

［3］舒新玲，周 岱，王泳芳.風(fēng)荷載測試與模擬技術(shù)的回顧及展望［J］.振動與沖擊，2002，21(3):6-10.

［4］俞載道，曹國敖.隨機振動理論及其應(yīng)用［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1988.