高層建筑在臺(tái)風(fēng)作用下的模擬研究進(jìn)展

陳子楊，王 璐，劉緒娟，李仁余

(廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院工程技術(shù)系，廣東 湛江 524094)

0 前 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，人口增多，為了滿足人們的生產(chǎn)生活需求，高層建筑結(jié)構(gòu)高度也在不斷提高。據(jù)收集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在目前我國(guó)己建成的高層建筑超過(guò)6 000棟，其中大部分的高層建筑分布在我國(guó)沿海地區(qū)。而沿海地區(qū)受到臺(tái)風(fēng)的影響也越來(lái)越明顯，根據(jù)中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)顯示，1949-2014年登陸我國(guó)的熱帶氣旋約為632個(gè)，尤其在廣東、海南、福建，浙江等沿海地區(qū)登岸數(shù)量繁多。例如2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”在登陸后先后穿過(guò)了廣東和廣西，使得300萬(wàn)人受其影響，5人遇難、1人失蹤，1 200多棟房屋倒塌或嚴(yán)重受損。

鑒于臺(tái)風(fēng)的巨大危害，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是解決在高強(qiáng)度風(fēng)荷載作用下的設(shè)計(jì)。在高層建筑設(shè)計(jì)中，對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的高層建筑(高度大于60 m)，基本風(fēng)壓的取值應(yīng)當(dāng)相應(yīng)提高，并估算建筑總體風(fēng)效應(yīng)取值(整體風(fēng)效應(yīng)和局部風(fēng)效應(yīng))，其中局部風(fēng)效應(yīng)是進(jìn)行覆面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。一般而言，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范可對(duì)建筑物的總體和局部風(fēng)效應(yīng)對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行估算，但對(duì)規(guī)范規(guī)定的復(fù)雜建筑形式則難以由理論分析得出，必須進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)才能測(cè)得相應(yīng)數(shù)據(jù)，其數(shù)值應(yīng)符合相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。

本文主要綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)高層建筑在臺(tái)風(fēng)條件下風(fēng)致荷載的研究，總結(jié)了三種研究方法的主要方向，并給出未來(lái)高層建筑防臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)的可能研究方向。

1 國(guó)內(nèi)高層建筑抗風(fēng)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于高層建筑在臺(tái)風(fēng)條件下的研究比較晚，于20世紀(jì)80年代開(kāi)始有學(xué)者對(duì)于高層建筑在風(fēng)荷載條件下的風(fēng)環(huán)境做出評(píng)價(jià)，但發(fā)表的研究成果很少。由于高層建筑的抗風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量是一個(gè)很大的系統(tǒng)工程，不僅需要人力、物力的大力支持，而且需要大量豐富的實(shí)地勘測(cè)經(jīng)驗(yàn)與經(jīng)費(fèi)的支撐。故此后十年我國(guó)在此方面研究還幾乎為空白，直到20世紀(jì)90年代后我國(guó)才陸續(xù)取得相關(guān)方面的研究。

李秋勝等[1]在臺(tái)風(fēng)“云娜”登入期間，于上海金茂大廈(高421 m, 88層)通過(guò)實(shí)地測(cè)量得到平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度、概率分布以及風(fēng)速譜等風(fēng)場(chǎng)特性等數(shù)據(jù)。進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的自然頻率和風(fēng)致響應(yīng)效應(yīng)采用有限元軟件模擬和高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，并且分析了在臺(tái)風(fēng)期間城市中心的高空風(fēng)場(chǎng)特性和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。除此之外，還通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M研究了金茂大廈在強(qiáng)風(fēng)條件下的周邊風(fēng)環(huán)境。與實(shí)測(cè)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比的結(jié)論表明：實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)中金茂大廈周邊風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)與臺(tái)風(fēng)中的預(yù)測(cè)值基本一致。

趙欣等[2]于2010年對(duì)上海中心大廈進(jìn)行了風(fēng)荷載試驗(yàn)研究，運(yùn)用了風(fēng)洞試驗(yàn)的方式。結(jié)果表明，維氏風(fēng)場(chǎng)模型得到的梯度風(fēng)速大于喬治奧模型得到的梯度風(fēng)速；風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)大于頻繁地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但小于基本地震強(qiáng)度作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，綜合位移角滿足1/500極限要求。

地王大廈(高324.8 m，69層)，此建筑位于臺(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū)的深圳市，故一直以來(lái)都在承受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用的影響，建成之初眾多學(xué)者對(duì)其關(guān)于風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)致響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行了研究。李正農(nóng)等[3-7]先后對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下的地王大廈進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)包括莎莉(1996)、約克(1991)、伊布都(2003)、杜鵑(2003)、圓規(guī)(2004)、百麗嘉(2005)等。風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得了各項(xiàng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)阻尼比等動(dòng)力特性，并對(duì)比了建筑在各臺(tái)風(fēng)中測(cè)得的風(fēng)特性數(shù)據(jù)。此外，還對(duì)比了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與風(fēng)洞試驗(yàn)和三維有限元分析的結(jié)果。

2 國(guó)外高層建筑抗風(fēng)研究現(xiàn)狀

相比國(guó)內(nèi)的高層建筑風(fēng)環(huán)境研究，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其已有多達(dá)幾十年的研究過(guò)程，并且已經(jīng)擁有了相當(dāng)多的成果。其通常對(duì)實(shí)測(cè)高層建筑結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)條件下所得到的風(fēng)致響應(yīng)數(shù)據(jù)與有限元分析法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得出結(jié)論。

Kijewski-Correa等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法對(duì)芝加哥市的三棟高層建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量，對(duì)實(shí)測(cè)加速度進(jìn)行模態(tài)識(shí)別分析，根據(jù)所獲得的固有頻率對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行修改，進(jìn)而與風(fēng)洞試驗(yàn)所實(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

Isyumo等[9]介紹了在城市中心的Commerce Court plaza風(fēng)壓及風(fēng)致加速度響應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果，并建立縮尺模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比比較。結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果很吻合。

Kanda等[10]回顧了日本近50年來(lái)關(guān)于高層建筑的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，對(duì)16個(gè)高層建筑風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目所得到的的研究成果進(jìn)行了總結(jié)。雖然測(cè)量建筑的各項(xiàng)條件不盡相同，但都能得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到高層建筑表面的風(fēng)壓特征。盡管得到了大量數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 但是還未得到完善的分析結(jié)果，大部分的文獻(xiàn)資料還需進(jìn)一步的完善其實(shí)測(cè)研究?jī)?nèi)容。

Powell等[11]在1983年暴風(fēng)Alicia進(jìn)入休斯敦時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)記錄了市中心最高的建筑聯(lián)合銀行廣場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)加速度，其持續(xù)時(shí)間約90 min，并根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)所預(yù)測(cè)的風(fēng)速和風(fēng)向，其對(duì)建筑所產(chǎn)生的加速度進(jìn)行對(duì)比分析，為測(cè)量和預(yù)測(cè)加速度提供了有價(jià)值的研究案例。

Miyashita Koichi等[12]為了驗(yàn)證主動(dòng)振動(dòng)控制裝置的振動(dòng)控制效果，對(duì)日本濱松ACT大廈在強(qiáng)季節(jié)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)作用下的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)設(shè)備的風(fēng)振控制效果進(jìn)行了報(bào)道。

近20年來(lái)，在高層建筑風(fēng)荷載研究中最常用的三種方法是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法。其中數(shù)值模擬技術(shù)快速發(fā)展，如CFD模擬，尤其是LES大渦模擬技術(shù)的發(fā)展，使得計(jì)算結(jié)果也越來(lái)越準(zhǔn)確，很大程度上彌補(bǔ)了風(fēng)洞試驗(yàn)的不足之處。

Watakabe等[13]分別采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD模擬方法對(duì)一塔狀結(jié)構(gòu)建筑的風(fēng)壓進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的平均風(fēng)壓系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果很接近，運(yùn)用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬其計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果均吻合。

Dalgliesh等[14]認(rèn)為連接現(xiàn)實(shí)世界與邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)、CFD模擬之間的紐帶是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是相輔相成，密不可分的關(guān)系，邊界層風(fēng)洞對(duì)邊界風(fēng)場(chǎng)和大氣湍流的模擬以及其風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果必須得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證才能得以繼續(xù)發(fā)展。而正是基于邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)支持，在一些風(fēng)工程問(wèn)題的研究中計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)被認(rèn)為非常有用。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)

1)在研究方法方面，主要由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬組成。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所需要的時(shí)間點(diǎn)與風(fēng)環(huán)境條件都較為特殊，故大多數(shù)實(shí)驗(yàn)使用軟件數(shù)值的模擬和對(duì)比分析其影響。而風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)需要建立其實(shí)驗(yàn)裝置，由于其成本高昂并且程序復(fù)雜，所以隨著科技技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法已然成為高層建筑風(fēng)環(huán)境最重要的研究方法之一。

2)研究?jī)?nèi)容方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高層建筑在強(qiáng)風(fēng)條件下的不同因素有所研究，主要研究元素有建筑高度、建筑高寬比、建筑建造方式等。最終通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)并取得數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

3)高層建筑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的不足在于：我國(guó)在關(guān)于高層建筑在臺(tái)風(fēng)作用條件下進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)的文獻(xiàn)很少。

4)在建筑群的多棟建筑物頂部進(jìn)行多點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究案例也較少。由于對(duì)高層建筑的風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有很大難度，為了防止對(duì)高層建筑外墻的損壞，則國(guó)內(nèi)外各風(fēng)壓實(shí)測(cè)研究所設(shè)立的風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)數(shù)量就較少，然而為了獲得高層建筑表面各局部區(qū)域的風(fēng)壓特征，在建筑表面進(jìn)行多點(diǎn)的風(fēng)壓實(shí)測(cè)很有必要。