降低超高層建筑橫風(fēng)向響應(yīng)氣動(dòng)措施研究進(jìn)展

顧明，張正維，2，全涌

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.南通大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通226019）

輕質(zhì)高強(qiáng)材料的廣泛應(yīng)用，使得超高層建筑向著高柔、低阻尼方向發(fā)展，對(duì)風(fēng)的作用越來越敏感，導(dǎo)致抗風(fēng)設(shè)計(jì)成為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素.研究表明，隨著建筑高度的提高，超高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)將逐漸超過順風(fēng)向響應(yīng)，成為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注問題，特別是強(qiáng)風(fēng)作用下的舒適度問題越來越突出.傳統(tǒng)的通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身剛度與強(qiáng)度的方法越來越難以滿足設(shè)計(jì)的要求.因此，風(fēng)工程研究的一個(gè)重要方向是：研究強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)控制的空氣動(dòng)力學(xué)措施（包括被動(dòng)、半主動(dòng)和主動(dòng)控制）的策略和方法，掌握氣動(dòng)措施控制結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的規(guī)律并解決實(shí)際應(yīng)用問題［1］.

目前超高層建筑抗風(fēng)措施主要有氣動(dòng)措施、結(jié)構(gòu)措施與機(jī)械措施三種方法.氣動(dòng)措施可進(jìn)一步分為被動(dòng)控制，半主動(dòng)控制與主動(dòng)控制.半主動(dòng)控制與主動(dòng)控制需要外界能量，通過改變氣動(dòng)措施的狀態(tài)或向風(fēng)場(chǎng)中吹氣來改善結(jié)構(gòu)周圍的流場(chǎng)，特別是控制流動(dòng)分離［2－3］，從而減小流體作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力.但這類措施在近期尚很難用于工程實(shí)際，所以本文不予詳細(xì)介紹.本文所指的氣動(dòng)措施主要是被動(dòng)氣動(dòng)控制，即通過改變建筑的外形以減小建筑的風(fēng)荷載與風(fēng)致效應(yīng).這類措施可以與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合.比如臺(tái)北101大廈的建筑截面進(jìn)行了凹角處理，這使得強(qiáng)風(fēng)作用下建筑的基底彎矩響應(yīng)減小了25%［4］.氣動(dòng)措施用于建筑的方案設(shè)計(jì)階段，基于風(fēng)對(duì)超高層建筑的作用機(jī)理，能從根源上減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載與風(fēng)致效應(yīng).結(jié)構(gòu)措施是通過選擇抗側(cè)移能力更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系來提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力，是傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法.這種方法造價(jià)較高，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段.機(jī)械措施是通過在主體結(jié)構(gòu)上添加輔助阻尼系統(tǒng)來減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)，比如臺(tái)北101大廈與上海環(huán)球金融中心都在其頂部設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來控制結(jié)構(gòu)頂部的位移與加速度，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與舒適度的要求［4－5］.機(jī)械措施也可以用來提高建筑的抗震性能，但是輔助阻尼系統(tǒng)須要額外的費(fèi)用.有效、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法是在方案設(shè)計(jì)階段采用氣動(dòng)措施，以改變建筑的氣動(dòng)力輸入，從而減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和改善結(jié)構(gòu)的舒適性.

本文基于超高層建筑風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的已有研究成果，總結(jié)了減小高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng)的被動(dòng)氣動(dòng)措施，并對(duì)今后研究及應(yīng)用提出建議.

1 超高層建筑抗風(fēng)的氣動(dòng)措施

1.1 建筑截面形狀的影響

不同截面形狀的高層建筑，風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)特性是不一致的.國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.Davenport［6］對(duì)截面形狀不同，高度與動(dòng)力特性相同的6類建筑的順風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)研究，圓形截面的順風(fēng)向位移最小，等邊三角形最大，對(duì)于矩形截面，建筑短（弱）軸的位移也很大.Hayashida等［7－8］通過氣彈模型試驗(yàn)對(duì)截面分別為圓形、三角形、Y 形與方形的超高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行了研究.試驗(yàn)結(jié)果顯示，三角形截面的橫風(fēng)向位移響應(yīng)最小，Y 形截面次之，方形截面最大，對(duì)三角形截面與Y 形截面的角部處理能夠顯著地減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng).Merrick等［9］對(duì)RWDI公司20個(gè)高層建筑工程實(shí)例進(jìn)行了高頻天平測(cè)力試驗(yàn)研究，指出方形截面建筑受高風(fēng)速下的旋渦脫落控制，橢圓形、三角形截面與寬厚比較大的矩形截面可出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載.

顧明等［10－13］對(duì)矩形截面、圓形截面、三角形截面、Y 形截面、正多邊形系列模型、復(fù)雜截面模型（扇形、平行四邊形、L 形）高層建筑模型的風(fēng)荷載特性進(jìn)行了大量的風(fēng)洞試驗(yàn)研究.研究指出，方形截面高層建筑的橫風(fēng)向脈動(dòng)基底彎矩系數(shù)均比其他截面的大；正多邊形建筑以順風(fēng)向氣動(dòng)力為主，氣動(dòng)扭矩可以忽略不計(jì)；復(fù)雜截面系列建筑順、橫和扭轉(zhuǎn)三個(gè)方向的氣動(dòng)力分量具有相同的重要性，扭轉(zhuǎn)氣動(dòng)力的顯著增大是這類建筑的主要特征.Wang 和Cheng等［14］對(duì)矩形截面、正多邊形截面、橢圓形截面、L 型截面與較不規(guī)則截面系列模型（門形截面、扇形截面、角隅突出形截面、三角放射形截面）進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，并建立了高層建筑基本截面氣動(dòng)力特性的數(shù)據(jù)庫.研究結(jié)果表明：正多邊形截面的邊數(shù)越多，所受到的風(fēng)荷載會(huì)越小，而圓形截面有較好的氣動(dòng)力特性；矩形截面模型隨著寬厚比的增大，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載越來越顯著；由于L 型截面幾何外形的不對(duì)稱性，扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)荷載比對(duì)稱截面模型要大，不規(guī)則截面的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載不容忽視；門形截面模型系列開口處應(yīng)盡量避免過大，使整體截面形狀能接近矩形為最佳；角隅突出物較大的截面能夠同時(shí)減小順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載；三角放射形截面的形狀擴(kuò)散越少則越能降低順風(fēng)向設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，設(shè)計(jì)此類高層建筑時(shí)，應(yīng)盡量使截面形狀內(nèi)縮；扇形截面的風(fēng)荷載與弧度大小不成規(guī)則性比例，順風(fēng)向設(shè)計(jì)風(fēng)荷載略有增大，但是其橫風(fēng)向荷載有較大的降低.

綜上所述，不同截面形狀的高層建筑有不同的氣動(dòng)特性.方形截面高層建筑的橫風(fēng)向荷載最大；矩形截面高層建筑隨著厚寬比的增大，扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載變得不容忽視；隨著正多邊形截面邊數(shù)的增多，結(jié)構(gòu)的荷載變小；應(yīng)關(guān)注不規(guī)則復(fù)雜截面的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載.當(dāng)建筑的初步設(shè)計(jì)方案不能滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)要求時(shí)，可以和建筑設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，通過對(duì)基本建筑截面采取適當(dāng)?shù)臍鈩?dòng)措施處理，使建筑結(jié)構(gòu)滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求.

1.2 矩形截面建筑角部處理措施

1.2.1 角部設(shè)置擾流板

20世紀(jì)80年代，人們開始研究設(shè)置擾流板的效用，主要目的是改變旋渦脫落的規(guī)律性，從而減小超高層建筑橫風(fēng)向響應(yīng).對(duì)于圓形截面的結(jié)構(gòu)來說，擾流板一般都纏繞在建筑物的外部；對(duì)于矩形截面的高層建筑來說，擾流板一般布置在角部，也有一些建筑在立面沿高度方向間隔地布置豎向肋條［15］.圖1給出了矩形截面高層建筑角部設(shè)置擾流板氣動(dòng)措施的主要形式.Kwok等［16－18］指出，角部設(shè)置擾流板主要是打亂氣流流經(jīng)建筑截面時(shí)產(chǎn)生旋渦脫落的規(guī)律性，能夠減小一定設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)，但是由于增大了結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積，從而增大了建筑順風(fēng)向的風(fēng)荷載.是否采用角部設(shè)置擾流板的氣動(dòng)措施，要綜合考慮順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng).

圖1 角部設(shè)置擾流板的主要形式［15－16］Fig.1 Cross－sectional forms of fins and vent fins［15－16］

1.2.2 角部修正

還可以通過切角、凹角、圓角等角部修正措施來改變建筑的旋渦脫落特性，從而減小結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向荷載與響應(yīng).常見的橫截面角部修正的主要形式如圖2所示.

圖2 橫截面角部修正的主要形式［4－5］Fig.2 Cross－sectional forms of corner modifications［4－5］

Kwok等［16－18］研究了切角以及角部開槽對(duì)方形截面與典型矩形截面高層建筑風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：這兩種措施能夠?qū)е陆Y(jié)構(gòu)尾流譜與橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的改變，從而能夠明顯減小高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng).Melbourne等［19］研究了凹角、圓角、切角這三種角部修正形式對(duì)典型方形截面高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力的影響，認(rèn)為適中的角部修正率（10%截面寬度）可大大降低橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的峰值，從而減小臨近渦激共振風(fēng)速下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng).Miyashita等［20］通過高頻天平試驗(yàn)研究了切角與凹角兩種角部修正措施對(duì)方形截面高層建筑在不同風(fēng)向角下氣動(dòng)力特性的影響.指出，10%的切角率與凹角率能夠有效地減小橫風(fēng)向的氣動(dòng)力系數(shù)，但是在某些風(fēng)向角下會(huì)導(dǎo)致風(fēng)致響應(yīng)的增加.Kawai［21］采用氣彈模型試驗(yàn)對(duì)凹角、切角以及圓角三種氣動(dòng)修正形式，對(duì)方形截面與典型矩形截面高層建筑的氣動(dòng)不穩(wěn)定性（渦激振動(dòng)與馳振）進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：5%切角率與凹角率能夠有效地防止方形截面的氣動(dòng)彈性失穩(wěn)現(xiàn)象；圓角修正能夠增大結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)阻尼，很好地抑制氣動(dòng)彈性失穩(wěn)；角部修正措施能夠提高建筑在低風(fēng)速下的氣動(dòng)不穩(wěn)定性；但是對(duì)長(zhǎng)寬比很大的矩形截面，角部修正措施的效果不明顯.Kareem 等［5］總結(jié)了不同類型氣動(dòng)措施對(duì)方形截面高層建筑氣動(dòng)力的影響，指出凹角、切角和角部開槽處理均能顯著地減小順風(fēng)向和橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng).Choi等［22］對(duì)寬厚比分別為1∶1，1∶1.5，1∶2三種矩形截面模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，給出了在不同切角率下，不同模型的斯托拉哈數(shù)和渦激振動(dòng)的峰值在不同角度下變化規(guī)律的擬合公式.Wang 和Cheng等［14］對(duì)不同切角率的矩形截面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出切角措施能夠顯著地減小結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的氣動(dòng)力.Gu和Quan［11］對(duì)6∶1∶1方形截面高層建筑在5%、10%、20%的切角率與凹角率下的氣動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，指出切角與凹角措施基本上都能夠減小結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向基底彎矩譜的峰值，10%的切角率是最優(yōu)的.Irwin［4］、Suresh等［23］對(duì)臺(tái)北101 大廈的風(fēng)荷載特性進(jìn)行了研究，通過對(duì)建筑截面做雙凹角處理，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向氣動(dòng)力均方根值減小了40%，順風(fēng)向平均風(fēng)荷載減小了20%，結(jié)構(gòu)總基底彎矩減小25%.Tschanz等［24］指出盡管氣動(dòng)外形的優(yōu)化能有效地減小高層建筑的風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)，但這是以減小使用面積為代價(jià)的.通過對(duì)總建筑面積相等（角部修正減少的建筑面積通過增加建筑高度來補(bǔ)償），采取不同角部修正率的典型方形截面高層建筑模型進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，切角和凹角仍然均能減小風(fēng)振響應(yīng)、降低造價(jià)，凹角模型在減小橫風(fēng)向彎矩方面比切角模型更有效.Mara等［25］對(duì)一超高層建筑的氣動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)力試驗(yàn)研究，分析了不同切角率與切角布置方式對(duì)風(fēng)荷載特性的影響，指出角部處理在不同風(fēng)向角下的影響是不同的，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要注意這一現(xiàn)象.

由前可知，在建筑角部設(shè)置擾流板的氣動(dòng)措施一般能夠減小建筑的橫風(fēng)向荷載和響應(yīng)，但是由于設(shè)置擾流板增大了建筑順風(fēng)向的迎風(fēng)面積，可能導(dǎo)致建筑物順風(fēng)向荷載增大，所以該類氣動(dòng)措施要謹(jǐn)慎使用.切角、凹角、圓角等角部修正措施能夠有效地減小結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng)，10%的角部修正率可能是較好的選擇；5%的角部修正率能較有效地防止高層建筑的氣動(dòng)不穩(wěn)定性.

1.3 建筑截面沿高度改變

由前可知，不同截面形狀以及角部處理可以降低漩渦脫落強(qiáng)度，從而降低建筑物的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng).類似地，改變建筑物沿高度方向的形狀或者尺寸［26］（圖3—4），可以改變漩渦脫落沿建筑物高度方向的分布，也可以達(dá)到同樣的目的.實(shí)際建筑中可常見這一類建筑形式，例如韓國(guó)的Lotte Super Tower，中國(guó)的上海中心，美國(guó)的芝加哥螺旋之巔等［27］.

1.3.1 錐度化與階梯縮進(jìn)

Wang和Cheng等［14］對(duì)矩形截面高層建筑沿高度階梯收縮進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，指出只有當(dāng)階梯收縮的總高度大于未收縮的高度時(shí)，階梯收縮才能顯著地減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載.Cooper等［28］對(duì)高度為500m 的超高層建筑進(jìn)行了氣彈模型試驗(yàn)，該建筑橫截面經(jīng)過切角處理，并采用了錐度化的氣動(dòng)措施.結(jié)果指出，帶切角沿高度錐度化的氣動(dòng)措施能夠減小建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力與氣動(dòng)阻尼.張建國(guó)［29］對(duì)分別采用單向階梯縮進(jìn)與雙向階梯縮進(jìn)的典型方形截面高層建筑進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn)研究，指出立面階梯縮進(jìn)的存在，使迎風(fēng)面縮進(jìn)層高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生了突變，同時(shí)使旋渦脫落的形式發(fā)生改變，從而導(dǎo)致建筑側(cè)面和背面風(fēng)壓特性發(fā)生變化.李波等［30］對(duì)不同錐度比的超高層建筑進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：錐形化措施延長(zhǎng)了來流在建筑物側(cè)風(fēng)面漩渦脫落的卓越頻率，導(dǎo)致橫風(fēng)向力系數(shù)功率譜峰值小幅下降；隨著建筑物錐度比的增加，橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜峰值下降，功率譜帶寬增大，力系數(shù)根方差減小.Kim等［31－35］的研究表明：錐度化與階梯縮進(jìn)能夠顯著地減小橫風(fēng)向的脈動(dòng)基底彎矩，并且隨著錐度比增大而增大，但是隨著湍流度的增大而降低；錐度化與階梯縮進(jìn)使側(cè)面的風(fēng)壓譜帶變寬，峰值頻率隨著高度而變化，使風(fēng)譜沿高度的相關(guān)性降低；但隨著錐度比的增大，由于建筑頂部剛度逐漸變小，建筑頂部橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)可能增大.

1.3.2 截面沿高度旋轉(zhuǎn)

Bearman等［36］對(duì)橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)的某一典型矩形截面高層建筑的風(fēng)致阻力和旋渦脫落性能進(jìn)行了測(cè)力天平試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)能減小結(jié)構(gòu)30%的阻力，能夠降低橫風(fēng)向振動(dòng).Tamura等［37］對(duì)31 個(gè)高層建筑模型進(jìn)行了測(cè)力與測(cè)壓試驗(yàn)研究，研究角部修正、錐度化與階梯縮進(jìn)、截面沿高度旋轉(zhuǎn)、開洞等氣動(dòng)措施對(duì)典型方形截面、矩形截面與橢圓形截面高層建筑氣動(dòng)力特性的影響，研究結(jié)果表明：階梯縮進(jìn)氣動(dòng)措施模型的風(fēng)力系數(shù)減小，但放大了建筑頂部的加速度響應(yīng)（由于建筑頂部剛度變小所致）；截面沿高度旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)措施使模型的旋渦脫落沿高度變得不規(guī)則，減小了結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向響應(yīng)，在所有模型中具有最好的氣動(dòng)特性，但這一氣動(dòng)措施使模型局部風(fēng)壓增大20%.Kumar等［38］對(duì)三角形截面沿高度扭轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)研究，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄑ馗叨刃D(zhuǎn)0°、60°、180°與360°四個(gè)模型，結(jié)果表明：橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)能夠顯著地改善三角形截面高層建筑的平均、脈動(dòng)及峰值風(fēng)壓系數(shù)以及三分力系數(shù)，其中橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)360°模型效果最佳.Tanaka等［39］對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方形截面、方形截面10%凹角修正、階梯縮進(jìn)、錐度化、截面沿高度90°旋轉(zhuǎn)與180°旋轉(zhuǎn)等6個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了測(cè)力試驗(yàn)與測(cè)壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于順風(fēng)向最大平均基底彎矩系數(shù)，錐度化與階梯縮進(jìn)氣動(dòng)措施效果最佳；對(duì)于脈動(dòng)基底彎矩系數(shù)，凹角處理、階梯縮進(jìn)、錐度化模型在順風(fēng)向與橫風(fēng)向都有較好的氣動(dòng)特性；截面沿高度旋轉(zhuǎn)模型的橫風(fēng)向風(fēng)力較小，特別是180°旋轉(zhuǎn)模型的橫風(fēng)向脈動(dòng)基底彎矩系數(shù)只有方形截面的三分之一.

錐度化與階梯縮進(jìn)氣動(dòng)措施能夠有效地減小高層建筑的橫風(fēng)向荷載，但由于剛度縮減，有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致頂部的加速度響應(yīng)不能滿足舒適度的要求；截面沿高度旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)措施能夠減小橫風(fēng)向的氣動(dòng)力，但可能增大建筑表面的局部風(fēng)壓.面對(duì)實(shí)際建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該關(guān)注這些問題.

1.4 建筑立面開洞

在建筑上適當(dāng)位置處開洞，可以顯著地減小建筑的壓差阻力和橫風(fēng)向風(fēng)力.矩形截面高層建筑常見的開洞形式如圖5所示.Kwok 等［18］對(duì)立面開洞的CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，開洞位置分別在建筑一半高度與四分之三高度處，水平雙向開洞，開洞率為6%.結(jié)果表明水平雙向開洞能夠顯著減小建筑順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng).Irwin［40］對(duì)采取立面開洞措施的某一超高層建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，該建筑沿高層每隔十層設(shè)置一個(gè)洞口（原本用于火災(zāi)避難）.研究獲得同樣結(jié)果.Dutton等［41］對(duì)中上部不同位置開洞的高寬比為9∶1的方形超高層建筑模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，開洞方式分別為單向開洞與雙向開洞，洞口高度為1.25D（D為方形截面寬度），寬度為D／6，間隔為0.25D.試驗(yàn)得到如下結(jié)論：開洞減小了順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載以及風(fēng)致響應(yīng)；開洞使方形截面的橫風(fēng)向基底彎矩譜由單峰變?yōu)殡p峰，斯托拉哈數(shù)由0.10變?yōu)?.09與0.18.Okada等［42］對(duì)不同開洞方式的建筑的氣彈模型進(jìn)行試驗(yàn)（該模型為方形截面，高寬比為8∶1，開洞位置在建筑80%高度處，開洞方式有迎風(fēng)面單向開洞、側(cè)面單向開洞以及四面雙向開洞三種方式，開洞面積可以根據(jù)要求改變），結(jié)果表明：當(dāng)建筑四面雙向開洞，開洞率為1.5%時(shí)，能夠減小橫風(fēng)向20%～25%的動(dòng)態(tài)位移；與迎風(fēng)面單向開洞以及側(cè)面單向開洞相比，四面雙向開洞是減小高層建筑動(dòng)力響應(yīng)的最優(yōu)方式.

Hitomitsu等［43］對(duì)不同開洞位置對(duì)高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在建筑0.8～0.9高度處開洞，能夠有效減小建筑橫風(fēng)向的風(fēng)致響應(yīng)；在建筑0.6高度及以下開洞時(shí)效果較不明顯.王春剛等［44］對(duì)開洞高層建筑模型進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)向與開洞方向平行時(shí)，結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載降低；將洞口開在建筑物上部對(duì)減小風(fēng)荷載最為有利.謝壯寧等［45］對(duì)439m 高的深圳京基金融中心進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，考察了利用其頂部設(shè)備和避難層進(jìn)行開敞形成不同的風(fēng)走廊（氣動(dòng)措施）對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明：在重現(xiàn)期100年風(fēng)速作用下，漩渦脫落頻率明顯低于結(jié)構(gòu)基階固有頻率；氣動(dòng)措施可顯著抑制和削弱脫落漩渦的強(qiáng)度；不同氣動(dòng)措施可使100年重現(xiàn)期結(jié)構(gòu)基底彎矩減少8.2%～21.2%，使10年重現(xiàn)期峰值加速度減少5.3%～16.0%.全涌等［46］對(duì)一棟立面上有多個(gè)開洞的矩形截面超高層建筑進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn)，分析了矩形截面超高層建筑在長(zhǎng)邊立面上不同開洞工況下建筑各表面平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)建筑長(zhǎng)邊迎風(fēng)時(shí)，開洞使得背風(fēng)面洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值增大，但迎風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)變化很??；當(dāng)建筑短邊迎風(fēng)時(shí)，開洞對(duì)洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利正風(fēng)壓系數(shù)均只有微弱影響，但對(duì)其最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)卻有很大影響，特別是中部開洞，將使其周圍的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)增大一倍以上；開洞對(duì)短邊立面上的最不利風(fēng)壓系數(shù)不產(chǎn)生明顯的影響.

由上文可知，建筑立面開洞通過破壞旋渦脫落強(qiáng)度以及規(guī)律性，同時(shí)減小建筑迎風(fēng)面面積，能夠同時(shí)減小高層建筑橫風(fēng)向與順風(fēng)向的風(fēng)荷載；開洞方式有迎風(fēng)面單向開洞、側(cè)風(fēng)面單向開洞與四面雙向開洞三種方式，其中四面雙向開洞效果最優(yōu)；在建筑上部開洞效果較好，而在建筑下部開洞效果較差；開洞處局部風(fēng)壓可能會(huì)增大，這在建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要注意.

2 實(shí)際應(yīng)用

上述的各類抗風(fēng)氣動(dòng)措施在實(shí)踐中也得到了廣泛的應(yīng)用.廣州珠江城（71層，309m 高）利用避難層開洞進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，既減小了風(fēng)荷載，又有效地利用了風(fēng)能［4］.石油雙塔與臺(tái)北101大樓等采用角部處理和錐度化氣動(dòng)措施，上海環(huán)球金融中心在其頂部開洞，韓國(guó)的Lotte Super Tower、中國(guó)的上海中心與美國(guó)的芝加哥螺旋之巔等采用了截面沿高度旋轉(zhuǎn)的氣動(dòng)措施，能夠顯著地減小了順、橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)［27，40］.日本NEC大廈（44層，196m 高）在距地80 m 高處開有一個(gè)約44.6m×12.6m 的洞口（占建筑迎風(fēng)面積的4.5%），當(dāng)風(fēng)垂直作用于迎風(fēng)面時(shí)，可較不開洞情況減少總風(fēng)力25%［44］.現(xiàn)世界第一的828 m 高的Burj Khalifa Tower采用沿高度改變截面形狀的氣動(dòng)措施，使截面形狀沿高度螺旋上升，減小了結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)，有很好的抗風(fēng)效果［27，47］.

3 結(jié)論與展望

本文回顧了降低超高層建筑橫風(fēng)向荷載和響應(yīng)氣動(dòng)措施研究和應(yīng)用的主要進(jìn)展.不同截面形狀的高層建筑具有不同的橫風(fēng)向荷載及響應(yīng)特性.方形截面高層建筑的橫風(fēng)向荷載及效應(yīng)引起關(guān)注；角部處理、截面沿高度改變以及立面開洞這三類氣動(dòng)措施都能夠很好的抑制方形截面高層建筑橫風(fēng)向響應(yīng).當(dāng)然，這些有效的措施也可能帶來其他一些負(fù)面效應(yīng)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要謹(jǐn)慎對(duì)待.為適應(yīng)我國(guó)超高層建筑建造的需要，還進(jìn)一步需要以模型風(fēng)洞試驗(yàn)為主，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，開展高層建筑的多向耦合風(fēng)荷載、氣動(dòng)阻尼、風(fēng)致效應(yīng)以及等效靜力風(fēng)荷載方法、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載計(jì)算方法等重要問題的研究，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng).

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