某超高層建筑風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果的分析

李偉鋒，陳澤鈿

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣州 510010）

1 概況

某項目位于廣州市新滘東路以西琶洲B2 區(qū)，由塔樓1、塔樓2、塔樓3 等3 個塔樓和底部連接塔樓1 和塔樓 2 的裙樓組成，3 個塔樓呈“＜”狀排列，其中塔樓 2 屋面高度為148.10 m、塔樓3 屋面高度為149.65 m。塔樓2、3 相互間距較小，樓層質(zhì)量及剛度存在較大偏心［1］，結(jié)構(gòu)平面原為矩形（方案1），后調(diào)整為切角三角形（方案2），平面形狀變化較大，項目進(jìn)行了兩次建筑物不同平面形狀的風(fēng)洞試驗研究和風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。項目效果圖、總平面圖和結(jié)構(gòu)主要特征見圖1、圖2和表1。

2 風(fēng)洞風(fēng)荷載與規(guī)范風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)對比

風(fēng)洞風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析報告［2，3］提供了用于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的風(fēng)荷載，每個塔樓包含6 個不利風(fēng)向?qū)?yīng)的等效樓層風(fēng)荷載，每個風(fēng)向風(fēng)荷載包含順風(fēng)向、橫風(fēng)向以及扭轉(zhuǎn)等3 個等效風(fēng)荷載分量及其組合系數(shù)，采用YJK 計算程序驗算風(fēng)洞風(fēng)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并和規(guī)范［4］風(fēng)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行比較。篇幅所限，以塔樓2 方案1 的對比研究成果為例。風(fēng)洞不利風(fēng)向和風(fēng)荷載組合系數(shù)如表2所示。

圖1 立面效果圖Fig.1 Rendering of Building Facades

圖2 總平面圖Fig.2 Overall Plan

塔樓2 在風(fēng)洞風(fēng)和規(guī)范風(fēng)下的結(jié)構(gòu)樓層等效風(fēng)荷載包絡(luò)值對比和位移角對比如圖3、圖4所示。

對比可知，塔樓2 風(fēng)洞風(fēng)的樓層順風(fēng)向風(fēng)荷載明顯小于規(guī)范風(fēng)，但橫風(fēng)向風(fēng)力則大幅度大于規(guī)范風(fēng)，且扭轉(zhuǎn)等效風(fēng)荷載力矩較大，相當(dāng)于風(fēng)荷載平面偏心16%引起的扭矩大小。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)樓層位移角增大較多。

為了解風(fēng)洞風(fēng)橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振對結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的影響［5］，選取核心筒一連梁的剪力作為比較對象，為便于比較不同風(fēng)荷載的對連梁剪力的影響，比較時僅考慮風(fēng)荷載工況下的連梁剪力標(biāo)準(zhǔn)值（見圖5）。

表1 塔樓2、3 結(jié)構(gòu)主要特征Tab.1 The Main Features of Tower 2，3 Structure

表2 塔樓2 方案1 風(fēng)洞不利風(fēng)向角和組合系數(shù)Tab.2 Wind Direction Angle and Combination Coefficient

圖3 風(fēng)荷載對比Fig.3 Wind Load Comparison

圖4 位移角對比Fig.4 Combination of Interstory Displacement Angle

圖5 比較對象連梁的平面位置（用橢圓線標(biāo)識）Fig.5 Connecting Beams′s Positioninthe Plane

選取3 種風(fēng)荷載工況進(jìn)行比較：①按文獻(xiàn)［4］8.5.6 條的組合系數(shù)進(jìn)行風(fēng)荷載組合的規(guī)范風(fēng)荷載工況；②按文獻(xiàn)［6］7.5.14 條的組合系數(shù)進(jìn)行風(fēng)荷載組合的規(guī)范風(fēng)荷載工況；③風(fēng)洞風(fēng)荷載工況。文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［6］關(guān)于風(fēng)荷載分量的組合系數(shù)工況要求如表3所示，兩者的要求有較大區(qū)別，文獻(xiàn)［6］考慮風(fēng)荷載各荷載間的相關(guān)性，且組合系數(shù)比文獻(xiàn)［4］大。

表3 規(guī)范風(fēng)荷載組合工況Tab.3 Standardized Wind Load Combination Conditions

連梁剪力標(biāo)準(zhǔn)值對比如圖6所示，橫風(fēng)向風(fēng)振和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起的連梁剪力比例分別如圖7、圖8所示。

圖6 不同風(fēng)荷載工況下連梁剪力Fig.6 Shear of the Connecting Beam

對比可知，雖然風(fēng)洞順風(fēng)向風(fēng)荷載最大值僅為規(guī)范風(fēng)順風(fēng)向的68%，但橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載較大，風(fēng)洞風(fēng)作用下的連梁剪力較規(guī)范算法有較大增幅，剪力標(biāo)準(zhǔn)值最大值相對文獻(xiàn)［4］算法和文獻(xiàn)［6］算法分別增大40%和34%。

在各不利風(fēng)向風(fēng)洞風(fēng)等效風(fēng)荷載作用下的連梁剪力，由橫風(fēng)向風(fēng)振等效荷載引起的剪力與連梁總剪力的比值為4%～125%，比值的大小與風(fēng)向和梁長方向的夾角存在高度相關(guān)性，當(dāng)風(fēng)向與梁長方向接近時比值小，當(dāng)風(fēng)向與梁長方向接近垂直時比值大。扭轉(zhuǎn)風(fēng)振引起的剪力占連梁總剪力的比值為5%～75%，270°和30°風(fēng)向作用下扭轉(zhuǎn)風(fēng)引起的剪力占比小，該風(fēng)向為平行于建筑物長邊的基底剪力分量主控，其它方向來風(fēng)扭轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)振引起的剪力占比較大，多數(shù)樓層大于32%。

風(fēng)荷載作用下的高層建筑結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向風(fēng)振和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力較大，構(gòu)件承載力極限狀態(tài)設(shè)計時應(yīng)予以考慮。

圖7 剪力占比-橫風(fēng)向風(fēng)荷載圖Fig.7 Shear Ratio of Across-wind

圖8 剪力占比-扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載Fig.8 Shear Ration of Torsion

3 不同體型的結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)對比

本項目進(jìn)行了總平面布置相同而塔樓平面形狀不同的兩次風(fēng)洞試驗，本文對方案1、2 對應(yīng)的風(fēng)洞風(fēng)引起的樓層剪力和位移角等風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，以期得到不同平面形狀的建筑物的風(fēng)致響應(yīng)規(guī)律。

⑴樓層剪力。塔樓2、3 不同方案在順風(fēng)向基底剪力主控風(fēng)向下，順風(fēng)向風(fēng)荷載引起的單位寬度樓層剪力大?。菍蛹袅Τ皂橈L(fēng)向受風(fēng)面寬度）對比如圖9所示，兩棟塔樓的方案2 單位寬度風(fēng)荷載大小均比方案1 的大，樓層總剪力亦是相同情況。

圖9 塔樓2、3 樓層剪力Fig.9 Floor Shear of Towers 2 and 3

⑵順風(fēng)向樓層位移角。圖10分別為塔樓2、3 不同方案順風(fēng)向樓層位移角對比，樓層位移角的變化趨勢與樓層剪力的變化趨勢一致，方案1 順風(fēng)向樓層位移角大于方案2。

圖10 塔樓2、3 樓層位移角Fig.10 Floor Displacement Angle of Towers 2 and 3

⑶橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振引起的位移角與總位移角的比值。圖11為塔樓2、3 扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起的位移角大小與總位移角的比值，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振引起的位移角比值，方案1（矩形平面）小于方案2（三角形平面）。兩塔樓不同方案橫風(fēng)向風(fēng)振引起的順風(fēng)向位移角均較小，與總位移角的比值小于5%。

圖11 塔樓2、3 位移角扭轉(zhuǎn)占比Fig.11 Ratio of Displacement Angle to Total Displacement Angle Caused by Tower 2 and 3 Torsion

⑷風(fēng)洞風(fēng)和規(guī)范風(fēng)順風(fēng)向樓層位移角的對比如圖12、圖13所示。不同方案的風(fēng)洞風(fēng)引起的位移角最大值均大于規(guī)范風(fēng)，結(jié)構(gòu)樓層位移角最大值均為風(fēng)洞風(fēng)控制。

圖12 塔樓2、3 方案1 風(fēng)洞風(fēng)和規(guī)范風(fēng)樓層位移角的對比Fig.12 Comparison of the Displacement Angles of the Tower 2，3 Wind Tunnel and the Standard Wind Floor in Scheme 1

圖13 塔樓2、3 方案2 風(fēng)洞風(fēng)和規(guī)范風(fēng)樓層位移角的對比Fig.13 Comparison of the Displacement Angles of the Tower 2，3 Wind Tunnel and the Standard Wind Floor in Scheme 2

塔樓2、3 的1、2 方案結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)指標(biāo)對比匯總?cè)绫?所示。

表4 不同方案的風(fēng)致響應(yīng)指標(biāo)對比匯總Tab.4 Compare with Wind-induced Structural Response

4 地面粗糙度類別的確定

項目場地位于廣州市琶洲地塊在建核心商務(wù)地段，場地南北側(cè)距珠江（或支流）較近，南側(cè)距珠江支流約40 0m，北側(cè)距珠江約800 m，根據(jù)衛(wèi)星圖像資料，東南角4 km 范圍內(nèi)為田野和河流，未有高層建筑物。

方案階段，采用文獻(xiàn)［4］8.2.1 條條文解釋建議的以2 km 半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度方法近似確定，地面粗糙度為C 類。筆者認(rèn)為該方法不能體現(xiàn)不同方向來風(fēng)建筑物密集程度的差別，且未能合理地消除圓形平面影響范圍內(nèi)個別較高建筑物的對平均高度計算的干擾。東南方向來風(fēng)田野和河流的地貌，與文獻(xiàn)［4］的B 類粗糙度定義較為相符。場地地面粗糙度是統(tǒng)一按B 類或者C 類，或區(qū)分風(fēng)向確定，地面粗糙度的確定存在困難。

風(fēng)荷載按文獻(xiàn)［4］計算，地面粗糙度由C 類修改為B 類時，樓層最大位移角由1/790 增大到1/634，增幅達(dá)到25%，梁鋼筋用量增幅為6%，地面粗糙度的選取對結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響較大。［7，8］

故本項目委托廣東建科院風(fēng)工程研究中心進(jìn)行專門研究。根據(jù)周邊地貌特點(diǎn)，將場地四周分為4 個典型的扇形區(qū)域，采用英國工程技術(shù)數(shù)據(jù)ESDU01008（E0108）的數(shù)字風(fēng)力模型，按照Harris 和Deaves 研究的通用的大氣環(huán)境中邊界層計算方法分析, 定量確定場地上空的風(fēng)特性。根據(jù)各典型扇區(qū)內(nèi)沿風(fēng)來流路徑上的地面粗糙度和路徑長度，計算得到各扇區(qū)內(nèi)的風(fēng)速剖面，最不利的扇區(qū)風(fēng)速剖面與文獻(xiàn)［4］定義的A、B、C、D 類粗糙度的相對關(guān)系如圖14所示，扇區(qū)風(fēng)速剖面圖與規(guī)范C 類風(fēng)剖面比較接近，最終設(shè)計采用C類地面粗糙度。

圖14 扇區(qū)風(fēng)剖面圖Fig.14 The Wind Profile of The Sector

5 應(yīng)用風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的幾點(diǎn)注意事項

在房屋高度較高、平面或立面形狀復(fù)雜、周圍地形和環(huán)境復(fù)雜時，風(fēng)洞試驗可作為判斷確定建筑物風(fēng)荷載的有效手段，其數(shù)據(jù)應(yīng)用時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)事項：

5.1 風(fēng)荷載與地震作用的組合

項目進(jìn)行抗震設(shè)防專項審查時，審查專家提出地震作用與風(fēng)荷載組合時，兩者的方向角應(yīng)一致。風(fēng)洞試驗提供的等效風(fēng)荷載最不利風(fēng)向角，是以風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)主軸的荷載分量極值大小為判斷標(biāo)準(zhǔn)的［9，10］，同一風(fēng)向角的等效風(fēng)荷載各荷載分量不一定同時達(dá)到最大峰值，最不利風(fēng)向角不等同于在該風(fēng)向角方向等效風(fēng)荷載數(shù)值最大，故最不利風(fēng)向風(fēng)荷載工況應(yīng)與結(jié)構(gòu)主軸方向的地震作用組合。

5.2 風(fēng)荷載力的作用點(diǎn)及方向的規(guī)定、風(fēng)荷載各分量的組合系數(shù)

項目進(jìn)行第一次風(fēng)洞試驗時，試驗單位提供的風(fēng)荷載是以結(jié)構(gòu)剛心為作用點(diǎn)統(tǒng)計的，荷載扭矩方向為左手法則，而計算程序YJK 和PKPM 風(fēng)荷載作用點(diǎn)均為結(jié)構(gòu)形心，荷載扭矩方向為右手法則，風(fēng)洞風(fēng)荷載和計算程序?qū)τ陲L(fēng)荷載作用點(diǎn)和力的方向規(guī)定相差較大。另外計算程序?qū)τ谝?guī)范風(fēng)下的順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)等效風(fēng)荷載的組合系數(shù)，采用了文獻(xiàn)［4］的要求，與文獻(xiàn)［6］的要求有較大差別。通過結(jié)構(gòu)計算程序計算風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時，應(yīng)對風(fēng)洞數(shù)據(jù)和計算程序的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行認(rèn)真檢查。

5.3 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度

按照文獻(xiàn)［11］3.7.6 條的規(guī)定，高度不小于150 m的高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足風(fēng)振舒適度要求，以在10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動最大加速度為判斷標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)洞試驗結(jié)果和按文獻(xiàn)［4］附錄J 計算結(jié)果如表5所示，兩者均滿足辦公建筑加速度0.25 m/s2的限值要求，但風(fēng)洞試驗結(jié)果絕大多數(shù)大于計算結(jié)果，為計算結(jié)果的133%～186%，按文獻(xiàn)［4］附錄J 計算的加速度大小接近限值時進(jìn)行專門研究判別。

表5 結(jié)構(gòu)頂部使用樓層高度處加速度Tab.5 Acceleration at the Top of the Structure Using the Floor Height （ms2）

表5 結(jié)構(gòu)頂部使用樓層高度處加速度Tab.5 Acceleration at the Top of the Structure Using the Floor Height （ms2）

塔樓 方案 X 向 Y 向塔樓 2 1 0.042（0.026） 0.123（0.066）2 0.050（0.038） 0.105（0.062）塔樓 3 1 0.026（0.030） 0.091（0.059）2 0.064（0.048） 0.096（0.068）

5.4 水平位移限值的判斷標(biāo)準(zhǔn)［12］

文獻(xiàn)［11］3.7.3 條和 4.2.6 條規(guī)定，按彈性方法計算的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層最大位移角要滿足相應(yīng)限值要求，由于風(fēng)洞試驗提供的樓層扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載較大，在順風(fēng)向風(fēng)荷載相同的情況下，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振加大了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，樓層最大位移角必然增大。具體項目實施時，考慮扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的組合風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)樓層位移角限值，是否采用與僅考慮順風(fēng)向風(fēng)荷載時的相同限值標(biāo)準(zhǔn)，可與審查專家進(jìn)行溝通，確定合適的位移角限值標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

⑴橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力有較大影響，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)位移角和構(gòu)件內(nèi)力均有較大影響，應(yīng)用風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載時，不能采取僅對比結(jié)構(gòu)基底力大小判斷風(fēng)荷載控制工況的方式，應(yīng)將風(fēng)洞風(fēng)荷載用于結(jié)構(gòu)性能分析和構(gòu)件承載力設(shè)計。

⑵扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起樓層位移角較大增幅，本項目兩塔樓不同方案的最大樓層位移角均為風(fēng)洞風(fēng)控制。

⑶本項目建筑物平面為切角三角形時的樓層剪力和樓層位移角等指標(biāo)，優(yōu)于矩形平面。

⑷地面粗糙度類別的選取對結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有較大影響，必要時采取專門研究確定。

⑸應(yīng)用風(fēng)洞試驗報告數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對報告和計算程序?qū)αΦ淖饔命c(diǎn)和方向的規(guī)定進(jìn)行檢查確保計算和實際一致。