高層建筑的順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)探討

白潤山 楊恩友 卜娜蕊 白笑天

(河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000)

引言

高層建筑在大城市已經(jīng)越來越普及，甚至在向超高層建筑群發(fā)展。土地資源的有限和人口的快速增長，增大了對住房資源的需要，直接的推動(dòng)了高層建筑的迅速發(fā)展，提高土地利用率。與此同時(shí)，建筑物高度的快速躥高也使建筑的安全性得到關(guān)注，特別是高層建筑和超高層建筑對風(fēng)的敏感度。高層建筑屬于大高寬比的鈍體，當(dāng)有風(fēng)吹在建筑表面時(shí)，會(huì)在表面產(chǎn)生繞流，在前緣角點(diǎn)處出現(xiàn)“分離”，而剪切層和高旋度的區(qū)域會(huì)形成自由剪切層，朝著尾流方向回旋，形成集中的渦，并向下游脫落，即湍流反應(yīng)。作用在建筑上的風(fēng)荷載根據(jù)其作用、方向、產(chǎn)生的原因，可分為順風(fēng)向、橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)向三類。順風(fēng)向平行于平均風(fēng)，橫風(fēng)向垂直于平均風(fēng)，扭轉(zhuǎn)向垂直于順、橫所在平面[1]。三種風(fēng)荷載都會(huì)產(chǎn)生風(fēng)致響應(yīng)，對建筑物的影響很大。出于對高層建筑以及超高層建筑的需求和追求，風(fēng)荷載的風(fēng)致響應(yīng)不容忽視，而風(fēng)產(chǎn)生的影響可以用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)進(jìn)行數(shù)值模擬，該方法已經(jīng)被證實(shí)模擬結(jié)果是準(zhǔn)確有效的，比縮尺風(fēng)洞試驗(yàn)更簡便和省時(shí)，比實(shí)際測量省時(shí)省力。

一、順風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)

順風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)是指平均風(fēng)力在產(chǎn)生響應(yīng)加上來流風(fēng)中縱向紊流的分量所引起與來流方向一致的振動(dòng)響應(yīng)。而高層建筑在順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)中主要由自然風(fēng)產(chǎn)生的湍流脈動(dòng)速度所引起。順風(fēng)向的研究與計(jì)算方面技術(shù)已經(jīng)很成熟，可以由試驗(yàn)及公式得出順風(fēng)向等效靜力風(fēng)荷載的分析結(jié)果和抖振響應(yīng)。陣風(fēng)荷載因子(GLF)[2]是得出高層建筑的順風(fēng)向響應(yīng)分析或結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)分析的有效方法之一；三分量法的應(yīng)用，能準(zhǔn)確對等效靜力風(fēng)荷載進(jìn)行研究分析，橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向也可以應(yīng)用；而順風(fēng)向響應(yīng)計(jì)算分析的基本理論有準(zhǔn)定常假定、片條理論和隨機(jī)振動(dòng)理論。順風(fēng)向的研究已經(jīng)很成熟，不過順風(fēng)向還有很多不確定因素存在，在實(shí)際應(yīng)用和分析中其風(fēng)致效應(yīng)必須考慮。

二、橫方向振動(dòng)響應(yīng)

橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)是因結(jié)構(gòu)尾流中的周期性旋渦脫落而產(chǎn)生的兩側(cè)交替變化的氣壓所導(dǎo)致的尾流激勵(lì)，稱為結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向渦激力。也是由建筑本身引起的非定常分離流產(chǎn)生，其中橫風(fēng)向的湍流對振動(dòng)響應(yīng)影響小。橫風(fēng)向的振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率相近或達(dá)到一致時(shí)，會(huì)引起渦激共振。目前，對于高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)荷載及其響應(yīng)的計(jì)算問題，以日本建筑協(xié)會(huì)的AIJ計(jì)算為主，是最為詳細(xì)的規(guī)定，而被公認(rèn)的橫風(fēng)向風(fēng)荷載統(tǒng)一計(jì)算方法還沒有。橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的計(jì)算方式有兩種，一是由大量氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)直接測得；二是通過高頻測力天平或剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)獲得結(jié)果。關(guān)于獲取橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)的其他數(shù)據(jù)，梁樞果等人[2]建立了完整的橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)荷載解析模型，能對矩形高層建筑橫風(fēng)力功率譜密度、均方根升力系數(shù)、stmuhal數(shù)等進(jìn)行公式計(jì)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)的高寬比大于4時(shí)，因在橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向的平均風(fēng)為零，且橫風(fēng)向風(fēng)荷載和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載不符合準(zhǔn)定常假定，風(fēng)致效應(yīng)僅考慮脈動(dòng)風(fēng)。針對橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的研究是在一直進(jìn)行的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，橫風(fēng)向?qū)Ω邔咏ㄖ挠绊懣梢酝ㄟ^計(jì)算流體力學(xué)(CFD)來進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲取關(guān)于橫風(fēng)向風(fēng)振的計(jì)算公式或近似求解公式。王雪峰等人[3]通過CFD/FLUENT對超高層建筑的風(fēng)荷載效應(yīng)進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果之間的相同關(guān)系，雖然不是針對橫風(fēng)向的研究，但是對接下來的高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的研究提供了實(shí)驗(yàn)思路和數(shù)據(jù)參考。

三、振動(dòng)響應(yīng)的分析

風(fēng)荷載在導(dǎo)致高層建筑的振動(dòng)時(shí)，會(huì)受地貌、建筑外形、單群體效應(yīng)等影響，通過間接的方式影響著順風(fēng)向和橫風(fēng)向的振動(dòng)響應(yīng)。除此之外，高層建筑本身的高寬比、寬厚比、周期、阻尼比、風(fēng)壓等，也會(huì)對矩形高層建筑的風(fēng)荷載振動(dòng)響應(yīng)有影響，從而產(chǎn)生不舒適性和不安全性。

(一)影響順風(fēng)向、橫風(fēng)向荷載的因素

風(fēng)荷載作用時(shí)，因?yàn)榭陀^原因的存在，像建筑的高寬比、寬厚比、周期、阻尼比、外形等[4]，以及風(fēng)壓的大小、周邊干擾建筑群、地貌等因素的存在，使順風(fēng)向和橫風(fēng)向的大小及產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)都會(huì)受到影響。

隨著高寬比的增加，矩形高層建筑順風(fēng)向與橫風(fēng)向荷載均增大；地貌類別越空曠，橫風(fēng)向效應(yīng)問題越嚴(yán)重；寬厚比(結(jié)構(gòu)順風(fēng)向?qū)挾扰c橫風(fēng)向?qū)挾戎?對高層橫風(fēng)向荷載及橫風(fēng)向與順風(fēng)向基底剪力比值影響較大；隨著結(jié)構(gòu)周期的增大，結(jié)構(gòu)頂層荷載標(biāo)準(zhǔn)值增大，且結(jié)構(gòu)周期直接影響橫風(fēng)向風(fēng)振；結(jié)構(gòu)阻尼比的增大，順風(fēng)向與橫風(fēng)向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值均減小，且順風(fēng)向減小幅度小于橫風(fēng)向；基本風(fēng)壓增加，高層橫風(fēng)向基底彎矩與順風(fēng)向的比值增大。除以上因素對風(fēng)荷載響應(yīng)產(chǎn)生具體影響外，還有很多非定性的因素也對風(fēng)工程的研究有不可忽視的影響。

高層建筑的外形影響是凹凸角、削角、開洞，以及方形、錐形和圓形外觀。對于高層建筑是圓形截面結(jié)構(gòu)的形式，橫風(fēng)向風(fēng)荷載與雷諾數(shù)Re存在著密切的聯(lián)系，而對于具有鈍邊的矩形截面雷諾數(shù)不起主要作用；錐率可減小結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向荷載。CFD在高層建筑對風(fēng)荷載的數(shù)值模擬研究中有著很重要的作用，可以通過CFD模擬風(fēng)場對高層建筑的影響，也可以把實(shí)際的建筑進(jìn)行建模、把外形的一些特點(diǎn)設(shè)計(jì)出來，達(dá)到高層建筑在實(shí)際風(fēng)場中的受力特性與結(jié)果。

(二)風(fēng)振響應(yīng)分析與參數(shù)名詞

一般采用時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析主要有線性加速度法、紐馬克β法和威爾遜θ法；頻域分析主要有模態(tài)位移法、模態(tài)加速度法和三分量法。

結(jié)構(gòu)阻尼、正氣動(dòng)阻尼和振型系數(shù)都對風(fēng)荷載的加速度響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載影響顯著，振型系數(shù)對舒適性也有影響。其中，要避免負(fù)氣動(dòng)阻尼的產(chǎn)生，因其會(huì)對高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振產(chǎn)生不利影響。

結(jié)論

高層建筑的順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)是復(fù)雜的，又是不可避免的。為了達(dá)到高層建筑的使用功能，風(fēng)工程的研究需要持續(xù)進(jìn)行。目前對順風(fēng)向風(fēng)荷載的研究相當(dāng)成熟，已經(jīng)有被公認(rèn)的計(jì)算方式和解決方法。而對于橫風(fēng)向風(fēng)荷載的風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算求值和研究都還欠完善，需要解決的問題也有很多。對于高層建筑，為了保證建筑的安全性和舒適性，橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的研究應(yīng)該被重點(diǎn)關(guān)注并進(jìn)行解決和完善。除此之外，高層建筑風(fēng)荷載的問題還存在很多方面要去解決，比如建筑外形的多種多樣對氣動(dòng)力的影響、風(fēng)荷載耦合和風(fēng)與建筑結(jié)構(gòu)的耦合等怎樣解決能保證建筑安全等都是要解決的難題。