Y形截面超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)研究

洪海波，余先鋒

（1.中新廣州知識(shí)城投資開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

隨著技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)代城市土地資源的限制，超高層建筑已具有較大規(guī)模且仍在持續(xù)增加。新建的超高層建筑具有輕質(zhì)、高柔和低阻尼等特點(diǎn)，風(fēng)荷載往往成為此類(lèi)結(jié)構(gòu)的控制性荷載。

由于對(duì)建筑功能要求的提高，新建超高層建筑體形逐漸呈復(fù)雜化、異形化，且建筑周邊往往存在密集的群體建筑干擾，風(fēng)洞試驗(yàn)已成為獲取此類(lèi)建筑風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)的有效手段。謝壯寧等[1-2]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比分析3棟具有不同外形特征超高層建筑的氣動(dòng)荷載特性。李壽英等[3]以某超高層建筑為背景，進(jìn)行剛性模型同步測(cè)壓試驗(yàn)，得到建筑頂部位移和加速度響應(yīng)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)舒適度評(píng)價(jià)。事實(shí)上，多年來(lái)風(fēng)工程研究者基于風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)不同高寬比和外形的超高層建筑風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行持續(xù)研究[4-10]，但上述研究中的建筑截面外形均與本文的Y形截面有較大差異。

本文對(duì)Y形截面超高層建筑開(kāi)展單體和有周邊建筑2種工況下的高頻天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，并通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)，以期為類(lèi)似超高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

風(fēng)洞試驗(yàn)在華南理工大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，試驗(yàn)段長(zhǎng)24.0m、寬5.4m、高3.0m。測(cè)力模型由剛性材料制成，幾何縮尺比1∶400，模型高度73cm。圖1分別給出單體和有周邊建筑2種工況下的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中群體工況下的試驗(yàn)?zāi)M工程周邊800m半徑內(nèi)的干擾建筑。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2給出結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系及風(fēng)向角的定義。在單體和群體工況中，均以10°為間隔測(cè)得0°～350°范圍內(nèi)共36個(gè)風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)基底氣動(dòng)力時(shí)程，采樣頻率約為400Hz，采樣時(shí)間為102.4s，采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為40 960個(gè)。

圖2 結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系和風(fēng)向

1.2 風(fēng)場(chǎng)模擬

據(jù)地形分析結(jié)果，各氣象風(fēng)向角下均為C類(lèi)地貌，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求模擬了C類(lèi)地貌風(fēng)場(chǎng)，該地貌下梯度風(fēng)高度為450m，地面粗糙度系數(shù)琢＝0.22，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M的平均風(fēng)速和湍流度剖面如圖3所示。

圖3 風(fēng)場(chǎng)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算方法

基底彎矩響應(yīng)Mi（i=x，y）通過(guò)擴(kuò)展荷載響應(yīng)相關(guān)（ELRC）方法[11]計(jì)算得到，其主要計(jì)算過(guò)程如下。

1）首先采用完全二次型組合方法計(jì)算得到脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，其中廣義位移標(biāo)準(zhǔn)差y為：

2）基于ELRC原理計(jì)算各樓層等效靜風(fēng)荷載FESWL，采用直接積分的方式計(jì)算模態(tài)響應(yīng)矩陣，不做背景分量和共振分量分解的近似處理。

3）基于各樓層FESWL計(jì)算基底彎矩響應(yīng)Mi。

文中風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算所取的基本風(fēng)壓為0.5kN/m2，用于計(jì)算等效靜風(fēng)荷載的阻尼比取為5%。

2.2 基底彎矩

圖4分別給出單體與群體2種工況下建筑結(jié)構(gòu)基底彎矩（Mx和My）的最大值、最小值和平均值隨風(fēng)向的變化。從圖4可看出：①單體和群體工況下的基底彎矩（最大值、最小值和平均值）隨風(fēng)向的變化規(guī)律基本一致；②y向基底彎矩My在風(fēng)向50°～130°達(dá)到極大值，而x向基底彎矩Mx在風(fēng)向170°～250°達(dá)到極大值；③無(wú)論是x向還是y向，群體工況下的基底彎矩極大值均小于單體工況下的結(jié)果；④群體工況下的y向極小負(fù)彎矩My，min與單體工況下的結(jié)果較為接近，但其x向最小負(fù)彎矩Mx，min的絕對(duì)值卻遠(yuǎn)小于單體工況下的結(jié)果。

圖4 結(jié)構(gòu)基底彎矩

2.3 等效靜風(fēng)荷載

計(jì)算得到各樓層等效靜風(fēng)荷載，并將計(jì)算結(jié)果與利用規(guī)范方法得到的等效靜風(fēng)荷載進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。由圖5可知：①單體工況與群體工況下的等效靜風(fēng)荷載均隨高度的增大而增大且整體上較為接近，單體工況下的x和y向等效靜風(fēng)荷載均略大于群體工況下的結(jié)果，相差范圍僅在5%以內(nèi)，這說(shuō)明周邊建筑對(duì)于該建筑等效靜風(fēng)荷載的影響并不明顯；②除塔冠外，單體和群體2種試驗(yàn)工況下x和y方向等效靜風(fēng)荷載均明顯小于按規(guī)范方法計(jì)算得到的結(jié)果，其中單體和群體試驗(yàn)工況下等效靜風(fēng)荷載與規(guī)范計(jì)算結(jié)果的最大相差率（規(guī)范結(jié)果-試驗(yàn)結(jié)果）/試驗(yàn)結(jié)果）均超過(guò)了50%。

圖5 等效靜風(fēng)荷載

2.4 樓層剪力

圖6給出單體和群體工況下x和y向樓層剪力的計(jì)算結(jié)果，并與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖6中可看出：①單體和群體工況下的樓層剪力均隨高度增加而減小，在建筑底部和中部范圍內(nèi)單體工況下的樓層剪力明顯大于群體工況下的樓層剪力，隨著高度增加，單體與群體工況下的樓層剪力逐漸接近；②按規(guī)范計(jì)算的樓層剪力隨著高度增加迅速減小，在建筑底部到中部范圍內(nèi)，按規(guī)范計(jì)算的樓層剪力明顯大于單體和群體的結(jié)果，但隨著高度增加，按規(guī)范計(jì)算的結(jié)果會(huì)小于單體和群體試驗(yàn)的結(jié)果。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)基底剪力發(fā)現(xiàn)，按規(guī)范計(jì)算得到的建筑x和y向基底剪力分別超過(guò)單體工況下的結(jié)果的41.03%和40.48%（（規(guī)范結(jié)果-單體試驗(yàn)結(jié)果）/單體試驗(yàn)結(jié)果）。

圖6 樓層剪力

2.5 等效體型系數(shù)

根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)等效原則可得到各風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)的等效體型系數(shù)，單體和群體工況下x和y向等效體型系數(shù)隨風(fēng)向的變化如圖7所示。從圖7中可看出單體和群體工況下的體型系數(shù)隨風(fēng)向變化的整體規(guī)律是一致的，在大部分風(fēng)向角下單體工況下的體型系數(shù)（絕對(duì)值）大于群體工況下的結(jié)果。x方向體型系數(shù)（絕對(duì)值）在單體和群體工況下的最大值分別為1.13和1.02，y向體型系數(shù)（絕對(duì)值）在單體和群體工況下的最大值分別為1.17和1.01。

圖7 體型系數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

在單體和群體建筑工況下，對(duì)某Y形截面超高層建筑展開(kāi)高頻天平測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，并進(jìn)行風(fēng)致響應(yīng)研究，主要結(jié)論如下。

1）單體工況與群體工況下該建筑基底彎矩、等效靜風(fēng)荷載、樓層剪力和等效體型系數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

2）單體工況下該建筑x和y方向基底彎矩的極大值均大于單體工況下結(jié)果。

3）單體工況與群體工況下的等效靜風(fēng)荷載整體上較為接近，相差在5%以內(nèi)，且除塔冠外其余均明顯小于規(guī)范結(jié)果。

4）單體工況下結(jié)構(gòu)各樓層剪力明顯大于群體工況下的結(jié)果。

5）在建筑底部到中部范圍內(nèi)，按規(guī)范方法獲得的樓層剪力明顯大于試驗(yàn)結(jié)果，但隨著高度的增加，規(guī)范結(jié)果會(huì)小于試驗(yàn)結(jié)果。