論高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)的必要性

尚永樂

摘要：本文主要列舉某圓形高層結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算后對比YJK和SAP2000兩個(gè)模型結(jié)果文件，在周期及質(zhì)量相對誤差在5%以內(nèi)后，對比規(guī)范風(fēng)荷載以和風(fēng)洞試驗(yàn)作用下風(fēng)對高層建筑位移角、位移比、風(fēng)荷載舒適度、墻體受拉分析等結(jié)果。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞試驗(yàn);位移角;風(fēng)荷載舒適度;墻底拉應(yīng)力

引言

隨著高層建筑普及度逐日提高，風(fēng)荷載在總荷載中占有相當(dāng)大的比重，甚至起著決定性的作用，尤其一些高層建筑較為密集的城市地區(qū)，由于群風(fēng)效應(yīng)的影響，僅憑相關(guān)規(guī)范已經(jīng)無法準(zhǔn)確的確定風(fēng)荷載的數(shù)值，如果選規(guī)范風(fēng)荷載小于真實(shí)風(fēng)荷載將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。且荷載規(guī)范中關(guān)于橫風(fēng)向風(fēng)陣加速度的計(jì)算也只有關(guān)于矩形截面的，缺少圓形、不規(guī)則形狀的橫風(fēng)向風(fēng)陣加速度計(jì)算。所以此時(shí)需要風(fēng)洞試驗(yàn)來準(zhǔn)確的記錄風(fēng)荷載數(shù)值，以保證在風(fēng)荷載工況下結(jié)構(gòu)的位移角、位移比、風(fēng)荷載舒適度、墻體受拉分析滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1項(xiàng)目概況

某通風(fēng)塔。地上工程主屋面高度約180.00米。本項(xiàng)目雖然結(jié)構(gòu)體系比較簡單，但是其高度比較高且使用功能較為復(fù)雜，一些控制參數(shù)在國內(nèi)相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定不明確，比如位移控制值、風(fēng)振位移加速度等方面。合理選取這些控制參數(shù)，將保證結(jié)構(gòu)正常工作;非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和各種設(shè)施的完好;防止風(fēng)荷載較大時(shí)對使用者產(chǎn)生不舒適的感覺等。本文包含了計(jì)算依據(jù)、主要假定、設(shè)計(jì)方法及部分結(jié)果。

結(jié)構(gòu)超限類別及程度根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010（以下簡稱高規(guī)）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（以下簡稱抗規(guī)），按剪力墻體系，本工程的超限情況判斷：高度：180m/超B級。高寬比：X向11.5，Y向8.7超限。平面規(guī)則性：核心筒內(nèi)樓板很少，樓板集中于筒外懸挑板，無法形成剛性隔板約束。屬于樓板不連續(xù)。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)抗規(guī)相關(guān)的條文要求及相關(guān)工程可行性研究調(diào)整報(bào)告，對于結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)采用的建筑物分類參數(shù)如下：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：100年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐久性：100年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級：二級，建筑抗震設(shè)防分類：乙類，特征周期Tg：0.90s，彈性分析，阻尼比：0.05，周期折減系數(shù)：0.9。

3荷載

樓面荷載：鋼筋混凝土重度按26KN每平方米考慮，鋼材重度按78kN每平方米考慮。恒載：樓板、梁、柱和剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重在計(jì)算中由計(jì)算程序根據(jù)構(gòu)件截面和材料直接計(jì)算?；钶d：按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）（以下簡稱荷規(guī)）取值。

（1）風(fēng)荷載：規(guī)范風(fēng)荷載。按照規(guī)定，本工程按100年一遇基本風(fēng)壓 0.55kN/m2，進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，按1.1倍的100年一遇的基本風(fēng)壓進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì);地面粗糙度按A類考慮;風(fēng)荷載體型系數(shù)取0.8。（2）風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。由于本項(xiàng)目高度較高，周邊還有高層建筑，風(fēng)荷載存在一定不確定性，某防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對本項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

4結(jié)構(gòu)體系

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系具有一定特殊性。首先作為構(gòu)筑物，其結(jié)構(gòu)形式類似一般電視塔或大型煙囪，體系比較簡單;其次具有一定的使用功能，特別是頂部區(qū)域，功能相對復(fù)雜。所以無論按照一般構(gòu)筑物或是一般民用建筑進(jìn)行體系劃分都存在不合適之處，需要綜合考慮二者特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（1）主體結(jié)構(gòu)：從風(fēng)塔主體結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)出發(fā)，將其定義為：鋼筋混凝土剪力墻筒體+懸挑桁架（梁）結(jié)構(gòu)。（2）剪力墻。采用鋼筋混凝土剪力墻。底部剪力墻部分墻肢內(nèi)埋型鋼，目的是保證風(fēng)荷載作用下墻肢拉應(yīng)力不超過1ftk，中上部區(qū)域部分墻肢內(nèi)埋型鋼，主要作用是方便與型鋼懸挑桁架連接，保障傳力途徑的可靠性。不同高度處內(nèi)墻（外墻）墻厚如下。0-60m：300（500），60m-156m：250/300（400），156m-180m：250（350）。

5結(jié)構(gòu)性能化目標(biāo)及設(shè)計(jì)要求

風(fēng)塔不是典型的民用高層建筑，考慮其超高且具有較為復(fù)雜的臨時(shí)使用功能等特點(diǎn)，在選取各項(xiàng)控制參數(shù)時(shí)主要參照《高規(guī)》，個(gè)別參數(shù)進(jìn)行酌情調(diào)整，保證結(jié)構(gòu)的安全性、正常工作狀態(tài)、人員的舒適性等。（1）結(jié)構(gòu)水平變形限值：由于風(fēng)塔的特殊性，其層間位移角限值在不同規(guī)范中有不同的要求，如下表所示。根據(jù)本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)合使用功能要求，將層間位移角限值參照《高混規(guī)》及《上海市抗規(guī)》要求定為1/735。

（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)：

（3）結(jié)構(gòu)舒適度控制：按照《高規(guī)》第3.7.6條要求，對辦公用途房屋，10年一遇的風(fēng)荷載順風(fēng)及橫風(fēng)最大加速度不應(yīng)超過0.25m/s2。按照《高鋼規(guī)》3.3.5要求，對辦公用途房屋，10年一遇的風(fēng)荷載順風(fēng)及橫風(fēng)最大加速度不應(yīng)超過0.28m/s2。故取0.28m/s2作為控制標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比一取0.02。

6模型中樓層的假定

風(fēng)塔的側(cè)向剛度比較均勻，但質(zhì)量在豎向上分布并不均勻，質(zhì)量主要集中于有使用功能的幾層，上下層之間在中部和下部高差甚至達(dá)到40米。在模型分析中將全部質(zhì)量集中與樓板標(biāo)高顯然不合實(shí)際。考慮到所有層高均為4m或4m的模數(shù)，模型中人為將風(fēng)塔分為每4m高度一層，用于凝聚質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)。采用YJK進(jìn)行彈性分析和計(jì)算，另外對該工程采用了SAP2000軟件進(jìn)行對比分析和計(jì)算，校核計(jì)算結(jié)果。YJK模型中，為使模型質(zhì)量分布更接近真實(shí)，并方便參數(shù)統(tǒng)計(jì)，人為將風(fēng)塔中間挑空部分劃分為每4米一層。

7風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果分析

模型主要參數(shù)：結(jié)構(gòu)總層數(shù)/地下室層數(shù)：47/3。

風(fēng)荷載計(jì)算信息：根據(jù)風(fēng)洞報(bào)告結(jié)果/根據(jù)規(guī)范風(fēng)。1.3結(jié)構(gòu)類型：剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)總信息通過對比YJK和SAP2000計(jì)算數(shù)據(jù)，兩款軟件中周期及質(zhì)量相對誤差較小，此計(jì)算數(shù)據(jù)可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。風(fēng)塔計(jì)算的前三個(gè)振型為X、Y向平動(dòng)，繞Z向扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期比第一平動(dòng)周期為0.23，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小，滿足《高規(guī)》JGJ3-2010第3.4.5條周期比小于0.85的要求。

風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移：YJK計(jì)算得出的樓層位移曲線如下圖所示。

風(fēng)剪力及彎矩分析，YJK計(jì)算得出的樓層剪力如下圖所示。

風(fēng)荷載舒適度：由于規(guī)范中關(guān)于橫風(fēng)向風(fēng)陣加速度的計(jì)算缺少圓形、不規(guī)則形狀的橫風(fēng)向風(fēng)陣加速度計(jì)算，根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)塔頂部X向加速最大值為0.249m/s2，Y向加速度最大值為0.286m/s2，基本滿足0.28m/ s2作為控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。風(fēng)荷載作用下墻體受拉分析：參考抗震審查技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或小震作用下墻肢名義拉應(yīng)力也不應(yīng)大于1.0ftk，根據(jù)結(jié)果，在風(fēng)洞數(shù)據(jù)下，底部墻肢出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，局部墻肢的最大拉應(yīng)力達(dá)到約4Mpa，大于1ftk=2.85Mpa，故需要在底部設(shè)置少量型鋼才能滿足相關(guān)要求。

結(jié)語：此高層建筑受附近建筑影響會(huì)產(chǎn)生群風(fēng)效應(yīng)，規(guī)范風(fēng)荷載不能完全準(zhǔn)確的記錄風(fēng)荷載對建筑的影響，通過對比此工程規(guī)范風(fēng)和風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)洞試驗(yàn)的荷載作用下，樓層的最大位移、層間位移角、基底剪

力、抗傾覆彎矩以及墻底拉應(yīng)力均處于不利的情況。

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