某超限高層建筑風(fēng)洞試驗分析

樊 浩 （長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

該項目位于漢陽大堤以南，項目主要用途為民用住宅和輔助用房，由多層配套用房和超高層住宅群組成。項目由3 棟50～57 層（01#樓、02#樓、03#樓）B級高度高層住宅、一棟幼兒園、門房等組成。其中住宅塔樓57 層，大屋面高度為168.9m，均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)住建部建質(zhì)〔2015〕67 號文，屬于高度超限的超高層建筑。該項目鳥瞰效果圖如圖1所示。

圖1 鳥瞰效果圖

2 主要技術(shù)條件

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[1]與《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）[2]，項目有關(guān)風(fēng)荷載參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)荷載取值表

3 風(fēng)洞試驗

3.1 試驗參數(shù)

本項目北臨漢江，北側(cè)場地較為空曠，周邊風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，建筑群風(fēng)力干擾形成的群體效應(yīng)明顯。鑒于我國當(dāng)前實施的相關(guān)風(fēng)荷載規(guī)范尚無法直接適用于該超高層建筑的抗風(fēng)性能設(shè)計[3]，可采用風(fēng)洞試驗對該建筑和特定風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而為該建筑抗風(fēng)設(shè)計提供參考依據(jù)[4]。

為模擬實際風(fēng)荷載，建設(shè)方委托武漢大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究所開展了風(fēng)洞試驗分析。為精確模擬該項目所處的風(fēng)環(huán)境，本試驗充分考慮了周邊建筑物的干擾影響效應(yīng)，采用1:250 比例的等效模型，真實還原了以塔樓為中心的300m半徑范圍內(nèi)的主要建（構(gòu)）筑物，其材質(zhì)主要為PVC 板，如圖2 所示。此外，為模擬大氣邊界層風(fēng)場，在試驗場內(nèi)放置了檔板、尖塔和粗糙元等試驗裝置。

圖2 風(fēng)洞試驗裝置及周邊建筑

本項目采用規(guī)范《ESDU82026》與《ESDU825020》的風(fēng)環(huán)境模型進(jìn)行地塊周邊地貌的計算[5]，在確定風(fēng)剖面、風(fēng)速、風(fēng)剖面指數(shù)、湍流圖、湍流積分尺度后，得到各風(fēng)向角對應(yīng)的地貌。由地貌計算結(jié)果可知，0°～60°、315°～345°為B類地貌，75°、285°～300°為C 類地貌，其余風(fēng)向角為C、D 類之間的過渡地貌?？紤]到設(shè)計安全性，采用C 類地貌進(jìn)行試驗，地貌結(jié)果綜合簡化如圖3所示。

圖3 本地塊項目地貌分布

為實時測得風(fēng)洞試驗參考高度處的風(fēng)速，在模型左前方處放置了眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速探頭，與模型測壓同步測量此處的風(fēng)速，其放置高度為1m。共使用6 臺掃描閥對模型的表面風(fēng)壓進(jìn)行同步檢測，依次對所有測壓點的壓力信號進(jìn)行掃描。風(fēng)洞試驗考慮了24 個風(fēng)向角，角度間隔15°，模擬0°～360°風(fēng)向角的情況。風(fēng)洞試驗提供的X、Y 最不利風(fēng)向角分別為135°、0°，風(fēng)洞試驗風(fēng)向角布置如圖4所示。

圖4 風(fēng)洞試驗風(fēng)向角圖

試驗時逐行掃描，得到在各來流風(fēng)向角下，所有測點的風(fēng)壓時程單位為Pa，并采用風(fēng)速儀同步得到各風(fēng)向角在參考點處的風(fēng)速時程，單位m/s。

3.2 試驗設(shè)備

該試驗在武漢大學(xué)WD-1 風(fēng)洞試驗室中完成。該風(fēng)洞試驗段長×寬×高=16.0m×3.2m×2.1m，該設(shè)備設(shè)計最大風(fēng)力速度為30m/s，試驗風(fēng)力速度可調(diào)節(jié)范圍為1～30m/s。通過放置在風(fēng)洞試驗段上游的尖劈、粗糙元組合，可以更加精確地模擬不同縮尺比的大氣邊界層風(fēng)場特性。工作轉(zhuǎn)盤直徑為2.5m，可在0°～360°通過自動控制來模擬任何風(fēng)向角的模型試驗風(fēng)場。經(jīng)檢測，該風(fēng)洞的各流場品質(zhì)參數(shù)均滿足設(shè)計要求，風(fēng)洞試驗采用設(shè)備如圖5所示。

圖5 風(fēng)洞試驗設(shè)備圖

3.3 風(fēng)致響應(yīng)

將試驗中所測得風(fēng)壓時程進(jìn)行面積加權(quán)處理后再進(jìn)行迭加計算，即可得模型各層X、Y 軸向的風(fēng)荷載時程。將試驗中所測得風(fēng)壓時程進(jìn)行面積加權(quán)處理后再乘以該點至各層中心點力臂并進(jìn)行迭加計算，即可得出各層的扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載時程[6]。

本地塊塔樓所在地的實際風(fēng)環(huán)境對應(yīng)不同的風(fēng)向角地貌，分別采用B 類地貌（地面粗糙度系數(shù)為0.15）、C 類地貌（地面粗糙度系數(shù)為0.22）進(jìn)行計算，結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)計算峰因子一律取2.5。本項目計算得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不包括結(jié)構(gòu)自重和其它荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。通過有限元軟件得到本項目塔樓前3 階固有頻率如圖6 所示。在由有限元模型得到結(jié)構(gòu)的各階振型的基礎(chǔ)上，建立結(jié)構(gòu)的分層多自由度模型，將各層各節(jié)點X 軸向、Y 軸向和扭轉(zhuǎn)向各振型值取平均值即得到多自由度模型的X 軸向、Y 軸向和扭轉(zhuǎn)向各階振型，本次計算取各軸向前兩階振型為主振型來計算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。

圖6 結(jié)構(gòu)前3階振型頻率

圖7 規(guī)范算法與風(fēng)洞試驗結(jié)果對比

根據(jù)該項目周邊環(huán)境，在10 年、50年和100 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，結(jié)構(gòu)最大加速度響應(yīng)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)頂層加速度表（單位：m/s2）

根據(jù)該項目周邊環(huán)境情況，在10 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，該建筑群中最高居住層的各風(fēng)向角最大加速度為7.7cm/s2；在50 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，本項目1 號樓一單元頂層各風(fēng)向角最大加速度達(dá)到11.9cm/s2；而在100 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，本項目1 號樓一單元頂層各風(fēng)向角最大加速度達(dá)到14.5cm/s2。

根據(jù)目前在風(fēng)工程性能設(shè)計中所普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)，可使居住者感受到緊張的加速度閾值為15cm/s2，可使居住者感受到十分不適的加速度閾值為50cm/s2。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）規(guī)定，對高層混凝土住宅結(jié)構(gòu)，其在10 年重現(xiàn)期風(fēng)速作用下，頂層最大加速度應(yīng)小于15cm/s2。

塔樓頂部主軸向最大位移均發(fā)生Y軸向，是平均位移與最大動態(tài)位移之和。

試驗結(jié)果表明，在10 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速的作用下，風(fēng)向角為0°時塔樓頂部Y 軸向出現(xiàn)最大位移，達(dá)到11.75cm；在50 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，風(fēng)向角為0°時塔樓頂部Y 軸向出現(xiàn)最大位移，達(dá)到15.72cm；在100 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，風(fēng)向角為0°時塔樓頂部Y 軸向出現(xiàn)最大位移，達(dá)到18.03cm。在10 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，風(fēng)向角為0°時塔樓頂部中心點出現(xiàn)最大合位移，達(dá)到11.89cm，塔樓頂部的側(cè)移與建筑高度的比值為1/1562；在50年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，頂部中心點最大合位移發(fā)生在0°風(fēng)向角，達(dá)到16.05cm，頂部的側(cè)移與其高度的比值為1/1157；在100 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，風(fēng)向角為0°時塔樓頂部中心點出現(xiàn)最大合位移，達(dá)到18.45cm，塔樓頂部的側(cè)移與建筑高度的比值為1/1006。由此可知，0°風(fēng)向角對該建筑頂部位移影響較大。

塔樓各軸向的等效風(fēng)荷載由平均風(fēng)荷載和動力風(fēng)荷載兩部分組成，平均風(fēng)荷載直接由平均風(fēng)壓計算得到，而動力風(fēng)荷載分為背景分量等效風(fēng)荷載和慣性力分量等效風(fēng)荷載，采用基于內(nèi)力等效的振型加速度法計算得到。通過比較各風(fēng)向角各軸向等效風(fēng)荷載，得到等效風(fēng)荷載有如下特點。

①結(jié)構(gòu)X 軸向、Y 軸向、扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)荷載都應(yīng)考慮。

②當(dāng)風(fēng)沿著結(jié)構(gòu)主軸作用時，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向等效風(fēng)荷載和順風(fēng)向等效風(fēng)荷載在同一數(shù)量級。

③風(fēng)振系數(shù)是進(jìn)行高層建筑抗風(fēng)設(shè)計的重要系數(shù)，是判斷結(jié)構(gòu)順風(fēng)向等效風(fēng)荷載大小的依據(jù)。當(dāng)風(fēng)沿著結(jié)構(gòu)主軸作用時，結(jié)構(gòu)順風(fēng)向荷載風(fēng)振系數(shù)一般隨高度的增加而增大。當(dāng)風(fēng)沿主軸作用時，在結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)振系數(shù)大致在2.0 附近，在結(jié)構(gòu)底部其風(fēng)振系數(shù)大致在1.1～2.0 之間。由于周邊建筑對該樓有很強(qiáng)的干擾效應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)相當(dāng)多的區(qū)域出現(xiàn)平均風(fēng)壓很小的情況，這樣會在某些特定風(fēng)向角情況下，結(jié)構(gòu)特定高度處的風(fēng)振系數(shù)偏大。特別是在頂點，由于其界面收縮十分明顯，因此，其風(fēng)振系數(shù)出現(xiàn)特別離散的情況，但是其整體風(fēng)荷載卻不大。

3.4 風(fēng)洞計算

從上述分析可以看出，在10 年重現(xiàn)期風(fēng)荷載作用下，該項目塔樓最高層最大加速度響應(yīng)均小于我國高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的加速度界限值。

圖7 為塔樓采用風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）按場地類別C 類風(fēng)荷載計算結(jié)果的對比，風(fēng)洞試驗采用135°和0°風(fēng)向角對應(yīng)的等效靜力風(fēng)荷載作為X向、Y向風(fēng)荷載輸入。

需要說明的是，上述對比數(shù)據(jù)中風(fēng)洞數(shù)據(jù)是按50 年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓進(jìn)行的風(fēng)洞試驗結(jié)果。規(guī)范算法按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）計算，場地類別取C，體型系數(shù)取1.4，并考慮1.1的干擾系數(shù)進(jìn)行計算。

計算結(jié)果對比可見，X 向風(fēng)荷載，由于實際樓棟雙拼，X 向只承受單面風(fēng)荷載，風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)、樓層剪力及位移角均小于相應(yīng)“規(guī)范C場0.35”的計算結(jié)果；Y向風(fēng)荷載，風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，樓層剪力在上部20 層以上小于按“規(guī)范-C 場0.35 風(fēng)壓(x1.1 干擾系數(shù)) ”的計算結(jié)果，在20層樓層以下要大于按“規(guī)范-C 場0.35風(fēng)壓(x1.1 干擾系數(shù)) ”的計算結(jié)果，相應(yīng)位移角小于按“規(guī)范-C 場0.35 風(fēng)壓(x1.1干擾系數(shù))”計算結(jié)果。

4 結(jié)論

綜上所述，可以得到本項目塔樓抗風(fēng)性能評價如下：

該塔樓維護(hù)結(jié)構(gòu)按照本項目給定的極值風(fēng)壓包絡(luò)圖進(jìn)行設(shè)計，其維護(hù)結(jié)構(gòu)能滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的要求；

該塔樓在居住者舒適度方面，頂層在10 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下的加速度顯著小于《高層民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2012）中規(guī)定的限值，表明該塔樓可達(dá)到居住者對舒適度的要求；

在結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)方面，考慮風(fēng)向折減系數(shù)以后，該塔樓在10 年、50 年以及100 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下的最大層間位移角分別為1/1278、1/956 和1/834，滿足我國《高層民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2012）的要求；

需要指出的是，本項目的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)和扭轉(zhuǎn)荷載的貢獻(xiàn)較大，這主要是由于其X 軸向和扭轉(zhuǎn)項存在耦合振動情況所致，應(yīng)引起設(shè)計人員對扭轉(zhuǎn)響應(yīng)貢獻(xiàn)的重視；

工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）對比綜合取值；

該超限高層塔樓在特定風(fēng)環(huán)境中的抗風(fēng)性能良好，能夠滿足結(jié)構(gòu)安全、適用、可靠的要求。