基于風(fēng)洞試驗(yàn)的高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體建筑抗風(fēng)性能分析?

秦長(zhǎng)金，伍 剛，吳慧林，李佳俊，賈磊柱，梅 俊，劉飛凡，徐 衛(wèi)

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510630；2.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；3.武漢花山生態(tài)新城投資有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

近年來，隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，新型高層建筑類型不斷涌現(xiàn)，其中復(fù)雜連體建筑作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，為建筑選型帶來了多樣性和可能性［1-3］，本文所研究的高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體建筑就是其中之一。

由于該建筑具有不規(guī)則性，無(wú)法按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用風(fēng)振系數(shù)描述規(guī)則建筑順風(fēng)向的動(dòng)力風(fēng)效應(yīng)。 同時(shí)，由于這類復(fù)雜連體建筑在國(guó)內(nèi)屬新興建筑結(jié)構(gòu)，缺乏類似工程實(shí)例參考，增加了研究和設(shè)計(jì)難度。

為了獲取符合實(shí)際情況的不規(guī)則建筑的表面風(fēng)壓［4］、風(fēng)致響應(yīng)［5］和等效風(fēng)荷載［6］等參數(shù)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)、可靠的參考依據(jù)，有必要進(jìn)行高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體建筑的風(fēng)洞試驗(yàn)［7］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)建筑的抗風(fēng)性能進(jìn)行了廣泛研究。 在建筑結(jié)構(gòu)方面，劉小兵等［8］分析了0～45°范圍內(nèi)不同風(fēng)向角下方柱的氣動(dòng)特性，得到了方柱的平均風(fēng)壓分布、脈動(dòng)風(fēng)壓分布、平均氣動(dòng)力、脈動(dòng)氣動(dòng)力、旋渦脫落特性和馳振穩(wěn)定性隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。 鄭德乾等［9］結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)T4 航站樓主樓屋蓋表面的風(fēng)荷載進(jìn)行了研究。 Tavakol 等［10］對(duì)帶有圓屋頂陣列的孤立建筑物進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)試，發(fā)現(xiàn)與第1 個(gè)圓頂相比，第2 個(gè)和第3 個(gè)圓頂上的分離點(diǎn)逐漸向下游移動(dòng)。 在復(fù)雜建筑的抗風(fēng)性能方面，吳澤達(dá)等［11］以非對(duì)稱雙塔高層建筑為對(duì)象進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果表明周邊環(huán)境會(huì)導(dǎo)致塔樓迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)減小30%～50%。 余先鋒等［12］通過剛體模型同步測(cè)壓試驗(yàn)獲得單體建筑以及不同干擾工況下受擾建筑表面的風(fēng)荷載，并在不同折算風(fēng)速下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算。 李秋勝等［13］對(duì)廣州國(guó)際會(huì)展中心模型進(jìn)行了風(fēng)壓分布風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)表明負(fù)風(fēng)壓主要發(fā)生在迎風(fēng)角區(qū)，但在下風(fēng)向會(huì)出現(xiàn)正壓力。

從上述研究可以看出，盡管已有很多關(guān)于各類建筑結(jié)構(gòu)和建筑造型抗風(fēng)性能的研究，但針對(duì)高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體建筑的研究仍較少。因此，需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)來深入探究該類復(fù)雜建筑的抗風(fēng)性能。 本研究以縮尺模型來模擬實(shí)際建筑在風(fēng)場(chǎng)中的受力情況，探究不規(guī)則形態(tài)對(duì)風(fēng)荷載分布的影響，為類似建筑的設(shè)計(jì)和施工提供可靠的參考依據(jù)。

1 工程概況

光谷人民醫(yī)院項(xiàng)目的規(guī)劃用地性質(zhì)為醫(yī)院用地和社區(qū)公園。 項(xiàng)目規(guī)劃凈用地面積為52 391m2，容積率為2.77，總建筑面積為244 175m2，其中地上建筑面積138 645m2，地下建筑面積105 530m2。 在項(xiàng)目場(chǎng)地中部設(shè)有1 條排水走廊，該地塊被社區(qū)公園用地（包括城市排水走廊）分為東區(qū)和西區(qū)。 西區(qū)包括2 棟12 層的住院樓（A 棟、C 棟）、1 棟4 層的西區(qū)門診醫(yī)技樓和1 棟5 層的行政樓。 東區(qū)包括2 棟12 層的住院樓（B 棟、D 棟）、1 棟4 層的東區(qū)門診醫(yī)技樓、1 棟4 層的立體停車樓、1 棟3 層的發(fā)熱門診樓，以及1 棟1 層的垃圾污水處理站和液氧站。西區(qū)醫(yī)技樓和東區(qū)醫(yī)技樓每層通過2 道連橋連接，而4 棟住院塔樓在12 層標(biāo)高處通過空中的Z 形連橋相互連接，形成了高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體建筑。 項(xiàng)目總體平面效果如圖1 所示。

圖1 總平面效果Fig.1 General plan

項(xiàng)目周邊已建和待建的高層建筑形成了一個(gè)復(fù)雜的紊流風(fēng)場(chǎng)，各建筑之間的繞流干擾效應(yīng)強(qiáng)。而該連體塔樓作為一個(gè)高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體建筑，在強(qiáng)風(fēng)作用下將產(chǎn)生相當(dāng)大的表面風(fēng)壓和結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定：房屋和構(gòu)筑物與表8.3.1 中的“體型不同且無(wú)參考資料可以借鑒時(shí)，宜由風(fēng)洞試驗(yàn)確定；對(duì)于重要且體型復(fù)雜的房屋和構(gòu)筑物，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。”

該項(xiàng)目外立面造型特殊，目前我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載規(guī)范尚未涵蓋這類建筑。 為此，通過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)的表面風(fēng)壓，并通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算分析獲得結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布、風(fēng)致響應(yīng)、風(fēng)振系數(shù)和等效風(fēng)荷載。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒?/h2>

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本項(xiàng)目建筑測(cè)壓模型由ABS 塑料板制成，幾何縮尺比例為1 ∶250。 模型共布置了438 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。模型底部與連接板固連，連接板與風(fēng)洞試驗(yàn)段工作轉(zhuǎn)盤固連。

周邊建筑的干擾對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載影響較大，試驗(yàn)通過直接模擬周邊建筑情況來考慮結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)。 根據(jù)總平面圖以及現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，試驗(yàn)?zāi)M了大樓周圍約400m 半徑內(nèi)的主要建筑，按照平面圖位置擺放于風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭小?在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，周邊建筑對(duì)目標(biāo)建筑的干擾體現(xiàn)在試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)上，本項(xiàng)目風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果考慮了周邊建筑干擾后的結(jié)果。 周圍建筑采用PVC 板制成模型模擬。整體風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2 所示。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸苓吔ㄖ﨔ig.2 Wind tunnel test model and surrounding buildings

結(jié)合周邊情況，風(fēng)洞試驗(yàn)在180°迎風(fēng)情況下周圍建筑最密集，所有風(fēng)向角中的最大阻塞比為4%，根據(jù)JGJ／T 338—2014《建筑工程風(fēng)洞試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中3.2.5 條：阻塞比應(yīng)小于5%，本次試驗(yàn)滿足要求。

2.2 試驗(yàn)方法

為了測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)，參考高度處風(fēng)速，在模型左前方處安裝了三維脈動(dòng)風(fēng)速探頭，與模型測(cè)壓同步測(cè)量此處的風(fēng)速，放置高度為1.0m。 采用電子掃描閥測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)量模型表面風(fēng)壓。 掃描閥對(duì)模型的表面風(fēng)壓進(jìn)行同步測(cè)量，依次對(duì)所有測(cè)壓點(diǎn)的壓力信號(hào)進(jìn)行掃描。 脈動(dòng)壓力的采樣時(shí)間為62s（根據(jù)相似理論要求的采樣時(shí)間為61.2s，相當(dāng)于實(shí)際1h 的采樣時(shí)間），每個(gè)測(cè)點(diǎn)的采樣頻率為331Hz，試驗(yàn)參考點(diǎn)風(fēng)速約為9.0m／s。

試驗(yàn)通過旋轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)盤，模擬0°～360°風(fēng)向角的情況，其角度間隔為10°，共36 個(gè)試驗(yàn)風(fēng)向角。試驗(yàn)風(fēng)向角如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)風(fēng)向角Fig.3 Test wind angle

2.3 風(fēng)場(chǎng)模擬

本文的風(fēng)洞試驗(yàn)采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的B 類地貌，采用擋板、尖塔、粗糙元等裝置模擬大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，模擬風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)剖面地面粗糙度指數(shù)α為0.15，模擬的風(fēng)速譜為Von Karman 譜。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

經(jīng)過資料調(diào)研、模型制作、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算分析5 個(gè)階段，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了剛性模型制作、風(fēng)場(chǎng)模擬與多點(diǎn)測(cè)剛性模型表面壓力時(shí)程風(fēng)洞試驗(yàn)，全面完成了該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)在各種工況下表面平均風(fēng)壓與極值風(fēng)壓的計(jì)算、分析工作，同時(shí)根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論與相似理論，由各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力風(fēng)荷載數(shù)值模型，求得本項(xiàng)目高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體結(jié)構(gòu)在各種工況下的風(fēng)振反應(yīng)與等效風(fēng)荷載。

3.1 結(jié)構(gòu)特性

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)為連體建筑，結(jié)構(gòu)頻率與振型由有限元建模計(jì)算得到（見圖4），根據(jù)計(jì)算精度的需要，本項(xiàng)目考慮了前16 階振型，結(jié)構(gòu)各階振型如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)前16 階固有頻率Table 1 First 16 natural frequencies of the structure

圖4 結(jié)構(gòu)整體三維模型Fig.4 Overall three-dimensional model of the structure

3.2 結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓

本項(xiàng)目采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的方法分析了該建筑外墻表面的極值風(fēng)壓和平均風(fēng)壓系數(shù)，其中極值風(fēng)壓如表2 所示。

表2 極值風(fēng)壓Table 2 Extreme wind pressurekPa

3.3 結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)與等效風(fēng)荷載

3.3.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)振加速度響應(yīng)

在10 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，結(jié)構(gòu)頂層各風(fēng)向角最大加速度如表3 和圖5 所示。

表3 結(jié)構(gòu)頂層各風(fēng)向角最大加速度Table 3 Maximum acceleration at each wind direction on the top layer of the structure

圖5 全風(fēng)向角結(jié)構(gòu)頂層最大加速度響應(yīng)Fig.5 Maximum acceleration response at the top layer of all wind angle structure

在10 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下，結(jié)構(gòu)頂層x軸風(fēng)向角最大加速度達(dá)到7.13cm／s2，y軸風(fēng)向角最大加速度達(dá)到6.82cm／s2。 根據(jù)國(guó)際工程界普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)，居住者感到不安的加速度閾值為15cm／s2，居住者感到十分難受的加速度閾值為50cm／s2。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，對(duì)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。

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(xiàng)目結(jié)構(gòu)最高層最大加速度響應(yīng)小于《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。

3.3.2 結(jié)構(gòu)頂層最大位移響應(yīng)

結(jié)構(gòu)頂層各風(fēng)向角最大位移如表4 和圖6 所示。 本項(xiàng)目頂部x軸最大位移發(fā)生在190°風(fēng)向角，達(dá)到 0.777 8cm， 頂部側(cè)移與高度的比值為1／7 932；頂部y軸最大位移發(fā)生在320°風(fēng)向角，達(dá)到1.395 6cm，頂部側(cè)移與其高度的比值為1／4 421。

表4 結(jié)構(gòu)頂層各風(fēng)向角最大位移Table 4 Maximum displacement of each wind direction at the top of the structure

圖6 全風(fēng)向角最大位移響應(yīng)Fig.6 Maximum displacement response at all wind angles

3.3.3 結(jié)構(gòu)底部?jī)?nèi)力

根據(jù)本項(xiàng)目分析計(jì)算得到的各節(jié)點(diǎn)等效風(fēng)荷載，得到該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)各風(fēng)向角底部剪力與彎矩。 各內(nèi)力如表5、圖7，8 所示，連廊結(jié)構(gòu)剪力如表6、圖9所示。

表6 結(jié)構(gòu)各風(fēng)向角連廊最大內(nèi)力Table 6 Maximum internal force of corridors at each wind direction of the structure

圖7 全風(fēng)向角基底剪力Fig.7 Base shear force of full wind angle

圖8 全風(fēng)向角基底彎矩Fig.8 Base bending moment of full wind angle

圖9 全風(fēng)向角連廊剪力Fig.9 Corridor shear force of full wind angle

由以上圖表分析可知，塔樓基底x軸剪力最不利風(fēng)向角為210°，基底y軸剪力最不利風(fēng)向角為210°，基底x軸傾覆彎矩最不利風(fēng)向角為160°，基底y軸傾覆彎矩最不利風(fēng)向角為240°。 對(duì)于連廊，其最不利風(fēng)向角為：10°，90°，190°，220°，280°。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)高位大跨度非對(duì)稱斜交四塔連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位可取用上述風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其計(jì)算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)整體位移變形控制的重要依據(jù)。 同時(shí)，本文也對(duì)本項(xiàng)目的抗風(fēng)性能進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，主要得出如下結(jié)論。

1）根據(jù)給定的極值風(fēng)壓包絡(luò)圖，項(xiàng)目的維護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過設(shè)計(jì)能夠滿足結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)要求。

2）在居住者舒適度方面，在10 年重現(xiàn)期極值風(fēng)速的作用下，本項(xiàng)目連體結(jié)構(gòu)大樓頂層的加速度未超過規(guī)范規(guī)定的最大加速度界限值，表明結(jié)構(gòu)可滿足居住者舒適度的要求。

3）本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能能夠滿足強(qiáng)度、剛度和舒適度的要求，保證了結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)也滿足了適用性和可靠性的要求。