臺(tái)風(fēng)作用下深圳新世界中心風(fēng)致響應(yīng)實(shí)測(cè)與風(fēng)洞試驗(yàn)研究

摘要： 依據(jù)近10年來(lái)監(jiān)測(cè)到的5次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過境期間深圳新世界中心的實(shí)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析了該建筑結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)影響下的響應(yīng)特點(diǎn)和模態(tài)參數(shù)變化特性，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與粗糙度指數(shù)α分別為0.22，0.30和0.35地形下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：歷次臺(tái)風(fēng)影響下實(shí)測(cè)建筑達(dá)到最大振幅附近時(shí)均表現(xiàn)為明顯的橫風(fēng)向振動(dòng)，且最大振動(dòng)方向均為南北方向；實(shí)測(cè)最大峰值加速度為17.28 cm/s²，滿足舒適度要求；臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率表現(xiàn)出明顯的振幅依賴性和時(shí)變特性，采用“時(shí)變”方式描述更加合理，幾次臺(tái)風(fēng)過程的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率均是隨時(shí)間先減小，在最大風(fēng)速時(shí)達(dá)到最小值，然后增大并恢復(fù)到常態(tài)值；結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比在中低振幅區(qū)域分布較為離散，隨著振幅的增加，阻尼比有所增大，順風(fēng)向和橫風(fēng)向的阻尼比最大分別為1.9%和1.2%；實(shí)測(cè)結(jié)果更接近于α為0.35地貌的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，顯示C類地貌的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果偏于保守。

關(guān)鍵詞： 超高層建筑；"現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；"風(fēng)洞試驗(yàn)；"參數(shù)識(shí)別；"地貌粗糙度

中圖分類號(hào)： TU398⁺.9 """文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A """文章編號(hào)： 1004-4523（2024）08-1359-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2024.08.010

引 言

隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)高度記錄的不斷刷新，高層結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)研究也越來(lái)越受到重視。從20世紀(jì)80年代初至今，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步完善，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的針對(duì)高層建筑的健康監(jiān)測(cè)工作。He等^［1］對(duì)深圳平安金融中心（600 m）在臺(tái)風(fēng)“海馬”通過期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析識(shí)別得到的固有頻率隨響應(yīng)幅值的增大而減小，而阻尼比隨響應(yīng)幅值的增大有波動(dòng)；Xie等^［2］對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間廣州西塔（532 m）的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究分析后同樣發(fā)現(xiàn)，模態(tài)頻率具有明顯的振幅依賴性但阻尼比與振幅無(wú)明顯的相關(guān)性；Huang等^［3］基于2011年至2016年上海環(huán)球金融中心（SWFC，492 m）頂層的加速度響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了鄰近上海中心大廈不同施工階段對(duì)SWFC結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，研究得出隨著上海中心大廈施工高度以及施工振幅的增加，SWFC前兩階模態(tài)頻率緩慢下降，而模態(tài)阻尼比有所增加，作者認(rèn)為是由于土體與結(jié)構(gòu)的相互作用，相鄰建筑會(huì)在不同程度上影響主體建筑的動(dòng)力特性；Pan等^［4］采用快速貝葉斯FFT方法對(duì)深圳卓越世紀(jì)中心（ZCC，280 m）在4次臺(tái)風(fēng)和微風(fēng)條件下風(fēng)致振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明阻尼比與振動(dòng)幅值沒有明顯的非線性關(guān)系；Zhang等^［5］在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間對(duì)深圳地區(qū)4座超高層建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，識(shí)別結(jié)果顯示在低幅值區(qū)域模態(tài)頻率存在多值問題，采用“時(shí)變”描述可以較好地體現(xiàn)模態(tài)參數(shù)的變化特征。相同臺(tái)風(fēng)期間，Zhou等^［6］對(duì)一棟392.5 m的超高層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)分析，結(jié)果進(jìn)一步表明“時(shí)變”方式比“幅值相關(guān)”更適合描述臺(tái)風(fēng)期間高層建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化；Wan等^［7］在臺(tái)風(fēng)“圓規(guī)”期間對(duì)深圳平安金融中心的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，模態(tài)頻率先減小后增大，阻尼比呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是驗(yàn)證風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的最可靠手段。謝壯寧等^［8］在4次不同臺(tái)風(fēng)期間對(duì)高度441.8 m的深圳京基100進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向?qū)崪y(cè)響應(yīng)和風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算峰值加速度響應(yīng)相差4.2%，說(shuō)明了風(fēng)洞試驗(yàn)的可靠性；Li等^［9］對(duì)367 m的香港某超高層建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)研究與風(fēng)洞試驗(yàn)的對(duì)比中指出風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大于實(shí)測(cè)結(jié)果，偏于保守；Liu等^［10?11］將超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”過境期間ZCC風(fēng)致加速度和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果偏于保守，ZCC項(xiàng)目通過使用平安北塔頂部600 m高處的風(fēng)速儀記錄的風(fēng)速數(shù)據(jù)，推算出較低的來(lái)流風(fēng)速作為風(fēng)場(chǎng)參考。這種方法使得風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果更為接近^［10］。這和他所研究的同樣風(fēng)況下位于深圳灣的另一棟超高層建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好的結(jié)論^［11］形成鮮明對(duì)比，顯示ZCC風(fēng)洞試驗(yàn)所選用的粗糙度是偏于保守的。北京氣象塔建塔選址應(yīng)該是偏于B類地貌，在經(jīng)歷近20年城市化發(fā)展之后，Li等^［12］通過沿塔體不同高度的多個(gè)風(fēng)速儀記錄得到的風(fēng)速分析得到周邊地貌實(shí)際的粗糙度指數(shù)為0.32，已經(jīng)超過GB 50009—2012規(guī)定的D類地貌粗糙度指數(shù)；全涌等^［13］在風(fēng)洞中模擬了同濟(jì)大學(xué)橋梁館WNW方向8 km長(zhǎng)、1.8 km寬的矩形區(qū)域的真實(shí)地貌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其地面粗糙度指數(shù)達(dá)到0.50～0.75。以上說(shuō)明風(fēng)洞試驗(yàn)中按規(guī)范模擬的地貌粗糙度可能存在與實(shí)際發(fā)展中地貌粗糙度不符合的問題，需要進(jìn)一步研究。

本文基于近10年來(lái)5次主要臺(tái)風(fēng)期間深圳新世界中心（SNWC）的實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析了建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點(diǎn)，并從振幅和時(shí)間兩個(gè)維度分析了建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律；最后，將臺(tái)風(fēng)“山竹”期間實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的最大峰值加速度與三種地貌下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析不同地貌粗糙度對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的影響。

1 臺(tái)風(fēng)簡(jiǎn)介

近10年對(duì)深圳地區(qū)影響較大的臺(tái)風(fēng)共有5次，分別為臺(tái)風(fēng)“納沙”“韋森特”“天鴿”“帕卡”和“山竹”。圖1為這5次臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑，除臺(tái)風(fēng)“納沙”外，其余4次臺(tái)風(fēng)的登陸地點(diǎn)均離深圳較近。

表1總結(jié)了這5次臺(tái)風(fēng)的基本信息，包括登陸時(shí)間、登陸地點(diǎn)及最大風(fēng)速等。臺(tái)風(fēng)均在登陸前達(dá)到最大風(fēng)速，而臺(tái)風(fēng)“山竹”的最大風(fēng)速明顯高于其他臺(tái)風(fēng)，其對(duì)實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的影響是本文關(guān)注的重點(diǎn)，因此這里對(duì)臺(tái)風(fēng)“山竹”過境時(shí)的風(fēng)況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間平安北塔（PAFC）站點(diǎn)實(shí)測(cè)最大風(fēng)速僅為33.7 m/s，在近600 m高空下這個(gè)風(fēng)速值對(duì)于該強(qiáng)度級(jí)別的臺(tái)風(fēng)而言過小，說(shuō)明PAFC站點(diǎn)鏤空層設(shè)備箱的遮擋作用對(duì)風(fēng)速測(cè)量有著較大的影響，因此本文選取內(nèi)伶仃島氣象站實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行研究。圖2給出了臺(tái)風(fēng)“山竹”過境時(shí)，內(nèi)伶仃島氣象站（NLDI）監(jiān)測(cè)到的10 min平均風(fēng)速風(fēng)向變化，圖中0時(shí)對(duì)應(yīng)2018?9?16 0：00：00。由圖2可見，NLDI站點(diǎn)觀測(cè)得到的最大10 min平均風(fēng)速為40.7 m/s，對(duì)應(yīng)風(fēng)向角為52°，次大平均風(fēng)速為39.1 m/s，對(duì)應(yīng)風(fēng)向角為84°。Duan等^［14］采用風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬方法研究了NLDI的局部風(fēng)環(huán)境特征，發(fā)現(xiàn)在30°～90°風(fēng)向下海島效應(yīng)對(duì)觀測(cè)風(fēng)速有加速效應(yīng)，并對(duì)此進(jìn)行了修正，修正后的84°風(fēng)向角對(duì)應(yīng)風(fēng)速為34.9 m/s，對(duì)應(yīng)B類地貌10 m高度處的速壓為0.526 kPa。

2 實(shí)測(cè)響應(yīng)

監(jiān)測(cè)得到了5次臺(tái)風(fēng)過境時(shí)SNWC頂部風(fēng)致加速度響應(yīng)時(shí)程數(shù)據(jù)，表2給出了其基本信息。臺(tái)風(fēng)“納沙”移動(dòng)路徑離深圳較遠(yuǎn)，故實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)致加速度響應(yīng)較小，而其余4次臺(tái)風(fēng)影響下實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)頂部最大峰值加速度均超過了4 cm/s²，特別在“山竹”作用下達(dá)到了17.28 cm/s²。這些近10年5次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過境時(shí)的完整實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)十分寶貴，建筑結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)響應(yīng)未超過高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程^［16］規(guī)定的限值，且由于臺(tái)風(fēng)山竹的風(fēng)壓為0.526 kPa，已超過規(guī)程^［16］規(guī)定的深圳地區(qū)10年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓，故可以判定該建筑結(jié)構(gòu)滿足舒適度要求。

圖4給出了在5次臺(tái)風(fēng)作用下該建筑結(jié)構(gòu)頂部達(dá)到最大振幅附近2 h加速度時(shí)程曲線。建筑結(jié)構(gòu)在5次臺(tái)風(fēng)作用下均多次達(dá)到較大振幅且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。最大峰值加速度與表1中各臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)最大風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間基本一致。此外，在最大振幅時(shí)段，5次臺(tái)風(fēng)作用下的y方向峰值加速度均顯著大于x方向，意味著該建筑結(jié)構(gòu)的主振動(dòng)方向?yàn)槟媳狈较?。圖5進(jìn)一步給出了臺(tái)風(fēng)“山竹”影響下建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到最大振幅附近的2 h加速度跡線，對(duì)應(yīng)時(shí)段為2018?09?16 13：30：14～15：30：14，其余4個(gè)臺(tái)風(fēng)相應(yīng)的跡線圖與之類似，這里不再重復(fù)給出，可以看出建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到最大振幅時(shí)主要沿南北方向振動(dòng)。

3 參數(shù)識(shí)別結(jié)果

對(duì)實(shí)測(cè)加速度時(shí)程信號(hào)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別可獲取強(qiáng)風(fēng)下被測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。圖6為新世界中心大廈在臺(tái)風(fēng)“山竹”影響下達(dá)到最大加速度附近2 h加速度功率譜密度。每個(gè)基階模態(tài)都僅有一個(gè)峰值，表明建筑結(jié)構(gòu)的前兩階模態(tài)在高風(fēng)速時(shí)段并未出現(xiàn)耦合。此外，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，盡管x和y方向加速度高階頻率峰值均比較明顯，但是與相應(yīng)方向基階頻率（f₁和f₂）峰值相比差距均在兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這表明該超高層建筑在臺(tái)風(fēng)侵襲時(shí)的響應(yīng)由基階模態(tài)主導(dǎo)，而高階模態(tài)的影響基本可以忽略。

首先將實(shí)測(cè)得到的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序分成2 h/段，經(jīng)帶通濾波器濾波處理后，出于謹(jǐn)慎考慮，仍采用SOBI方法將每段時(shí)程信號(hào)解耦得到獨(dú)立的模態(tài)時(shí)程信號(hào)，最后使用改進(jìn)的貝葉斯譜密度法（MBSDA）^［17］對(duì)每段模態(tài)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別獲得結(jié)構(gòu)的前兩階模態(tài)頻率和阻尼比，分別對(duì)應(yīng)時(shí)段峰值加速度和時(shí)段中心時(shí)刻得到模態(tài)頻率和阻尼比隨振幅和時(shí)間的變化。

3.1 模態(tài)頻率

圖7給出了5次臺(tái)風(fēng)作用下實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)頻率隨峰值加速度的變化。從圖7中可以看出，結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)頻率隨峰值加速度的增大整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在最大峰值加速度處達(dá)到最小值，呈現(xiàn)明顯的振幅依賴性。另外，隨著峰值加速度的增加，結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)頻率的下降趨勢(shì)會(huì)變緩。

需要注意的是，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率在低振幅區(qū)域存在明顯的多值問題，即同一個(gè)峰值加速度對(duì)應(yīng)兩個(gè)或多個(gè)不同的模態(tài)頻率值。這可能和同一振幅下不同頻率值所對(duì)應(yīng)時(shí)間段的風(fēng)速風(fēng)向不同有關(guān)，風(fēng)速風(fēng)向變化會(huì)影響建筑結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)剛度，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。采用“頻率?時(shí)間”模式描述模態(tài)頻率的變化則顯示較好的規(guī)律性，如圖8所示。由圖8可見，不同臺(tái)風(fēng)期間，建筑結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)頻率隨著時(shí)間的推移均逐漸減小，當(dāng)達(dá)到最大風(fēng)速時(shí)段時(shí)，模態(tài)頻率達(dá)到最小值，這也是建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到最大振幅時(shí)段所對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率，隨后隨著風(fēng)速逐漸減弱結(jié)構(gòu)前兩階模態(tài)頻率開始緩慢回升?？梢钥闯觯B(tài)頻率回升速度明顯小于最大風(fēng)速前的下降速度。最大風(fēng)速前后模態(tài)頻率變化率的差異是模態(tài)頻率隨振幅變化出現(xiàn)多值性問題的原因，較小頻率值均出現(xiàn)在最大風(fēng)速之后風(fēng)速逐漸減小的時(shí)間段。經(jīng)持續(xù)觀測(cè)，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率在臺(tái)風(fēng)影響過后均可以恢復(fù)至初始值，表明結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生損傷。

表3給出了不同臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)建筑模態(tài)頻率的變化率（（最大值-最小值）/最大值）。由于“韋森特”只有一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)間段，故不計(jì)入統(tǒng)計(jì)。建筑第一階模態(tài)頻率（y方向）的變化率在不同臺(tái)風(fēng)期間均小于第二階模態(tài)（x方向）。且建筑在強(qiáng)度最大的“山竹”期間的頻率變化率明顯大于其他3個(gè)臺(tái)風(fēng)。

3.2 模態(tài)阻尼比

圖9給出了實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比隨最大峰值加速度的變化，其中，x方向阻尼比變化范圍為0.57%～1.93%，y方向阻尼比變化范圍為0.42%～1.23%。從整體上看，阻尼比對(duì)振動(dòng)加速度大小存在一定的依賴性，但其分布較為離散，規(guī)律性并不強(qiáng)，且這種離散性在中低振幅區(qū)域（0～6 cm/s²）更加明顯；隨著振幅（gt;6 cm/s²）的增加，x方向阻尼比逐漸增大，在建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到最大峰值加速度時(shí)達(dá)到最大值，y方向阻尼比呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)。相較于弱振下的阻尼比，實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)振下的阻尼比有所增大，但總體上隨振幅波動(dòng)較大。

對(duì)比文獻(xiàn)［2，4?7］中關(guān)于SNWC，ZCC，PAFC和廣州西塔等7棟超高層建筑結(jié)構(gòu)在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)的研究，均可發(fā)現(xiàn)超高層建筑結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)期間模態(tài)頻率具有明顯的振幅相關(guān)性，但采用其時(shí)變方式所顯示的規(guī)律性更好；模態(tài)阻尼比與振幅相關(guān)性相對(duì)較弱，特別是在低振幅區(qū)域分布更為離散。

4 實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證

利用臺(tái)風(fēng)“山竹”過境期間測(cè)到SNWC最大振動(dòng)時(shí)段的加速度時(shí)程信號(hào)識(shí)別得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和最大風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，根據(jù)前期C類地貌下的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重分析，顯示實(shí)測(cè)值明顯小于風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果。參考文獻(xiàn)［10］的結(jié)果和以上分析，本文重新模擬了3種不同類型的風(fēng)場(chǎng)對(duì)SNWC重新進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)并進(jìn)行相應(yīng)的分析和對(duì)比。

4.1 風(fēng)場(chǎng)類型、模擬結(jié)果及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

風(fēng)洞試驗(yàn)的幾何縮尺比為1∶350，模型高度為0.68 m。通過粗糙元、尖劈和擋板等被動(dòng)裝置模擬共模擬了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2012規(guī)定的C類、D類地貌風(fēng)場(chǎng)以及一種更加粗糙的風(fēng)場(chǎng)（本文稱之為E類風(fēng)場(chǎng)），這3種風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面指數(shù)分別為0.22，0.30和0.35，相應(yīng)的湍流積分尺度分別為270，269和300 m，其中0.35的平均風(fēng)速剖面是本文自定義的，稱之為E類。圖10為這3種風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果和規(guī)范建議值的對(duì)比。圖11為風(fēng)洞試驗(yàn)照片與參考坐標(biāo)系。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理及響應(yīng)計(jì)算方法

本文試驗(yàn)采用高頻底座測(cè)力天平（HFFB）方法，由于天平?模型系統(tǒng)（BMS）的共振抖振效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)信號(hào)發(fā)生產(chǎn)生畸變，采用文獻(xiàn)［18］的方法對(duì)測(cè)得的畸變信號(hào)進(jìn)行修正。首先對(duì)氣動(dòng)荷載進(jìn)行小波包分解，得到各頻段的小波包系數(shù)并建立小波包系數(shù)與功率譜密度估計(jì)的關(guān)系；然后，通過單自由度信號(hào)修正方法對(duì)第一個(gè)畸變頻率段的共振峰值進(jìn)行修正并擬合，得到氣動(dòng)力參考曲線，進(jìn)一步根據(jù)單自由度修正后的信號(hào)功率譜與參考曲線的比值調(diào)整待修正頻段對(duì)應(yīng)的小波包系數(shù)；最后通過小波包重構(gòu)得到修正后的氣動(dòng)荷載時(shí)程信號(hào)。

圖12給出了90°風(fēng)向角結(jié)構(gòu)順風(fēng)向及橫風(fēng)向?qū)?yīng)的修正前后基底彎矩功率譜的對(duì)比。由圖12可見，修正后由于BMS共振抖振所引起的多峰信號(hào)被完全消除，這為后續(xù)風(fēng)致響應(yīng)計(jì)算的準(zhǔn)確性提供了保證。

4.3 風(fēng)振重分析和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

根據(jù)不同地貌下的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合以上計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)，得到該建筑結(jié)構(gòu)測(cè)試設(shè)備安裝高度處的峰值加速度在不同風(fēng)向角的結(jié)果，并與臺(tái)風(fēng)“山竹”期間建筑結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大峰值加速度進(jìn)行比較，結(jié)果如圖13所示?？紤]到人體的感覺是由兩個(gè)方向合成的總加速度，故圖中加速度采用總加速度方式。由圖13可見：由于結(jié)構(gòu)形狀沿y軸對(duì)稱，三類地貌試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)峰值加速度響應(yīng)在90°風(fēng)向角和270°風(fēng)向角下均較為接近；建筑正南正北均有一棟超高層建筑阻擋來(lái)流風(fēng)向，但總體上看，加速度在180°風(fēng)向角下大于0°風(fēng)向角，這是因?yàn)橐环矫娼ㄖ绷⒚嬗L(fēng)面較南立面窄，且兩側(cè)為斜面，北風(fēng)風(fēng)向所產(chǎn)生的渦激力要弱于南風(fēng)風(fēng)向。

由于周邊建筑群所產(chǎn)生的復(fù)雜干擾效應(yīng)、不同風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速和湍流度的差異，導(dǎo)致在風(fēng)向不在90°（東風(fēng)）附近的其他風(fēng)向的不同風(fēng)場(chǎng)下（尤其是C，D類），結(jié)構(gòu)峰值加速度的規(guī)律性看起來(lái)都較差，如在大部分斜風(fēng)的情況下，D類地貌的加速度明顯高于C類地貌情況，這或許和模擬的D類風(fēng)場(chǎng)的湍流度明顯高于規(guī)范值有關(guān)（見圖10（b）），而在210°～220°和10°～30°風(fēng)向角C類地貌的加速度顯著比另外兩種風(fēng)場(chǎng)的大，這主要是和上游建筑（對(duì)應(yīng)以上兩組風(fēng)向的上游干擾建筑分別為深交所、江蘇大廈）所產(chǎn)生的干擾效應(yīng)有關(guān)，對(duì)于湍流度相對(duì)較低的C類地貌風(fēng)場(chǎng)，上游建筑所產(chǎn)生的干擾效應(yīng)要明顯高于湍流度更大的其他地貌類型，相應(yīng)其加速度響應(yīng)也更大，這符合群體超高層建筑干擾效應(yīng)的一般規(guī)律^［20］。

在本文關(guān)注的東風(fēng)（即90°）風(fēng)向，SNWC的試驗(yàn)轉(zhuǎn)盤區(qū)域內(nèi)的上游建筑都比較矮、不存在能起到明顯干擾影響的建筑（見圖11（a）），因而試驗(yàn)得到的C，D，E三種地貌的加速度分別為23.1，21.3和16.8 cm/s²，相對(duì)于實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差（定義為：|實(shí)測(cè)值-試驗(yàn)值|/實(shí)測(cè)值）分別為33.5%，23.3%和3.1%；由此可見E類地貌的結(jié)果最接近實(shí)測(cè)的結(jié)果。

由以上計(jì)算分析結(jié)果可見，只有當(dāng)上游地貌的粗糙度指數(shù)達(dá)到0.35時(shí)，其結(jié)果才較好地接近實(shí)測(cè)值，這說(shuō)明對(duì)于該建筑以東的密集建筑群所形成的真實(shí)地貌，其真實(shí)的粗糙度指數(shù)可能會(huì)遠(yuǎn)大于C類地貌（0.22），若按照規(guī)范中C類地貌對(duì)該地貌進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果將偏于保守?？紤]到SNWC位于深圳市中心，來(lái)流方向所經(jīng)地帶高樓林立，建筑十分密集，如圖14所示。

參考文獻(xiàn)［12］對(duì)北京氣象塔的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，由于SNWC位于深圳市中心區(qū)，所關(guān)注SNWC東面上游建筑程度會(huì)比北京氣象塔周邊的建筑更高和密集，因此其地貌粗糙度會(huì)更高，以上推測(cè)的SNWC東面上游地貌的平均風(fēng)速剖面指數(shù)為0.35應(yīng)該是合理的，并且這個(gè)結(jié)果還遠(yuǎn)未達(dá)到全涌等^［13］采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究得到的大城市中心地帶地貌的地面粗糙度指數(shù)的結(jié)果（0.50～0.75）。在現(xiàn)有規(guī)范的框架內(nèi)，對(duì)于深圳市區(qū)區(qū)域的地貌粗糙度可按D類選取。

5 結(jié)論和建議

本文基于近10年來(lái)數(shù)次臺(tái)風(fēng)作用下深圳新世界中心的實(shí)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析了該建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)比了風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）建筑結(jié)構(gòu)在5次臺(tái)風(fēng)作用下均表現(xiàn)出明顯的橫風(fēng)效應(yīng)，且最大振動(dòng)方向均為南北方向，其最大峰值加速度為17.28 cm/s²，滿足風(fēng)振舒適度要求。

（2）建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率具有明顯的振幅依賴性，但由于該描述方式下存在的多值性問題，采用“時(shí)變特征”的描述方式較優(yōu)；超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)期間，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率隨時(shí)間先減小后增大，在最大風(fēng)速附近達(dá)到最小值，最大風(fēng)速以后以較慢的上升速度恢復(fù)至初始值。

（3）建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比在中低振幅區(qū)域分布較為離散，隨著振幅的增加，阻尼比有所增大，最大順風(fēng)向和橫風(fēng)向的阻尼比分別為1.9%和1.2%。

（4）地貌粗糙度指數(shù)為0.35的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，該建筑以東數(shù)千米的密集建筑群地貌粗糙度指數(shù)遠(yuǎn)大于C類地貌的0.22。C類地貌下的試驗(yàn)結(jié)果偏于保守。

（5）在現(xiàn)有規(guī)范的框架內(nèi)，對(duì)于深圳市區(qū)區(qū)域來(lái)流風(fēng)向的地貌粗糙度根據(jù)具體情況可按D類選取。

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Field measurements and wind tunnel experimental investigations of typhoon effects on Shenzhen New World Center

LIN Xu-sheng ZHANG Le-le XIE Zhuang-ning WANG Fei SHI Bi-qing

（1.State Key Laboratory of Subtropical Building and Urban Science，"South China University of Technology，"Guangzhou 510641，"China；"2.South China Company，"China Construction Second Engineering Bureau Co. ，"Ltd.，"Shenzhen 518048，"China；"3.Zhuhai Huafa Properties Co.，"Ltd.，"Zhuhai 519020，"China）

Abstract： In this paper，"the characteristics of structural response and modal parameters of Shenzhen New World Center （height 238 m）"are analyzed based on the field data during five typhoons in the last 10 years. The field results are further compared with the wind tunnel test results when the roughness exponent α"is 0.22，"0.30 and 0.35 respectively. The field results show that the building exhibits obvious crosswind vibration when reaching its maximum vibration amplitude，"and the corresponding vibration is in the north-south direction. The measured maximum acceleration is 17.28 cm/s²，"which meets the requirement of residential comfort. During the five typhoons，"the modal frequencies are shown to be evidently amplitude dependent and time-varying，"and it is more reasonable to describe the variation of modal frequency with time than the variation with amplitude. The modal frequency first decreases with time and reaches its minimum at the peak wind speed，"and then returns to the normal value. The modal damping ratios tend to be scattered in the middle-"and low-amplitude region，"and rise slightly with increase in the amplitude. The maximum damping ratios in the alongwind and crosswind directions are 1.9% and 1.2%，"respectively. The wind tunnel test results for α=0.35 are in good agreement with the field measured results，"indicating that the wind tunnel test results for terrain category C are conservative.

Key words： super-tall building；field measurement；wind tunnel test；parameter identification；ground roughness

作者簡(jiǎn)介： 林旭盛（1997―），男，碩士研究生。E-mail：254634193@qq.com。

通訊作者： 謝壯寧（1963―），男，博士，教授。E-mail：znxie@scut.edu.cn。