弧形超高层建筑的抗风设计研究

赵松林

1 概述

罗浮宫国际家具博览中心位于顺德中心城区,高约200 m,如同船帆,造型非常优美。主塔楼为弧状结构,长宽大约为100 m×25 m。由于风荷载是该超高层建筑的控制荷载之一,且其高宽比约为8、长宽比约为4,体型比较复杂,因而在结构设计时采用风洞试验来确定该建筑的风荷载。

本文基于湖南大学风洞测压试验获得结果,得到了结构风荷载体型系数,基础等效风荷载及结构顶部加速度响应,并与规范相关值进行了对比,获得了一些有意义的结论。

2 试验简介

风洞试验模型用ABS板制成,具有足够的强度和刚度。模型与实物在外形上保持几何相似,缩尺比为 1∶300,高 67 cm。将周围500 m半径范围内已建和待建的建筑物的1/300缩尺比模型分别按其相对位置放在主楼模型周围并固结在转盘上(见图1)。为测取建筑表明的风压,在模型上共布置了435个测点。

地貌类型按国家《建筑结构荷载规范》中规定的B类地貌考虑,地貌粗糙度系数(指数律)α=0.16。试验时参考点高度设在67 cm,参考点高度处的控制风速为15 m/s,图2为在风洞转盘中心处的平均风速剖面和湍流度剖面。

3 结果分析

3.1 体型系数

依据测压结果,各点的风压系数由下列公式计算:

其中,Cpi(t)为测点i的风压系数时程;pi(t)为试验时测得的测点i处的风压力时程;p0和p∞分别为参考点处测得的平均总压和平均静压。

建筑物表面各点的体型系数可表示为:

其中,μsi为测点i的局部体型系数;Cpi,mean为测点 i风压系数的平均值;hr和hi分别为参考点和测点的高度。

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》,弧形建筑的体型系数为1.4。按试验结果计算得到的典型风向角下的体型系数见表1。由于建筑特殊的外形,计算体型系数时未包含顶部测点,实际计算测点的最高高度为162 m。

表1 典型风向角下的体型系数

从表1可看出,当迎风面为凹面(0°风向角)时,整体体型系数与规范建议值比较接近,当迎风面为凸面(180°风向角)时,整体体型系数比规范建议值小。造成这种差别的主要原因是凸面为迎风面时,立面边上较大区域出现负风压,这说明气流在迎风面上产生了分离;而迎风面为凹面时,气流分离仅发生在棱角位置,立面所有测点均表现为较大的正风压。可见,体形的差异会直接导致风荷载大小的差别。

3.2 基础等效静风荷载

基于空气动力学理论基础[1]与结构动力及可靠度理论[2],计算得到结构的等效静风荷载。图3为计算得到的基底等效静风荷载随风向分布图。

从图3可以看出,在X向,基底剪力(Fx)与基底弯矩(My)具有相同的变化规律;在Y向,基底剪力(Fy)与基底弯矩(Mx)具有相同的变化规律。结构设计控制风向角位于0°和180°附近,相对来说,0°风向角基底等效静风荷载更大,这主要与建筑的体型有关,上述体型系数也说明了这一特点。从图3还可看出,X向风荷载随风向角的变化较为平稳,而 Y向的风荷载出现明显的风向性;但较大的基底等效静风荷载仅发生在有限的风向角范围。

表2为按不同方式计算得到的结构底部(最大)等效静风荷载,其中,规范计算结果是指依据规范相关条文采用PKPM计算得到的结果。从表2可看出,X向的基底最大等效风荷载明显小于规范计算得到的结果,这是因为此类弧形建筑的气流分离现象与矩形截面的气流分离现象之间的差异所造成的;Y向的最大基底等效静风荷载与规范计算结果相当;从综合上看,采用风洞试验结果进行结构设计可在一定程度上降低工程造价。

表2 风荷载结果对比

3.3 结构顶部加速度

按照《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定,高度超过150 m的高层建筑结构应具有良好的使用条件,满足舒适度要求。基于规范10年重现期风荷载取值和风洞试验数据计算的结构顶部峰值加速度如图4所示。从图4可以看出,无论是X向还是Y向,Y风向风振明显大于X风向风振。结构顶部X向最大加速度为0.040 m/s2,Y向最大加速度为0.076 m/s2,舒适度满足规范要求。

《高层民用建筑钢结构技术规程》第5.5.1条给出了顺风向和横风向顶点最大加速度的计算公式,据此计算得到Y轴方向的顺风向和横风向加速度分别为0.039 m/s2,0.089 m/s2。由于我国荷载规范中隐含采用的是2.2的峰值因子[3],而试验数据处理中计算得到的峰值因子为3.3。若将规范计算 也按3.3的峰值因子考虑,则 Y轴方向的顺风向和横风向加速度分别为0.058 m/s2,0.133 m/s2。顺风向计算结果与试验结果基本一致,而横风向差别较大。

4 结语

1)弧形建筑凹面为迎风面时,体型系数与规范建议值比较接近,为1.35;凸面为迎风面时,体型系数比规范建议值小,为1.12;体型对风荷载有显著的影响。2)采用风洞试验结果进行结构抗风设计,可降低工程成本。因此在进行超高层建筑设计时,进行风洞试验研究确定其设计风荷载是非常有意义的。3)结构横风向风振比顺风向风振显著,应该归结于顺风向结构振动是由于来流的湍流引起的,而横风向振动主要是因为脉动风的漩涡脱落引起的。

[1] 埃米尔◦希缪,罗伯特◦H◦斯坎伦.风对结构的作用—风工程导论[M].刘尚培,项海帆,译.上海:同济大学出版社,1992.

[2] 李桂青,李秋胜.工程结构时变可靠度理论及其应用[M].北京:科学出版社,2001.

[3] 石碧青,谢壮宁,倪振华.用高频底座力天平研究广州西塔的风效应[J].土木工程学报,2008,41(2):42-48.