复杂体型高层建筑结构等效静风荷载研究

董 欣

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 工程概况

某高层建筑位于海南省三亚市，建筑高度189.8 m，距离海边约130 m，其建筑效果如图1所示。该建筑的平面尺寸沿高度逐渐减小，底部楼层平面尺寸为144.4 m×73.7 m，顶部楼层平面尺寸为34.2 m ×19.2 m。结构高度 189.8 m，典型结构层层高3.6 m。结构坐标轴定义如图2所示。

2 规范风荷载

2.1 基本参数

图1 建筑效果图

图2 典型建筑平面图

根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范，评估该高层建筑周边地貌为A类和B类。三亚市10年、50年和100年一遇的基本风压值分别为 0.5 kN/m2，0.85 kN/m2和 1.05 kN/m2。结构阻尼比取为 0.05。

2.2 顺风向和横风向风荷载

顺风向和横风向等效风荷载分别按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范中的8.1.1和H.2.2进行计算，如式(1)和式(2)所示。

其中，wk为风荷载标准值，kN/m2;βz为风振系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;w0为基本风压，按100年重现期取为1.05 kN/m2;wLk为横风向风振等效风荷载标准值，kN/m2;g为峰值因子，取2.5;C'L为横风向风力系数;RL为横风向共振因子。

当风向沿结构X和Y方向时，按式(1)计算所得结构顺风向风荷载如图3a)所示。可见，由于结构底部1层～4层迎风面积较大，故该处顺风向风荷载较大。从第5层开始，顺风向风荷载随着高度的增加而逐渐增大。在上部1/3高度范围内，顺风向风荷载逐渐出现减小趋势。根据式(2)计算所得结构横风向等效风荷载如图3b)所示。同样地，从第5层开始，结构横风向风荷载随着高度的增加而增大;在上部1/3高度范围内，横风向风荷载逐渐减小［1，2］。

图3 结构风荷载（100年重现期，阻尼比5%）

3 风洞试验风荷载

本文通过高频天平测力试验测量结构基底剪力和基底弯矩，进而计算各层的等效静风荷载［3］。试验模型几何缩尺比为1∶300。参考点风速分别为6.7 m/s(A类)和7.0 m/s(B类)。试验风速缩尺比分别为1∶10.43(A类)和1∶9.75(B类)。时间缩尺比分别为1∶28.77(A类)和1∶30.76(B 类)。图4给出了 A 类地貌来流的平均风速和紊流度剖面。

天平—模型的自由振动频率为32.5 Hz，大于100年重现期风速下换算所得实际结构基阶自振频率的2倍。试验风向角为0°～360°，间隔为10°，即共36个风向角。在结构等效静风荷载的计算过程中，考虑了来流随不同风向的折减。模型基底气动力的采样频率为1 000 Hz，采样时长为60 s，样本数据长度为60 000个点。50年和100年重现期下，结构基底剪力和基底弯矩如表1所示［4］。

图4 A类地貌来流平均风速和紊流度剖面

表1 天平测力试验结果(阻尼比5%)

4 规范与风洞试验风荷载对比

4.1 等效静风荷载

图5对比了X和Y风向下，规范计算与风洞试验所得结构各层等效静风荷载。按规范计算时，顺风向和横风向风荷载的组合工况取为0.6FDk+FLk。由图5可见，X风向下，规范风荷载与试验风荷载之间的差异大于Y风向下的工况。

图5 规范风荷载和试验风荷载对比（100年重现期，阻尼比5%）

4.2 基底反力

将规范计算与风洞试验所得结构基底剪力和基底弯矩进行对比，如表2所示。可见，两种方法给出的基底剪力QY和基底弯矩MX差异较小，分别为14.5%和1.7%;基底剪力QX和基底弯矩MY的差异较大，分别为38.5%和45.9%。这是因为当建筑为短边迎风(X风向)时，根据JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程计算所得风荷载体型系数大于试验值，而长边迎风(Y风向)时，规范给出的风荷载体型系数与试验值相当。此外，短边迎风(X风向)时，建筑两侧面尺寸较大，来流将在侧面分离、再附形成旋涡，此时侧面出现剧烈的风压变化梯度，这种剧烈的风压变化梯度将影响与之相关性较强的迎风面风荷载，而这种影响未能在规范计算值中得以体现，这也造成了规范计算与风洞试验所得QX和MY的差异较大。

表2 规范计算与风洞试验所得基底反力对比(100年重现期，阻尼比5%)

5 结语

当建筑为短边迎风时，塔楼顺风向及横风向风荷载均小于长边迎风的工况，这就是说，设计方在最初方案设计时，可将结构短边作为项目所在地主导风向的迎风边。两种风向下，结构风荷载首先随着建筑高度的增加而增大，在超过2/3高度后，塔楼风荷载呈现减小的趋势。这就是说采用沿高度逐渐缩进的体型，可减小建筑顶部风荷载，对结构抗风设计较为有利。两种风向下，塔楼顺风向及横风向风荷载的数值相当，故在计算各楼层总风荷载时，宜采用0.6倍顺风向风荷载与横风向风荷载的组合。

当建筑为短边迎风时，规范计算与风洞试验所得结构基底剪力和基底弯矩的差异较大。一方面，这是由于按规范计算所得风荷载体型系数大于试验值。另一方面，旋涡作用下，较宽的建筑侧面使得风压变化梯度显著，这将影响与之相关性较强的迎风面风荷载，而这种影响未能在规范计算值中得以体现。

［1］顾 明，叶 丰，张建国.典型超高层建筑风荷载幅值特性研究［J］.建筑结构学报，2006，27(1):24-29.

［2］黄本才，汪从军.结构抗风分析原理及应用［M］.上海:同济大学出版社，2008.

［3］舒新玲，周 岱，王泳芳.风荷载测试与模拟技术的回顾及展望［J］.振动与冲击，2002，21(3):6-10.

［4］俞载道，曹国敖.随机振动理论及其应用［M］.上海:同济大学出版社，1988.