高层建筑等效风荷载风洞试验研究

高层建筑等效风荷载风洞试验研究

任晓峰

(武汉船舶职业技术学院，武汉 430050)

摘要：分析了某高层建筑的多通道同步测压风洞试验。利用随机振动理论计算了结构等效静力风荷载，分析了风荷载随风向的变化关系，计算了结构顶部峰值加速度响应，对居住者舒适度进行了评价。

关键词：高层建筑；风洞试验；风致响应；等效风荷载

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.022

Abstract:This paper presented the analysis results of wind load acting on a tall building determined in the wind tunnel test by synchronous multi-pressure sensing system.The equivalent static wind load was calculated based on the random vibration theory.The variation of wind load with wind direction was analyzed.The peak acceleration response at the top of the structure was calculated.The comfort of occupant was evaluated.

收稿日期：2015-04-09.

作者简介：任晓峰(1964-)，高级工程师.E-mail:zhouqinghuajzfy@163.com

Wind Tunnel Test of Wind Load Acting on a Tall Building

RENXiao-feng

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China)

Key words:tall building;wind tunnel tests;wind-induced responses;equivalent static wind load

1研究对象简介

某高层建筑主塔楼均为55层，高度175 m，建筑平面长宽约为21.05 m×25.45 m。由于该建筑高宽比超限，需要进行风洞试验[1]，为抗风设计提供计算参数。该高层建筑处在台风多发地区，且周边大多为大体量超高层建筑群，风场环境较复杂，风荷载成为设计控制荷载之一。本高层结构自振频率见表1，一阶振型为Y向振动，二阶振型主要表现为X向振动。结构抗风设计时采用50年及100年一遇基本风压[2]，分别为0.50 kN/m2与0.60 kN/m2，计算时建筑物结构阻尼比分别取0.050与0.035。

表1　结构前5阶频率分布

2计算方法

超高层建筑作为悬臂结构，其风致响应的运动微分方程可以写为

3风洞试验简介

风压试验所使用模型采用有机玻璃材料制作，在其表面开设一定数量的风压孔，保持气密状态，将模型内部装设风压管，模型安放在风洞试验台，风压管接至电子式压力扫描阀，测量模型在风洞试验中风压孔处表面风压[3]。

本高层建筑结构风洞模型为3.0 m×3.0 m(宽×高)的矩形，试验风速在1.0～40.0 m/s内可调。试验以主建筑物为中心，模拟直径500 m范围内的周边主要建筑及大致地形地貌，模型置于风洞转盘上，进行数据测量。在主建筑模型表面设有300个风压孔，进行18个风向(0°～360°，间隔30°)的结构表面风压的测量。

4等效静力风荷载与响应分析

通过对试验数据积分计算得到等效基底弯矩、各楼层的等效静力风荷载以及结构顶部峰值加速度[4,5]。分析时取地面粗糙度指数为0.23(C类地貌)，结构等效风荷载重现期分别为50年与100年。

50年重现期时建筑物(阻尼比0.050)基础最大等效风荷载及其等效基底弯矩

50年重现期时建筑物(阻尼比0.035)基础最大等效风荷载及其等效基底弯矩

100年重现期时建筑物(阻尼比0.050)基础最大等效风荷载及其等效基底弯矩

100年重现期时建筑物(阻尼比0.035)基础最大等效风荷载及其等效基底弯矩

按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)中3.7.6 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，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 规定的10 年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度αlim不应超过表2的限值，本高层建筑物基于10年一遇风

表2　结构顶点风振加速度限值 a lim

荷载取值和风洞试验数据计算的结构顶部(第55层)最大加速度X向为0.148 m/s2、Y向为-0.158 m/s2，最大合成加速度为0.216 m/s2，不满足规范要求；根据建设方提供的气候中心资料表明，建筑物所在地区所测到的10年重现期最大平均风速为18.7 m/s(相当于基本风压为0.214 kPa)，根据此气象资料计算的结构顶部加速X向为0.106 m/s2、Y向为-0.703 m/s2，最大合成加速度为0.711 m/s2，满足规范要求。

5结语

本高层建筑高宽比超限，处在密集建筑群的城市市区，为了保证建筑物建成后使用阶段的抗风安全性，对其在强风作用的风压分布和在设计风速下风荷载、位移、加速度响应进行详细的风洞实验，并根据试验结果研究分析该楼的抗风安全性以及在设计风速下结构风振特性，供设计参考使用。

参考文献

[1]JGJ 3—2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社,2010.

[2]GB 50009—2012.建筑结构荷载规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2012.

[3]风洞试验指南研究委员会.建筑风洞实验指南[M].孙瑛,等译.北京: 中国建筑工业出版社,2011.

[4]张相庭.结构风工程-理论·规范·实践[M].北京:中国建筑工程出版社,2006.

[5]黄本才，汪丛军.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社，2001.