某超高层建筑风致结构响应结果的分析

李伟锋，陈泽钿

（广东省建筑设计研究院 广州 510010）

1 概况

某项目位于广州市新滘东路以西琶洲B2 区，由塔楼1、塔楼2、塔楼3 等3 个塔楼和底部连接塔楼1 和塔楼 2 的裙楼组成，3 个塔楼呈“＜”状排列，其中塔楼 2 屋面高度为148.10 m、塔楼3 屋面高度为149.65 m。塔楼2、3 相互间距较小，楼层质量及刚度存在较大偏心［1］，结构平面原为矩形（方案1），后调整为切角三角形（方案2），平面形状变化较大，项目进行了两次建筑物不同平面形状的风洞试验研究和风致结构响应分析。项目效果图、总平面图和结构主要特征见图1、图2和表1。

2 风洞风荷载与规范风荷载的结构风致响应对比

风洞风致结构响应分析报告［2，3］提供了用于主体结构设计的风荷载，每个塔楼包含6 个不利风向对应的等效楼层风荷载，每个风向风荷载包含顺风向、横风向以及扭转等3 个等效风荷载分量及其组合系数，采用YJK 计算程序验算风洞风下的结构响应，并和规范［4］风下的结构响应进行比较。篇幅所限，以塔楼2 方案1 的对比研究成果为例。风洞不利风向和风荷载组合系数如表2所示。

图1 立面效果图Fig.1 Rendering of Building Facades

图2 总平面图Fig.2 Overall Plan

塔楼2 在风洞风和规范风下的结构楼层等效风荷载包络值对比和位移角对比如图3、图4所示。

对比可知，塔楼2 风洞风的楼层顺风向风荷载明显小于规范风，但横风向风力则大幅度大于规范风，且扭转等效风荷载力矩较大，相当于风荷载平面偏心16%引起的扭矩大小。结构扭转效应显著增大，导致结构楼层位移角增大较多。

为了解风洞风横风向和扭转风振对结构构件内力的影响［5］，选取核心筒一连梁的剪力作为比较对象，为便于比较不同风荷载的对连梁剪力的影响，比较时仅考虑风荷载工况下的连梁剪力标准值（见图5）。

表1 塔楼2、3 结构主要特征Tab.1 The Main Features of Tower 2，3 Structure

表2 塔楼2 方案1 风洞不利风向角和组合系数Tab.2 Wind Direction Angle and Combination Coefficient

图3 风荷载对比Fig.3 Wind Load Comparison

图4 位移角对比Fig.4 Combination of Interstory Displacement Angle

图5 比较对象连梁的平面位置（用椭圆线标识）Fig.5 Connecting Beams′s Positioninthe Plane

选取3 种风荷载工况进行比较：①按文献［4］8.5.6 条的组合系数进行风荷载组合的规范风荷载工况；②按文献［6］7.5.14 条的组合系数进行风荷载组合的规范风荷载工况；③风洞风荷载工况。文献［4］和文献［6］关于风荷载分量的组合系数工况要求如表3所示，两者的要求有较大区别，文献［6］考虑风荷载各荷载间的相关性，且组合系数比文献［4］大。

表3 规范风荷载组合工况Tab.3 Standardized Wind Load Combination Conditions

连梁剪力标准值对比如图6所示，横风向风振和扭转风振等效风荷载引起的连梁剪力比例分别如图7、图8所示。

图6 不同风荷载工况下连梁剪力Fig.6 Shear of the Connecting Beam

对比可知，虽然风洞顺风向风荷载最大值仅为规范风顺风向的68%，但横风向和扭转风振等效风荷载较大，风洞风作用下的连梁剪力较规范算法有较大增幅，剪力标准值最大值相对文献［4］算法和文献［6］算法分别增大40%和34%。

在各不利风向风洞风等效风荷载作用下的连梁剪力，由横风向风振等效荷载引起的剪力与连梁总剪力的比值为4%～125%，比值的大小与风向和梁长方向的夹角存在高度相关性，当风向与梁长方向接近时比值小，当风向与梁长方向接近垂直时比值大。扭转风振引起的剪力占连梁总剪力的比值为5%～75%，270°和30°风向作用下扭转风引起的剪力占比小，该风向为平行于建筑物长边的基底剪力分量主控，其它方向来风扭转风风振引起的剪力占比较大，多数楼层大于32%。

风荷载作用下的高层建筑结构的横风向风振和扭转风振等效风荷载引起的结构构件内力较大，构件承载力极限状态设计时应予以考虑。

图7 剪力占比-横风向风荷载图Fig.7 Shear Ratio of Across-wind

图8 剪力占比-扭转风荷载Fig.8 Shear Ration of Torsion

3 不同体型的结构风致响应对比

本项目进行了总平面布置相同而塔楼平面形状不同的两次风洞试验，本文对方案1、2 对应的风洞风引起的楼层剪力和位移角等风致结构响应指标进行对比分析，以期得到不同平面形状的建筑物的风致响应规律。

⑴楼层剪力。塔楼2、3 不同方案在顺风向基底剪力主控风向下，顺风向风荷载引起的单位宽度楼层剪力大小（楼层剪力除以顺风向受风面宽度）对比如图9所示，两栋塔楼的方案2 单位宽度风荷载大小均比方案1 的大，楼层总剪力亦是相同情况。

图9 塔楼2、3 楼层剪力Fig.9 Floor Shear of Towers 2 and 3

⑵顺风向楼层位移角。图10分别为塔楼2、3 不同方案顺风向楼层位移角对比，楼层位移角的变化趋势与楼层剪力的变化趋势一致，方案1 顺风向楼层位移角大于方案2。

图10 塔楼2、3 楼层位移角Fig.10 Floor Displacement Angle of Towers 2 and 3

⑶横风向和扭转风振引起的位移角与总位移角的比值。图11为塔楼2、3 扭转风振等效风荷载引起的位移角大小与总位移角的比值，扭转风振引起的位移角比值，方案1（矩形平面）小于方案2（三角形平面）。两塔楼不同方案横风向风振引起的顺风向位移角均较小，与总位移角的比值小于5%。

图11 塔楼2、3 位移角扭转占比Fig.11 Ratio of Displacement Angle to Total Displacement Angle Caused by Tower 2 and 3 Torsion

⑷风洞风和规范风顺风向楼层位移角的对比如图12、图13所示。不同方案的风洞风引起的位移角最大值均大于规范风，结构楼层位移角最大值均为风洞风控制。

图12 塔楼2、3 方案1 风洞风和规范风楼层位移角的对比Fig.12 Comparison of the Displacement Angles of the Tower 2，3 Wind Tunnel and the Standard Wind Floor in Scheme 1

图13 塔楼2、3 方案2 风洞风和规范风楼层位移角的对比Fig.13 Comparison of the Displacement Angles of the Tower 2，3 Wind Tunnel and the Standard Wind Floor in Scheme 2

塔楼2、3 的1、2 方案结构风致响应指标对比汇总如表4所示。

表4 不同方案的风致响应指标对比汇总Tab.4 Compare with Wind-induced Structural Response

4 地面粗糙度类别的确定

项目场地位于广州市琶洲地块在建核心商务地段，场地南北侧距珠江（或支流）较近，南侧距珠江支流约40 0m，北侧距珠江约800 m，根据卫星图像资料，东南角4 km 范围内为田野和河流，未有高层建筑物。

方案阶段，采用文献［4］8.2.1 条条文解释建议的以2 km 半圆影响范围内建筑物的平均高度方法近似确定，地面粗糙度为C 类。笔者认为该方法不能体现不同方向来风建筑物密集程度的差别，且未能合理地消除圆形平面影响范围内个别较高建筑物的对平均高度计算的干扰。东南方向来风田野和河流的地貌，与文献［4］的B 类粗糙度定义较为相符。场地地面粗糙度是统一按B 类或者C 类，或区分风向确定，地面粗糙度的确定存在困难。

风荷载按文献［4］计算，地面粗糙度由C 类修改为B 类时，楼层最大位移角由1/790 增大到1/634，增幅达到25%，梁钢筋用量增幅为6%，地面粗糙度的选取对结构性能和经济指标影响较大。［7，8］

故本项目委托广东建科院风工程研究中心进行专门研究。根据周边地貌特点，将场地四周分为4 个典型的扇形区域，采用英国工程技术数据ESDU01008（E0108）的数字风力模型，按照Harris 和Deaves 研究的通用的大气环境中边界层计算方法分析, 定量确定场地上空的风特性。根据各典型扇区内沿风来流路径上的地面粗糙度和路径长度，计算得到各扇区内的风速剖面，最不利的扇区风速剖面与文献［4］定义的A、B、C、D 类粗糙度的相对关系如图14所示，扇区风速剖面图与规范C 类风剖面比较接近，最终设计采用C类地面粗糙度。

图14 扇区风剖面图Fig.14 The Wind Profile of The Sector

5 应用风洞试验数据的几点注意事项

在房屋高度较高、平面或立面形状复杂、周围地形和环境复杂时，风洞试验可作为判断确定建筑物风荷载的有效手段，其数据应用时，应注意以下几点事项：

5.1 风荷载与地震作用的组合

项目进行抗震设防专项审查时，审查专家提出地震作用与风荷载组合时，两者的方向角应一致。风洞试验提供的等效风荷载最不利风向角，是以风荷载在结构主轴的荷载分量极值大小为判断标准的［9，10］，同一风向角的等效风荷载各荷载分量不一定同时达到最大峰值，最不利风向角不等同于在该风向角方向等效风荷载数值最大，故最不利风向风荷载工况应与结构主轴方向的地震作用组合。

5.2 风荷载力的作用点及方向的规定、风荷载各分量的组合系数

项目进行第一次风洞试验时，试验单位提供的风荷载是以结构刚心为作用点统计的，荷载扭矩方向为左手法则，而计算程序YJK 和PKPM 风荷载作用点均为结构形心，荷载扭矩方向为右手法则，风洞风荷载和计算程序对于风荷载作用点和力的方向规定相差较大。另外计算程序对于规范风下的顺风向、横风向和扭转等效风荷载的组合系数，采用了文献［4］的要求，与文献［6］的要求有较大差别。通过结构计算程序计算风荷载引起的结构响应时，应对风洞数据和计算程序的相关规定进行认真检查。

5.3 结构顶点风振加速度

按照文献［11］3.7.6 条的规定，高度不小于150 m的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求，以在10年一遇的风荷载标准值下的结构顶点顺风向和横风向振动最大加速度为判断标准。风洞试验结果和按文献［4］附录J 计算结果如表5所示，两者均满足办公建筑加速度0.25 m/s2的限值要求，但风洞试验结果绝大多数大于计算结果，为计算结果的133%～186%，按文献［4］附录J 计算的加速度大小接近限值时进行专门研究判别。

表5 结构顶部使用楼层高度处加速度Tab.5 Acceleration at the Top of the Structure Using the Floor Height （ms2）

表5 结构顶部使用楼层高度处加速度Tab.5 Acceleration at the Top of the Structure Using the Floor Height （ms2）

塔楼 方案 X 向 Y 向塔楼 2 1 0.042（0.026） 0.123（0.066）2 0.050（0.038） 0.105（0.062）塔楼 3 1 0.026（0.030） 0.091（0.059）2 0.064（0.048） 0.096（0.068）

5.4 水平位移限值的判断标准［12］

文献［11］3.7.3 条和 4.2.6 条规定，按弹性方法计算的风荷载标准值作用下的楼层最大位移角要满足相应限值要求，由于风洞试验提供的楼层扭转风振等效风荷载较大，在顺风向风荷载相同的情况下，扭转风振加大了结构的扭转效应，楼层最大位移角必然增大。具体项目实施时，考虑扭转风振的组合风荷载作用下的结构楼层位移角限值，是否采用与仅考虑顺风向风荷载时的相同限值标准，可与审查专家进行沟通，确定合适的位移角限值标准。

6 结语

⑴横风向风振等效风荷载对结构构件内力有较大影响，扭转风振等效风荷载对结构位移角和构件内力均有较大影响，应用风洞试验风荷载时，不能采取仅对比结构基底力大小判断风荷载控制工况的方式，应将风洞风荷载用于结构性能分析和构件承载力设计。

⑵扭转风振等效风荷载引起楼层位移角较大增幅，本项目两塔楼不同方案的最大楼层位移角均为风洞风控制。

⑶本项目建筑物平面为切角三角形时的楼层剪力和楼层位移角等指标，优于矩形平面。

⑷地面粗糙度类别的选取对结构性能和经济指标有较大影响，必要时采取专门研究确定。

⑸应用风洞试验报告数据进行结构设计时，应对报告和计算程序对力的作用点和方向的规定进行检查确保计算和实际一致。