某超高层建筑的抗风设计

【摘  要】本文对某一超高层建筑进行了风洞试验，获得了该建筑模型上各测点风压时程，通过数据处理和计算分析，可以得到该建筑表面风压值和结构响应值，为结构抗风设计提供了依据。结果表明：该超高层建筑结构设计合理，抗风性能满足强度、刚度和舒适度等要求。

【关键词】风洞试验;风压时程;结构响应

一、项目简介

某超高层建筑高度为253米，该建筑结构形式复杂，由于超高层建筑具有高宽比大，频率低，低阻尼等特点，在强风作用下，该建筑会产生较大的表面风压、结构加速度和结构位移响应，从而影响到结构的安全性和舒适度，因此需要对该超高层建筑进行抗风试验[1-3]。某超高层建筑效果图如图1 所示。

图1 某超高层建筑效果图

二、试验简介

（一）试验模型

该超高层建筑试验模型由有机玻璃制成，几何缩尺比为1：300，模型表面共布置了368个测点，从而测得模型的表面风压、位移、加速度和内力响应。为了考虑周边建筑对超高层建筑的干扰影响，该实验还模拟了建筑周围750米直径内的主要建筑，该超高层建筑周围建筑采用PVC板制成模型模。试验模型图片如图2所示。

图2 风洞试验照片

（二）试验方法

为了测量风洞试验参考高度处的风速，利用眼镜蛇三维脉动风速探头和电子扫描阀，测得模型表面的风压、风速和位移，依次对所有测压点进行扫描。采样时间为90秒，每个测点的采样频率为331Hz，试验参考点的风速为8.0米/秒。

本试验模拟了0°～360°风向角的情况，其角度间隔为15°，共24个试验风向角。试验风向角如图3所示

图3 试验风向角

三、结果分析

由图4可知：不同重现期，不同风向角的加速度不同，重现期越大，加速度越大。在50年重现期极值风速作用下，各风向角最大加速度为5.3厘米/秒2;100年重现期极值风速作用下，各风向角最大加速度为6.4厘米/秒2。从图中分析结果可以看出，不同重现期风荷载作用下，该超高层建筑最大加速度响应均小于我国高层建筑混凝土结构技术规程中规定的加速度界限值。我国“高层建筑混凝土结构技术规程”（JGJ 3--2002）规定，对高层混凝土结構公共建筑，其顶点最大加速度应小于25厘米/秒2。

图4 最大加速度响应

图5 最大位移响应

由图5可知：不同重现期，不同风向角的位移不同，重现期越大，位移越大。在50年重现期极值风速作用下，各风向角最位移为18厘米/秒;在100年重现期极值风速作用下，各风向角最位移为23厘米/秒，顶部的侧移与其高度的比值最大为1/1524。该结果满足我国“高层民用建筑混凝土结构技术规程”（JGJ3-2012）规范的要求。

图6 基底弯矩

图6给出了不同方向，不同风向角的基底弯矩。由图可知，各风向角等效风荷载引起建筑底部的最大弯矩分别为：X轴向最大弯矩：6.2×106N;Y轴向最大弯矩：2.4×107N;对比各风向角而言，Y轴的基底力相对较大。这是因为，在该风向角下建筑立面的迎风面积较大，较宽的迎风面造成的流体分析效应，使侧面和背风面的负压绝对值之和亦较大。

四、结论

综上所述，该超高层建筑虽然高度较高，但是设计荷载主要以顺风向荷载为主。因此通过风洞试验和理论计算，该超高层建筑在不同重现期的抗风性能均能够满足安全性和适用性的要求。

参考文献：

[1]黄彬辉.超高层建筑结构抗风设计综述[J].上海建设科技，2019（02）：4-9.

[2]李宇，付曜，李琛.超高层建筑结构抗风性能研究[J].建筑科学与工程学报，2018，35（02）：63-70.

[3]霍兴刚，刘昌昊，崔栋.高层建筑抗风抗震设计中存在的问题及对策[J].城市建筑，2019，16（27）：112-113+129.

作者简介：

刘红菊 女 汉 河南省焦作市温县  硕士（非全）河南理工大学  建筑结构与材料。

（作者单位：河南理工大学土木工程学院）