基于CFD分析的超高层建筑钢结构体型优化研究

翁邦正，向长于，郭林博，张 波，郑凯宣，孔祥林

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 110106）

近年来，随着建造技术的不断进步，全钢建筑以其结构轻、弹性强、抗震抗风性能较强的特点，且与预制幕墙技术相结合，超高层全钢结构建筑的建设工作得到全面推进。

建筑结构力学分析需求下，流体动力学数值模 拟（Computational Fluid Dynamics，简 称CFD）主要用于建筑物的风动力分析，即研究不同风力条件下的建筑物结构力学应变应力特征。GB 50352—2005《民用建筑设计通则》规定，层数超过40 层，高度超过100m 的建筑为超高层建筑，部分国家规定高度超过300m 的建筑为超高层建筑。本文结合工程案例，对高度达到150m的超高层建筑进行CFD 数值模拟分析，寻找不同结构条件下的超高层建筑的结构力学特征。

1 比较方案的模型设计

以江苏省徐州市中山堂国际大厦为例，该超高层全钢结构建筑，地上50 层，地下3 层，单层面积1 500m2（30m×50m），其中，地上层高3m，地上高度150m，地下层高4.5m，地下深度13.5m，桩基础沿地下室底板深入地下25m。建筑效果图如图1 所示。

图1 建筑物主楼效果图

建筑物主立柱采用焊接型大断面工字钢梁，钢梁主要分为3 类：①建筑物外围沿外立面布置一层钢梁（B 型），钢梁中线间距12.5～15.0m，共设置12 根主立柱，主立柱下端延伸至地下室底板，与地下室地梁充分铆接融合；②建筑物中心布置1 根中央立柱（A 型），中央立柱下端深入桩基础下端；③建筑物内设置2 个交通立井，每个交通立井四角各布置1 根工字钢梁（C 型），工字钢梁下端与深入桩基础下端。与此同时，每层钢结构楼板位置设置一层水平钢梁，钢梁采用主造型C 型断面钢梁（D 型），立面墙体内设置斜拉钢梁进行连接，斜拉钢梁采用十字结构焊接钢梁（E 型）。上述共5 种钢梁，钢梁之间采用经过结构验证的铆接铆钉有效连接，钢梁部署到位后，经过严格防腐处理（除锈、酸洗、中和、油漆），钢梁的标注参数如图2 所示。

图2 钢梁标注参数示意图

图2 中，所有钢梁的截面总宽度和总高度均标注为A变量和B变量，钢梁用钢板厚度标注为C变量，钢梁设计中所有焊缝、连接倒角、边缘处理倒角等均按照GB 50352-2005《民用建筑设计通则》进行设计，并不在此进行详细分析。该研究中重点分析上述3 变量约束下的建筑物抗风能力。

2 迎风面及风压计算

在不同风向条件下，建筑物的迎风面积不同，受到的理论风压也有所区别。建筑物风压受制于迎风面对大气流动产生的流体动力学阻力以及建筑物边缘产生的湍流扰动。流体阻力主要给建筑物产生风压静力，而湍流扰动主要带来风力振动影响。

本文重点针对8 个风向条件下的静力风压进行计算，而湍流扰动需要在有限元分析软件中进行仿真模拟。如果静力风压在建筑物弹性应力承受的范围内且湍流振动扰动远离建筑物的固有频率，则建筑物会拥有较强的抗风能力。该风力计算条件如图3 所示。

图3 中，建筑物南北两侧的迎风面面积均为7 500m2，东西两侧迎风面积均为4 500m2，且南北两侧来风主要作用于南北两侧迎风面，东西两侧来凤主要作用于东西两侧迎风面，且均为垂直作用。东北、东南、西南、西北4 个方向来风同时作用于两个迎风面，但具有一定的迎风角度。因为建筑物为矩形结构，所以其外立面在承受45°风压时，迎风角度均为45°，其迎风面面积为两个迎风面的45°正弦值，约为0.7071 倍，即45°来风时，其等效迎风面面积约为8 485m2。

图3 迎风角度试算图

基于ANSYS 的有限元分析，该建筑物在不同风向不同风速条件下的风压情况如表1 所示。

表1 风压力试算结果表

表1 中，当风力达到7 级时，45°风压力达到1MN，当风力达到8 级时，N/S 方向风压力达到1MN，的高峰立达到9 级时，E/W 风压力达到1MN。后续研究中，考虑建筑物主体达到1MN 时的结构力学特征。且该建筑物高度达到150m，实际风力分布情况下，接近地面的风速较低，而远离地面时，受到周边建筑物的扰流影响，风力分层情况分布有较大差异，风力风向沿高度和时间发生较大程度变化。该变化趋势如图4 所示。

图4 8级风条件下的风力风向垂直分布图

图4中，8级风条件下风速约为17.1～20.7m/s，但实际风速沿高度分布的宽度较高，贴近地面风速约为8.2m/s，最大风速在距离地面40～50m 处，其风速达到20m/s，且受到周边建筑物影响，平均风向为正南风时，其风力来风角度约为127～213°。所以，该模型较难使用传统计算模式进行验算，而需要采用ANSYS仿真分析模拟建筑物的受力情况。

3 初始模型主体结构的形变分析

首先对建筑物基本结构进行设计，前文图2中5 种钢梁的尺寸进行赋值，得到表2。

表2 建筑物构型设置参数表

表2 中，采用密度7.8g/cm2的高强度全钢结构建筑专用钢作为钢结构建设材料，按照前文设计思路构建该建筑物主体结构，该钢结构自重为3 495.98t，地下稳固结构设定为不发生形变，其中A 型梁、C 型梁埋深38.5m，B 型梁埋深13.5m，上部结构长度150m，其他钢梁为横向结构。将相关应力应变系数带入ANSYS 平台，设定全封闭幕墙，幕墙重量35kg/m2，幕墙总重量840t，地板为100mm 钢筋网水泥砂浆，比重2.8g/cm2，地板总重量为420t，建筑物总重量为4 760t。基于上述模型，在8 级风条件下得到图5 分析结果。

图5 8级风条件下建筑物形变情况图

图5 中，加入风力随机分布影响的条件下，建筑物顶端在8 级风时最大位移为1 374mm，平均挠度为9.16mm/m，其中挠度分布情况并不均匀，高度30～120m 范围内，挠度最小7.3mm/m，最大14.8mm/m。因为该材料构造A 型钢梁时安全弹性挠度为35mm/m，构造C 型钢梁时安全弹性挠度为28mm/m，构造B 型钢梁时安全弹性挠度24mm/m，在8 级风条件下，建筑物具有较充分的安全冗余。

为分析该建筑模型的最大抗风能力，继续分析不同风力条件下建筑物的整体挠度分布情况，得到表3。

表3 建筑物整体形变及挠度分布情况表

表3 中，考虑到该材料构造A 型钢梁时安全弹性挠度为35mm/m，构造C 型钢梁时安全弹性挠度为28mm/m，构造B 型钢梁时安全弹性挠度24mm/m，即其最大整体挠度不能超过24mm/m，可以得到该建筑物最大抗风能力为10 级。因为ANSYS 条件下的CFD 分析过程已经考虑到湍流对建筑物的振动影响，所以该值已经无需考虑湍流振动对建筑物挠度的影响。而查表得出该地区10 级风灾害级别为30 年一遇，12 级风灾害级别为50 年一遇，该建筑物当前设计结果抗风能力为30 年一遇。而根据GB 50352—2005《民用建筑设计通则》，超高层建筑的抗风能力必须达到50 年一遇，所以该设计仍有提升需求。

4 优化前后建筑物抗风能力分析

因为上述设计中，D 型钢梁和E 型钢梁主要用于抗剪和抗拉应力，且在前期分析中该两型钢梁前期设计可满足该应力要求，受制于篇幅限制不对此分析过程展开论述。所以，在当前结构条件下，通过增加或减少A、B、C 三型钢梁的截面参数进行设计优化。同样分析平均挠度和最大挠度，在风力随机分布条件下，对A、B、C 三型钢梁的截面参数进行等比例放大缩小，12 级风力条件下观察0.7～1.3 倍条件下其最大挠度和平均挠度的分布情况，得到表4。

表4 不同优化阶段的建筑物挠度分布情况表

表4 中，随着钢梁截面增加，其平均挠度与最大挠度随之减小，其可耐受的挠度极限也随之增加。即上述设计条件下，该建筑物的抗风能力仅为10 级，而在12 级风环境中时，将A、B、C 三型钢截面积增加1.2 倍时，其挠度极限即超过其理论最大挠度，冗余量18.1%，当A、B、C 三型钢截面积增加1.3 倍时，挠度冗余量达到84.5%。

所以，该分析中，立柱钢梁的截面积越大，其抗风能力越强，但过度增加钢结构密度会造成建筑物自重增加，建造成本也随之增加，所以，在将其A、B、C 三型钢截面积增加1.2 倍时，可满足该设计要求。此时建筑物钢结构总重量达到3644.09t，较之前设计的3495.98t增加148.11t，增加4.2%。建筑物总重量达到4 904t，较之前设计的4 760t 增加3.1%。

此时得到CFD 仿真条件下钢结构优化的工作流程。

1）设计钢结构超高层建筑的基本架构，将交通立井通道和中央立柱作为主体支撑结构，将辅助立柱作为结构加强构造，其基本架构中，立柱主要承担风压剪切应力带来的挠度抗性，而其他横向结构主要承担建筑物整体形变过程中的结构水平界面变形剪切应力，而斜拉结构主要承担建筑物形变过程中的辅助抗拉应力。确定该基本架构后，使用ANSYS 给出的CFD 分析组件进行抗风能力分析，得到初始设计条件下的建筑物抗风能力整体评价结果。

2）如果上述CFD 分析中不能得到令人满意的结果，则需要考虑建筑物基本架构是否合理。本文中，建筑物初始结构的CFD 分析结果表明其抗风能力已经达到10 级，故其仅需要进行微调即可达到相应要求。通过等比例调整立柱钢梁的截面结构，实现最终设计结果。

3）实际设计优化过程中，还可以通过调整钢梁数量进行细节调整，比如增加立柱数量、增加斜拉结构截面、增加横向结构钢梁数量和截面等，都会在一定程度上提升钢结构强度。但钢结构整体结构的重量增加，也会增加钢结构的初始挠度，过度增加钢结构及其他结构重量，反而会减弱钢结构抗风能力。

5 总结

基于ANSYS 下CFD 组件的流体力学分析，可以对建筑物抗风能力进行仿真分析，且可以对风力静压和湍流振动对建筑物的整体挠度影响，该分析方法对建筑物钢结构强度分析过程有实际价值。本文中初始设计已经达到了抗10 级风能力，所以仅需要在CFD 分析中对钢结构参数进行微调。该研究的核心研究方法为个案研究法，所以没有对钢结构的钢梁数量参数进行调整并进行加强CFD 分析，这是本文的不足之处。但该研究已经可以证实，CFD 分析对钢结构超高层建筑的抗风能力分析提供仿真数据支持。当前建筑结构力学设计过程中，已经逐渐放弃了单纯依赖相关规程具体要求进行设计的方法路径，而是更多依赖于有限元分析过程对设计参数进行持续优化。