基于复杂地形环境的超高层双塔建筑风荷载特性研究

陈宏敏

（上海杨树浦发电厂有限公司，上海 200090）

对于楼层较高的建筑物，高层达到了大气边界层，而此部分空间流体较为复杂，存在流动分离和旋涡情况，加大了建筑表面风荷载分析难度，不利于高层建筑工程质量控制[1]。虽然我国针对该问题已经提出了一些风荷载特性研究方法，但是随着楼层的增加，旋涡复杂程度随之增加，所以当前提出的特性分析方法不适合用于分析超高层建筑风荷载特性[2-3]。与高层建筑相比，超高层建筑地形环境更为复杂。该文尝试以超高层双塔建筑为例，通过构建建筑模型，对风荷载特性展开深入探究。

1 超高层双塔建筑工程概况

某超高层双塔建筑位于某城市中心商务区，占地面积较大，主要由2 个部分组成：（1）商业裙房；（2）办公楼。其中，商业裙房共1 栋。办公楼2 栋，即A 塔和B 塔，双塔楼层数量为55 层，高度为250m。主塔楼采用钢管混凝土框架-核心筒结构，裙房、地下室采用混凝土框架结构。由于楼层总高度达到了超高层建筑标准，地块周边高层超高层建筑林立，加大了施工难度，需要对工程所处地区环境进行分析。

2 超高层双塔建筑风荷载特性试验设计

为了探究工程的风荷载特性，该研究在风洞中组织风荷载特性试验。该试验场地具备优秀边界层风洞标准，能够有效模拟该环境下不同工况条件形成的风荷载特性[4]。为了得到较为精准的特性结论，该工程在此环境下构建了试验空间。该空间高度3m，宽度4m，长度24m。

2.1 试验模型

该试验模型为了模拟湍流环境，在前方设置粗糙元和尖塔阵。经过模拟检验，该研究设计的模型能够达到目标风场试验标准。图1 为主要建筑与地形模型设计。

图1 主要建筑与地形模型设计

该模式设计方案，按照1︰300 几何缩尺比设计，以500m 半径内的建筑物作为模拟对象。为了保证数据可靠，该次研究根据荷载规范，取风速数值26.83m/s。该实验中，对于风速数值的计算，是根据基本风速与顶部风速关系获取风速数值，大小为40.15m/s。所以，该模型的时间缩尺比为1︰105，风速缩尺比为1︰2.86。模拟试验期间，设置样本采集数量为9000，对应的采集频率为312.6Hz。根据这2 个参数之间的关系，经过计算求得采用所需时间，约为28.8s。该计算结果符合脉动分量统计、平均分量统计要求。

2.2 试验工况

工况1：同时考虑工程所处地区周边建筑、工程地形2项因素的影响。

工况2：忽略工程所处地区周边建筑的影响，仅考虑工程地形的影响。

工况3：同时忽略工程所处地区周边建筑、工程地形2项因素的影响。

2.3 试验测点的布设

关于建筑面的布设，以建筑模型东面为A 面，以北面为B 面，以西面为C 面，以南面为D 面。以建筑中部高度风压作为对照，要求距离地表面1/3 高度及以下区域的风压大于对照风压，同时建筑2/3 高度及以上区域的风压同样高于对照风压[5]。为了顺利测量各个点风压数值，该试验在风压变化梯度较大区域，加密测点，即沿着垂直方向布设多个测点。考虑到裙楼削角造型较为特殊，测量时需要根据现场实际情况调节测点布设方案。该试验布设测量数量共计495个。

3 超高层双塔建筑风荷载特性试验分析

3.1 局部体型系数分布

为了便于分析风荷载特性，该研究构建以下局部体型系数模型，如公式（1）所示。

公式（1）中，i代表测量位置；μsi代表编号为i测点的建筑局部体型系数；代表编号为i测点的建筑高度前方未遭受扰动情况下的风速均值；代表编号为i测点的风压均值；ρ代表密度。

3.1.1 不同工况条件下周边建筑的影响分析

按照如图2 所示的目标风场布设方案，搭建体型系数受周边建筑的干扰影响模拟场景。其中，z代表楼高。

图2 双塔干扰影响模拟场景

沿着双塔侧面模拟风场，以风场角度作为变量，从0º逐渐增加至360º，观察风角变化过程中，局部体型系数受周边建筑的影响变化情况。以下为干扰影响模拟结果。

测点A1：工况1 与工况2 体型系数变化特点基本相同。当风向角小于80º时，2 种工况下的体型系数均呈现下降变化趋势，80º～240º，体型系数几乎保持不变；240º～280º，体型系数出现小幅度的下降。当风向角大于280º时，体型系数变化较大，即出现大幅度增加。其中，工况1 较工况2上升数值更大，并且工况2 在风向角330º左右时，开始趋于稳定。

测点A2：工况1 与工况2 体型系数变化特点基本相同。0～180º，体型系数稳定在-1.5 左右，180º～300º，体型系数与风向角成几乎成正比例关系，出现上升趋势，最高点达到1.0 左右。300º～360º，体型系数随着风向角的增加而减小。

测点A3：该测点2 种工况在风向角未达到180º之前，变化趋势基本一致，稳定在-0.8 左右，而后呈现下降趋势，最小体型系数约为-1.5。工况1 在风向角大于180º以后，体型系数开始增加，自风向角超过230º后开始出现下降趋势。工况2 在风向角大于200º以后，体型系数先增加而减小变化趋势。

测点A4：工况1 与工况2 体型系数变化特点基本相同。风向角0º～115º，体型系数稳定在-0.8 左右，而后随着风向角的增加，先增加而后减小，峰值大约在180º处出现，大小约为0.8 左右。当风向角超过260º后，体型系数随着风向角的增加，出现小幅度的增加。

测点B1：工况1 与工况2 体型系数变化存在较大不同之处。工况2 的体型系数随着风向角的变化改变幅度不大，工况1 条件下的体型系数变化幅度较大，0º～60º，体型系数大幅度下降，60º～280º，体型系数趋于稳定，当风向角超过280º后，体型系数开始出现大幅度上升变化趋势。

测点B2：2 种工况下的体型系数在风向角0º～120º，工况1 的体型系数更大一些，风向角超过120º后，工况2 的体型系数偏大，并且2 种工况生成的形体系数变化特点基本相反。

测点B3：2 种工况体型系数在风向角200º～360º的变化特点相反，工况1 体型系数先增加而后减小，工况2 体型系数先减小而后增加。

测点B4：2 种工况的体型系数在100º～250º差异较大，工况1 对应的体型系数偏大，并且在120º～130º时出现了快速上升情况。

综上分析可知，与4 个A测点相比，测点B在不同工况下，体型系数随风向角的增加呈现出的变化存在较大差异。所以，测点B处风场变化对建筑体型系数分布的影响较大。其中，测点B1 处受迎面风影响，对临近的建筑群尾流涡旋及遮挡造成的影响较大。

3.1.2 不同工况条件下建筑表面局部体型系数变化

建筑表面局部体型系数的变化分析，通过对比工况2 和工况3 条件下双塔表面体型系数，判断复杂的地形环境是否会对建筑表面体型系数造成一定影响。

从模拟测试结果来看，双塔建筑在2 种工况下的表面体型系数变化特点基本相同。所以，此处以A 塔为例，对建筑各个面的表面体型系数变化情况展开分析。

A面：工况1 与工况2 各个建筑表面体型系数变化趋势基本一致，随着楼层高度的增加，体型系数先上升，而后稳定在-0.7～-0.8 之前。相比之下，工况2 的体型系数数值更大一些。

B面：工况1 与工况2 各个建筑表面体型系数变化趋势基本一致，随着楼层高度的增加，两种工况下的体型系数数值逐渐重合。

C面：工况1 与工况2 各个建筑表面体型系数变化趋势基本一致，随着楼层高度的增加，体型系数波动频率较高，整体波动幅度不是很大。相比之下，楼层较高的位置，体型系数更小一些。其中，顶楼体型系数约为0.25。

D面：工况1 与工况2 各个建筑表面体型系数变化趋势差异较小，工况1 对应的体型系数在0.2H～0.25H（H代表建筑总高度，单位m），而工况2 的体型系数随着楼层高度的增加而持续增加，当楼层高度达到0.8H（H代表建筑总高度，单位m）时，2 种工况下的表面体型系数开始下降而后上升。

综上分析可知，建筑表面体型系数容易受地形的影响，并且该系数沿着建筑高度增加的变化特点与无地形影响条件下的系数变化特点基本相同。根据该研究结论，在设计超高层建筑方案时，需要综合考虑工程所处地区复杂地区环境因素，在方案投入实施之前，先利用模拟软件模拟当前方案的建筑表面体型系数下的施工状况，根据建筑各个面的体型系数变化情况，分析该方案是否符合超高层建筑施工安全及质量标准。该研究已经给出了一些复杂地形影响下的建筑表面体型影响结论，对于不同工况生成的结果存在一定差异。为了进一步提高超高层建筑设计方案可靠性，需要进行针对性分析，可以参考该文提出的分析模型和工具使用方法展开全面分析。

3.2 层风荷载特性

除了前文论述的局部体型系数分布，对高层建筑结构质量影响较大以外，层风荷载变化特点同样具有较大的参考价值[6]。

3.2.1 三分力系数的构建

对于高层建筑来说，风荷载对实际工程设计和风致动力响应的影响较大，所以分析各个楼层的风荷载显得尤为重要。一般情况下，采用三分力系数探究层风荷载变化特点。以下为系数模型。

式中：σCD（zi）代表层阻力系数均方根；σCL（zi）代表层升力系数均方根；σCT（zi）代表层扭矩系数均方根；σFD（zi）代表阻力均方根；σFL（zi）代表升力均方根；σFT（zi）代表扭矩均方根；A（zi）和B（zi）分别代表迎风面积、顺风风向宽度；v（zi）代表流风速度。

3.2.2 层阻力功率谱特性与升力功率谱特性

以3 层、9 层、13 层为建筑测试点，分别模拟测试阻力功率和升力功率情况。模拟结果显示，各个楼层阻力功率谱频率差异较小，上限值为0.03，下限值为0.02，大部分阻力功率集中在该范围内，并且出现了峰值。除此之外，低频范围内分布着少量峰值。从整体来看，各个楼层对应的阻力功率谱数值形成的曲线变化规律基本相同，变化较为缓慢，并且峰值差异性不是很大。高频部分形成的功率谱变化特点与之不同，曲线变化速度很快，在短时间内大幅度下降。

沿着从低层到高层的顺序，观察层阻力功率谱特点，发现低频部分逐渐减少，相反，高频部分频谱生成结果随之增加。由此可以判断，风荷载高频能量主要聚集在楼层比较高的位置。升力功率谱变化特点与之相似。

不同工况下，各个楼层模拟结果中对应的阻力功率谱的变化特点，可以表明建筑底部阻力谱受建筑工程施工的影响大小，从流场干扰变化规律中提取重要信息总结要点。建筑第3 层该项参数数值较大，出现逐渐增加变化趋势。与此同时，高频与中频数值也逐渐增加。由此可以判断，当建筑高度增加时，阻力谱所受影响有所减弱。

而后该试验又添加了工况变量，设置多个工况，经过模拟操作，获取各个楼层阻力功率谱与升力功率谱变化情况。从各工况条件下的阻力功率谱和升功率谱变化特点可以看出，受复杂地形影响，顺风建筑的风荷载中高频部分的脉动成分有所提升，位于低频处的脉动成分出现了下降变化趋势。另外，3 种工况中，工况1 的功率谱峰值最小，并且中、高频升力功率谱偏大。根据上述分析，升力高频脉动情况下，可能导致地形及周边建筑发生变化。

通过该试验的探究，总结不同工况下各个楼层阻力功率谱与升力功率谱变化情况，根据变化特点，总结超高层结构设计中各个楼层脉动与周围建筑变化的影响关系。方案决策中，建议根据建筑方案对周边建筑的影响大小，适当调整工程方案。投入使用之前，对调整后的方案再次模拟分析，直到符合工程质量及安全要求。

4 结语

超高层双塔建筑对建筑结构设计与施工技术水平要求较高，尤其是复杂地形环境，设计方案很有可能受地形影响，导致方案可行性较差。为了保证建筑工程得以顺利实施，该文通过搭建模拟环境，在该环境下综合考虑每项影响因素，以风荷载特性作为重点分析对象，从模拟试验结果中总结一些复杂地形对建筑风荷载的影响，从而为工程方案优化提供更加全面的信息，为后续项目设计、施工落地奠定基础。