高层建筑风洞试验的必要性分析

尚永乐

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

随着力学分析、结构设计和施工技术的发展，高层建筑普及度逐日提高。高层建筑承受的水平荷载主要包括地震作用和风荷载，对比于地震发生的偶然性，风荷载对于高层建筑作用的时间较长，频率较高，而高层建筑在强风作用下，围护结构遭到破坏或引起建筑较大震动的情况时有发生，因而高层建筑的风荷载设计至关重要。

通过对比国内外学者对风荷载问题的研究，中美规范均已提出风洞试验的概念，已发现：（1）结构等效静风荷载计算的差异主要体现在阻尼比的取值上，但周边建筑物对结构最不利风向下的风振响应存在放大效应，规范取值不能完全包络；（2）风压在建筑物的中上部及立面拐角区域较大，风吸力（负压）要大于风压力（正压）；（3）极值风压比阵风风压略大。

本文通过实际工程对比规范风荷载以及风洞试验对结构位移角、位移比、风荷载舒适度、墙体受拉分析的数据分析，明确了高层建筑使用风洞实验来确定风荷载值的必要性。

1 项目概况

某通风塔，主要功能是作为市政隧道的通风塔，建筑地下设三层地下室，功能为设备用房。地上工程主屋面高度约179.85m，功能为观光和餐饮娱乐功能，是一座体型较为简单但功能较为复杂的结构。本项目虽然结构体系比较简单，但是其高度比较高且使用功能较为复杂，一些控制参数在国内相关规范中的规定不明确，比如位移控制值、风振位移加速度和性能化抗震设计等方面。合理选取这些控制参数，将保证结构正常工作；非结构构件和各种设施的完好；防止风荷载较大时对使用者产生不舒适的感觉；正确评价结构在地震作用下的抗震性能等。本报告包含了初步设计计算的依据、主要假定、设计方法及主要结果，作为审查的依据。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称高规）及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（以下简称抗规），按剪力墙体系，本工程的超限情况判断：高度：180m 大于150m，超B 级。高宽比：X 向11.5,Y 向8.7 大于6，属于超限。平面规则性：核心筒内楼板很少，楼板集中于筒外悬挑板，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，开洞面积大于该层楼面面积的30%，属于楼板不连续。

2 结构设计依据

2.1 规范

国家规范：《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）；《高耸结构设计规范》（GBJ 135-2006）；《钢塔桅结构设计规范》（GY 5001-2004）；《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）；《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）；《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）；《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）；《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-2012）；《烟囱设计规范》（GB 50051-2013）；《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068—2001）；《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008）；《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（中华人民共和国住房和城乡建设部令第111 号）。

上海市规范：《上海市建筑抗震规程》（DGJ08-9-2013）。

2.2 计算参数

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）以下简称抗规相关的条文要求及提供的新建工程调整初步设计、新建工程可行性研究调整报告，对于主塔楼结构分析和设计采用的建筑物分类参数如下：结构设计基准期：50 年；结构设计使用年限：50 年；结构设计耐久性：50 年；建筑结构安全等级：一级；结构重要性系数：1.1；建筑抗震设防分类：乙类；特征周期Tg：0.90s；弹性分析，阻尼比：0.05；周期折减系数：0.9。

2.3 材料

结构构件所选用之混凝土将不低于C30，各类参数按照GB50010-2010 执行；钢筋材料应符合中国规定GB50010-2010；结构用钢材将采用中国标准钢材。

2.4 荷载

楼面荷载：钢筋混凝土重度按26kN/m2考虑，钢材重度按78kN/m2考虑。

恒载：楼板、梁、柱和剪力墙等结构构件的自重在计算中由计算程序根据构件截面和材料直接计算。

隔墙荷载：100mm 厚加气混凝土砌块双面粉刷（容重8kN/m3）8×0.1+20×0.04=1.6kN/m2。200mm 厚加气混凝土砌块双面粉刷（容重8kN/M3）8×0.2+20×0.04=2.4 kN/m2

活载：按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）（以下简称荷规）取值。

2.4.1 屋面

上人屋面：2.0（kN/m2）机电设备间 7.0（或按实际设备重量）（kN/m2）

2.4.2 标准层

酒店：2.5（kN/m2），办公2.0（kN/m2），走廊、电梯厅3.5（kN/m2），卫生间2.5（kN/m2），楼梯3.5（kN/m2），机电设备间 7.0（或按实际设备重量）（kN/m2），展览厅、宴会厅3.5（或按业主要求）（kN/m2）。

风荷载：按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）（以下简称荷规）规定，本工程按50 年一遇基本风压0.55kN/m2，进行正常使用极限状态设计，按1.1 倍的50 年一遇的基本风压即0.605kN/m2进行承载能力极限状态设计；地面粗糙度按A 类考虑；风荷载体型系数取0.8。

风洞实验：由于本项目高度较高，周边还有高层建筑，风荷载存在一定不确定性，工程由某防灾国家重点实验室对本项目进行了风洞实验，对建筑物进行了比例缩放，得出各个点的风荷载标准值。

2.4.3 各层楼盖的活荷载折减系数

在设计墙、柱及基础时，各层的活荷载可参见《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第4.1.1 节折减。

2.5 验算要求

结构在承载力极限状态和正常使用极限状态下应符合：

式（1）中S 表示荷载或作用效应，R 表示结构抗力。

2.6 正常使用极限状态

结构构件在正常使用极限状态下应满足：

式（2）中Sd 表示荷载效应设计值（如变形、裂缝），C表示设计对该效应的相应限值。

验算构件承载力极限状态时，对于非地震组合应满足：

式（3）中 γ0 表示结构重要性系数（本工程取1.1），S表示荷载或作用效应组合设计值，R 表示结构构件承载力设计值。

3 结构体系

本项目结构体系具有一定特殊性。首先作为构筑物，其结构形式类似一般电视塔或大型烟囱，体系比较简单；其次具有一定的使用功能，特别是顶部区域，功能相对复杂。所以无论按照一般构筑物或是一般民用建筑进行体系划分都存在不合适之处，需要综合考虑二者特点进行设计。

3.1 主体结构

幕墙柱面网壳结构对风塔整体刚度的影响不大，讨论整体结构体系时不予考虑（具体分析见本文14.6 节）。从风塔主体结构本身的特点出发，将其定义为：钢筋混凝土剪力墙筒体+悬挑桁架（梁）结构。

3.2 楼面体系

不同层采用现浇钢筋混凝土梁板式楼盖，混凝土强度C40。2～4 层长悬挑梁采用型钢混凝土截面楼板厚度一般为110mm，在正负0 层为150mm，B1 层及转换层为180mm。出于施工便利性考虑，机电避难层悬挑桁架及悬挑梁采用钢结构，楼板采用组合楼板。

3.3 剪力墙

风塔采用钢筋混凝土剪力墙，底部加强区抗震等级为特一级，其余为一级。底部剪力墙部分墙肢内埋型钢，目的是保证风荷载下下墙肢名义拉应力不超过1ftk，中上部区域部分墙肢内埋型钢，主要作用是方便与型钢悬挑桁架连接，保障传力途径的可靠性。根为避免整片墙肢同时集中开裂造成筒体底部刚度和抗剪承载力突然下降，在筒体周边主要剪力墙上沿高度每4m 开设较大洞口，形成变形和耗能能力更强的联肢墙体系，减小筒体外侧墙体集中受拉的情况。

不同高度处内墙（外墙）墙厚表1 所示。0～60m：300（500）mm，60～ 156m：250/300（400）mm，156～180m：250（350）mm。

表1 不同高度处的墙厚

3.4 嵌固端的判定

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010 第3.5.2 条规定：对结构底部嵌固层，楼层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于2，其侧向刚度的计算方法按照条文说明的要求采用剪切刚度。

本工程以B1 作为嵌固层。经验算，嵌固层刚度比大于2，满足规范要求。具体如下：

X 向：地下二层刚度为1.97E+008（kN/M），地下一层刚度为6.37E+007（kN/M），刚度比为3.09。

Y 向：地下二层刚度为2.82E+008（kN/M），地下一层刚度为6.83E+007（kN/M），刚度比为4.13。

4 结构性能化目标及设计要求

风塔不是典型的民用高层建筑，考虑其超高且具有较为复杂的临时使用功能等特点，在选取各项控制参数时主要参照《高规》，个别参数进行酌情调整，保证结构的安全性、正常工作状态、人员的舒适性等。

4.1 结构水平变形限值

由于风塔的特殊性，其顶部位移角和层间位移角限值在不同规范中有不同的要求，如下所示。

高耸结构设计规范：顶部位移角为1/75。混凝土电视塔结构技术规范：顶部位移角为1/75。高层建筑混凝土结构技术规程：剪力墙结构层间位移角为1/735。上海市建筑抗震规程：小震（风）首层位移角1/2000。欧美规范：层间位移角为1/400。

根据本项目的结构形式及结合使用功能要求，将层间位移角限值参照《高混规》及《上海市抗规》要求定为1/735。首层位移角1/2000。

4.2 结构竖向变形限值

钢筋混凝土梁：

其中lo 为梁的计算长度，悬挑梁取2 倍lo。

4.3 结构舒适度控制

按照《高规》第3.7.6 条要求，对办公用途房屋，10 年一遇的风荷载顺风及横风最大加速度不应超过0.25m/s2。

按照《高钢规》3.3.5 要求，对办公用途房屋，10 年一遇的风荷载顺风及横风最大加速度不应超过0.28m/s2。

考虑到风塔使用功能具有临时性，可适当放松，故取0.28m/s2作为控制标准。

计算时结构阻尼比一取0.02。

5 模型中楼层的假定

风塔的侧向刚度比较均匀，但质量在竖向上分布并不均匀，质量主要集中于有使用功能的几层，上下层之间在中部和下部高差甚至达到40m。在模型分析中将全部质量集中于楼板标高显然不合实际。考虑到所有层高均为4m 或4m 的模数，模型中人为将风塔分为每4m 高度一层，用于凝聚质量和统计各项参数。同时，为消除人为划分楼层后隔板对模型刚度的影响，在计算分析时在人为划分楼层采用非刚性隔板假定。

计算模型和计算结果。采用北京盈建科软件有限责任公司的YJK 对风塔进行弹性分析和计算，另外对该工程采用了SAP2000 软件进行对比分析和计算校核计算结果。YJK 模型中，为使模型质量分布更接近真实，并方便参数统计，人为将风塔中间挑空部分划分为每层4m。

图1 YJK 模型及SAP2000 模型

6 主要参数对比分析

在保证YJK 和SAP2000 两种计算模型主要参数以及材料荷载等其他条件相同的情况下，通过对比YJK 和SAP2000 计算结果，得出两款软件中周期及质量相对误差较小，故YJK 软件计算数据可以作为该结构设计依据。两款软件计算主要计算指标如下所示。

表2 两款软件的主要计算指标

风塔计算的前三个振型为X、Y 向平动，绕Z 向扭转。结构第一扭转周期比第一平动周期为0.23，结构扭转效应较小，满足《高规》（JGJ3-2010）第3.4.5 条周期比小于0.85 的要求。

7 风荷载多用下结果对比

7.1 模型主要参数

在YJK 软件中，保证其他参数一致的情况下，在风荷载计算信息中，分别按照根据规范风荷载自动计算、根据风洞报告结果对每个节点分别输入风荷载标准值，对比各类有风荷载工况参与的情况下对风结构整体及构件的影响。并根据结果采取相关措施。

7.2 风荷载作用下结构位移

YJK 计算得出的位移角计算结果如下所示：

风荷载工况下（规范风）结构X 方向下的层间位移角为1/1161，风荷载工况下（规范风）结构Y 方向下的层间位移角为1/1529。

风荷载工况下（风洞试验）结构X 方向下的层间位移角为1/749，风荷载工况下（风洞试验）结构Y 方向下的层间位移角为1/885。

7.3 风剪力分析

风荷载工况下（规范风）结构X 方向下的楼层最大剪力为4 160kN，风荷载工况下（规范风）结构Y 方向下的楼层最大剪力为4 160kN。

风荷载工况下（风洞试验）结构X 方向下的楼层最大剪力为5 500kN，风荷载工况下（风洞试验）结构Y 方向下的楼层最大剪力为6 000kN。

7.4 风荷载倾覆弯矩

风荷载工况下（规范风）结构X 方向下的楼层最大倾覆弯矩为430 800（kN-M），风荷载工况下（规范风）结构Y 方向下的楼层最大倾覆弯矩为430 800（kN-M）。

风荷载工况下（风洞试验）结构X 方向下的楼层最大倾覆弯矩为620 000（kN-M），风荷载工况下（风洞试验）结构Y方向下的楼层最大倾覆弯矩为655 000（kN-M）。

7.5 风荷载舒适度

由于国内规范中关于横风向风阵加速度的计算缺少圆形、不规则形状的横风向风阵加速度计算。故规范风力作用下结构横风向风阵加速度计算不进行参考。

根据风洞实验结果，风塔顶部X 向加速最大值为0.249m/s2，Y 向加速度最大值为0.276m/s2，基本满足0.28m/s2作为控制标准的要求。

7.6 风荷载作用下墙体受拉分析

参考抗震审查技术要点，结构在风荷载作用下墙肢名义拉应力也不应大于1.0ftk。

图2 1.0D+1.0WX（风洞实验）工况

根据结果，风在规范风荷载工况参与组合的情况下，底部墙肢拉应力为1Mpa，小于2.85Mpa；在风洞实验数据下，风荷载参与的组合底部墙肢出现较大拉应力，局部墙肢的最大拉应力达到约4Mpa，大于1ftk=2.85Mpa，故需要在底部设置少量型钢才能满足相关要求。

7.7 楼板详细应力分析

风荷载及中震作用下楼板应力云图如图3 所示，从图3 可以看出。

图3 D+L-WX 楼板应力

风荷载作用下，沿核心筒外围转角处楼板有较大的应力，局部大于2.6，需进行配筋加强。

8 结论

因高层建筑受附近建筑影响会产生群风效应，规范风荷载不能完全准确的记录风荷载对建筑的影响，本文通过对比此工程规范风和风洞试验发现，在风洞试验的荷载作用下，楼层的最大位移、层间位移角、基底剪力、抗倾覆弯矩、墙底拉应力以及均处于不利的情况。