沿海强风环境下钢结构超高层建筑风侵评估与施工技术研究

张斌

摘要：沿海建造的超高层建筑经常遭受台风侵袭，需要评估研究沿海强风环境下钢结构超高层建筑风侵情况，便于未来建设改进。考虑到所研究工程所处环境特殊，使用Fluent软件构建模拟分析模型，并在该模型中添加强风荷载，获得超高层建筑极限应力与极限变形规律，并计算建筑各角的风侵位移。玻璃幕墙是超高层建筑的重要组成部分，使用CFD数值模拟该部分的易损性。结果表明，顺风条件下，建筑背风面位移更小；横风条件下则迎风面位移更小。计算后确定该建筑各个面主要承受负风压，强风荷载下，玻璃幕墙的挠度先失效，横梁位置与焊缝位置都易发生损坏，需要从这些方面加强超高层建筑钢结构的性能。

关键词：沿海强风环境；钢结构；超高层建筑；风侵评估；Fluent软件；CFD数值模拟

中图分类号：TU393.2        文献标志码：A     文章编号：1001-5922（2023）03-0172-06

Study on construction technology and wind invasionassessment of steel super high-rise buildings in coastal strong wind environment

ZHANG Bin

（CCCC Construction Group Co.， Ltd.，Beijing 100007，China）

Abstract：Coastal super high-rise buildings are often attacked by typhoons，so it is necessary to evaluate and study the wind invasion of steel structure super high-rise buildings in coastal strong wind environment，so as to facilitate future construction and improvement. Considering the special environment of the project under study，Fluent soft? ware was used to build a simulation analysis model，and strong wind load was added to the model to obtain the ulti? mate stress and ultimate deformation law of super high-rise building，and the wind invasion displacement of each corner of the building was calculated. Glass curtain wallis an important part of super high-rise building，and the fra? gility of this part is simulated by CFD. The results show that the displacement of the leeward side of the building is smaller under downwind condition，and the displacement of the windward side is smaller under cross-wind condi? tion. After calculation，it is determined that all sides of the building mainly bear negative wind pressure. Under the strong wind load，the deflection of the glass curtain wall first fails，and the position of the beam and the position of the weld are prone to damage. In the future，it is necessary to strengthen the performance of the super high-risebuilding steel structure from these aspects.

Keywords：coastal strong wind environment；steel structure；super high-rise construction；wind invasion assess? ment；fluent software；CFD numerical simulation

经济发展伴随建筑行业的进步，但是受到土地面积的限制，一般通过建造超高层建筑，避免出现土地浪费的现象。以目前建造工艺来看，一般使用高强度且质量较轻的建筑材料实现超高层建筑的建造，這也造成超高层建筑整体结构越来越柔性发展，导致建筑结构的整体阻尼降低并且增加建筑的自振周期，对于强风荷载高度敏感[1-3]。超高层建筑的目标使用年限一般较长，建筑结构面对长时间环境、气候变化，低温、酸性气体、碱性物质等因素都会严重危害建筑结构的耐久性[4，5]。超高层建筑在生态环境影响或者人为因素干扰之下，居住的舒适效果与整体结构安全效果一直是相关领域研究者的重点关注内容，有学者针对超高层建筑在风荷载影响下所产生的动力响应作出深入研究[6]。从目前研究成果来看，较大风荷载会导致建筑结构出现较为严重的变形情况，玻璃幕墙、围护结构、钢结构等组成部分都会在超强风荷载的影响下，发生失稳、变形、破损等现象[7-9]，这些现象一方面带来极为严重的安全隐患，另一方面还会直接增加政府的维修基金[10]。超高层建筑从建造到使用也面临诸多问题，因此需要重点评估各种因素对于超高层建筑结构风险的影响[11-12]。并基于以上各种因素，采用系列模拟算法实现评估以及建筑工程结构的监测[13]。并结合监测的数据反馈至施工单位对于材料的选择进行分析，如胶黏剂、钢材、幕墙等材料提供理论依据[14]。

根据以上分析，并综合考虑实际施工环境的风荷载影响情况，本文从多个方面出发研究沿海强风环境下钢结构超高层建造风侵评估分析情况。

1钢结构超高层建造风侵评估

1.1研究目标主体——钢结构工程概况

本文所研究的超高层建筑施工工程，地理位置处于福建省厦门市集美新城片区，整体建筑共50层，主塔楼位于本项目西北角，主塔楼平面尺寸为44.5 m×44.5 m，建筑高度266 m，地下3层，地上47层，单层高度在2.2～15 m不等。该施工区域由上至下土层结构分别为素填土、杂填土、粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩等，由此可以看出，该区域坚硬杂石较多，施工难度较大。

结构体系为钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒+环桁架，钢结构工程包括外框钢管柱、楼层钢梁、核心筒钢骨柱、核心筒钢板墙、三道环桁架及塔冠。塔楼东侧附带有2层裙房，裙房钢结构构件为钢梁，最大跨度27.6 m，分布于2F～3F，且2F 中间设置有夹层结构，截面形式均为H性钢梁；塔楼结果分解图如图1所示。

1.2评估方法

1.2.1基于数值模拟的超高层建筑动力响应分析

1）模型构建

若想研究在强风荷载之下，超高层建筑所产生的动力响应，需要使用有限元软件构建分析模型，利用数值模拟钢结构超高层建筑在沿海强风影响的模态情况。使用 Fluent数值模拟软件构建超高层建筑的结构分析模型，等比例构建超高层建筑的三维几何模型，同时构建风场相关的欧拉体系模型[15]。使用二类截面：欧拉体单元截面、实体单元截面实现工程算例模型构建，模型简化前后需要注重性质等效所以需要慎重考虑材料参数的取值，确定截面性质后才能将这些截面与实际建筑中相应的建筑部件对应，获得各个部件的数值模拟模型。各个部件分别构建完成后，再依次组装，完成整个超高层建筑的模型构建。

2）确定边界条件

模型构建过程中，出于模型简化的需求，边界条件是模型底面被施加的固定约束。在软件中选择边界条件管理器，先创建第一个边界条件A-1，分析步类型选择位移与转角，U1-U3以及UR1-UR3均设置为0，使用瞬时赋值。

针对本文所研究的工程情况，在软件中创建一个重力荷载，X与Y方向的分量值均为0，Z方向的分量3的值是-9.8，使用瞬时重力荷载幅值[16]。

3）风荷载施加创建

构建平均风荷载时先在软件中定义解析场，从X 轴正方向出发，风荷载呈现出指数分布规律。构建余弦脉动风荷载时，设置2 s 风速周期，频率值则设定为0.5 Hz，圆频率设置为3.14，风荷载带的初始幅值设置为1开始时间设定为0，以此确保风荷载始终超过0，实现1幅值的余弦脉动风。

针对所研究的超高层建筑物构建数值模拟模型，并生成风荷载施加模型，具体如图2所示。

4）单元选择与网格划分

为提升模型计算的效率和较为准确的计算结果，选取合适的单元。使用六面体线性减缩积分实体单元模拟超高层建筑中的混凝土结构，该单元每个个体都具备8个节点，这类单元能够降低单元内积分点数量，提升计算速度，防止计算结果出现剪力锁闭的情况。钢结构超高层建筑中存在较多钢筋结构，针对这类结构，选取三维桁架单元（2节点），这类单元只能承受压缩与拉伸荷载，能够实现加强构件的模拟[17]。

1.2.2 风荷载下超高层建筑幕墙易损性分析

玻璃幕墙是超高层建筑中的重要组成部分，同时也是超高层建筑的重要围护部分，所以评估沿海强风环境下钢结构超高层建造风侵情况时，需要重点分析玻璃幕墙的易损性[18]。

数值模拟软件之中本身就携带黏性模块，可以直接实现CFD 数值模拟，模拟过程中需要利用湍流能、入口风剖面以及湍动能耗散率，所以开展研究之前先需要对这些参数实行計算。计算超高层建筑外风压时参考《建筑结构荷载规范》，该规范能够主要用于模拟建筑设计阶段在风荷载影响下出现的易损伤性变化，本文在实际使用过程中需要适当修正该规范内的计算方法[19]。

1）风压系数分析

从以往的研究经验来看，风压在建筑表面的分布并没有保证一个统一的形式即使在同一个来流风场影响下仍旧会出现部分建筑位置风压过强的情况，受到沿海强风影响，这些风压过高的位置为出现较为显著的破坏形态。由此可以看出，作用于建筑表面的风压系数并不能够体现出风荷载之下建筑结构出现损坏最严重，危险性最高的位置。这就体现出 CFD 数值模拟的优势，利用这一模拟方法实现较为科学地分析最不良工况之下建筑结构所承受的力。

2）易损性分析

通过以上风压系数模拟结果，可以获得各种风向来流下超高层建筑幕墙上的风压系数，将该系数重新代入数值模拟中，能够获得风速不同下超高层建筑幕墙上各构件的失效概率，并根据该结果分析出整个超高层建筑幕墙的易损性。

2 结果分析

2.1 超高层建筑动力响应分析结果

使用有限元软件计算生成所研究超高层建筑在风荷载下迎风面的极限应力与极限变形情况，结果如图3所示。

从图3计算生成的有限元结果可以看出，确定强风荷载之下，超高层建筑迎风面呈现出的极限变形与极限应力，根据这一变化规律获得超高层建筑顶部4个焦点的顺风向与横风向的时程位移变化规律，结果如图4所示。

从图3、图4可以看出，顺风向风荷载作用下超高层建筑东南与东北两个角点的位移低于西南与西北2个方向的角点，这可能是由于东南与东北方向属于背风面，西南与西北方向属于迎风面；横风向荷载下，4个方向的位移则相反，由此变化规律可以获知，超高层建筑需要具备较为均匀对称的剪力墙布置效果，才能具有抵抗强风导致的位移情况，所以超高层建筑需要在迎风面加建抵抗强侧移的加强部件。

2.2 风荷载下超高层建筑幕墙易损性分析结果

使用数值模拟后可以确定超高层建筑各个方向的风压系数，计算结果如图5所示。

從图5可以看出，本文所研究建筑除A 面以外，剩余各面均显示出较为显著的负风压系数。由此可得出，本文所研究建筑多个风向角下都展现出负风压，只有迎面位置会出现正风压系数。

超高层建筑玻璃幕墙面板在风荷载下产生的易损性变化结果如表1所示。

由表1可知，风速达到30 m/s 时，超高层建筑玻璃幕墙面板的挠度开始出现失效临界；当风速达到60 m/s 时，超高层建筑玻璃幕墙面板的应力开始出现失效临界。受到沿海强风影响，超高层建筑玻璃幕墙面板的挠度发生超限现象，造成超高层建筑玻璃幕墙面板发生破裂现象，非承载力超出限值，导致超高层建筑玻璃幕墙面板出现严重风侵破坏。

不同风速影响下，超高层建筑玻璃幕墙梁柱结构的易损性分析结果如表2所示。

由表2可知，风速达到65 m/s 时，超高层建筑玻璃幕墙横梁位置已经发生失效；而立柱结构则是风速为75 m/s 时发生失效。综合来看，梁柱结构中，横梁比立柱先失效。根据数值模拟的易损性分析结果可知，梁柱结构连接的螺栓位置率先发生抗剪失效，所以研究超高层建筑玻璃幕墙横梁易损性情况时，需要优先关注螺栓连接的变化情况。

超高层建筑玻璃幕墙各个连接构件包括螺栓、焊缝以及铝截面，这些构件的易损性分析情况如表3所示。

由表3可知，3种超高层建筑玻璃幕墙构件中，处于钢连接件与螺栓钢垫片之间的焊缝更容易出现损伤，一般风速为65 m/s 时开始出现失效，这种情况主要是由于实际施工时焊缝更容易出现误差，焊缝周围也易于出现力学缺陷。除此之外，铝截面也较为容易发生损伤，所以超高层建筑钢结构建设过程中，需要综合考虑沿海强风的影响，重点关注构建部分的易损性，选择更加耐用的构件设备。

3 施工方案

通过仿真模拟实验分析得出，超高层建筑重要组成部分-玻璃幕墙在风荷载下的易损性情况主要来自于各个连接构建，包括螺栓、焊缝以及铝截面等组件因素，因此建造工程从钢结构焊接、防腐工艺以及防火等核心技术模块进行工艺技术阐述。

3.1 施工技术方案

3.1.1 钢结构焊接

本项目的焊接工艺如图6所示。

3.1.2 焊接关键技术

1）预热

规范定义厚度40 mm 以上板为厚板焊接，以项目所在地气候情况来看，厚板焊接前需进行预热。

（1）预热范围应沿焊缝中心向2侧至少各100 mm 以上，并按板厚3倍以上范围实施；（2）当预热范围均匀达到预定值后，恒温5～15 min；（3）预热温度宜在焊件受热面的背面测量，测量点应在焊接点各方向不小于75 mm 处；（4）采用表面温度计测试；（5）预热热源采用氧─乙炔中性火焰加热；（6）常用钢材采用中等热输入焊接时，最低的预热温度符合要求。

2）层间温度控制

施焊前，注意收集气象预报资料。预计恶劣气候即将到来，并无确切把握抵抗的，应放弃施焊；

焊接时，焊缝间的层间温度应始终控制在100～120℃ ，每个焊接接头应一次性焊完。

若焊缝已开焊，要抢在恶劣气候来临前，至少焊完板厚的三分之一方能停焊，且严格做好后热处理，记下层间温度。

3）后热与保温

厚板焊接时为保证焊缝中扩散氢有足够的时间得以逸出，从而避免产生延迟裂纹，焊后进行后热处理，后热温度为250～350℃ ， 测温点选在直接加温处的相对部位，严禁在直接施热部位测试。焊接完成后，即可用多层石棉布紧裹，保温的时间以接头区域、焊缝表面、背部均达环境温度为止。

4）焊接变形控制

为减少焊接变形，钢柱对接焊接均采用对称焊接，保证2侧热量均匀输入。

5）焊后清理

（1）认真清除焊缝表面飞溅、焊渣；（2）焊缝不得有咬边、气孔、裂纹、焊瘤等缺陷和焊缝表面存在几何尺寸不足现象；（3）不得因为切割连接板、垫板、引入板，引出板伤及母材，不得在母材上留有擦头处及弧坑；（4）连接板、引入、引出板切割时应光滑平整；（5）焊缝外观自检合格后，方能签上焊工钢印号，并做到工完场清。

3.1.3 防腐防水施工

（1）防腐防水涂料应满足良好的附着力，与防火涂料相容。防腐防水涂料应通过国内权威机构关于底漆干膜锌含量以及耐老化测试的第3方检测报告。（2）钢结构除锈、防腐蚀、防水采用的涂料及防腐蚀防水应符合现行标准《建筑钢结构防腐蚀技术规程》（JGJ/T 251）和《涂覆涂料前钢材表面处理表面清洁度的目视评定》（GB/T 8923.1）的规定；（3）钢构件所用钢材表面原始锈蚀等级不应低于B 级，且需满足现行标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB 8923）规定。埋入混凝土部分的钢构件可采用手工或电动工具除锈，除锈等级为St3级；除此以外的所有钢构件表面均应进行喷射除锈，除锈等级为Sa2.5级，表面粗糙度达到40～75μm，钢材表面除锈检验合格后，在要求时限内进行涂装。现场补漆应用风动或电动工具除锈，达到St3级，表面粗糙度达到35～55μm。

4 结语

沿海环境中经常强风肆虐，8级以上大风天气多发，严重危害当地超高层建筑的稳定性与安全性，因此研究沿海强风环境下钢结构超高层建造风侵评估情况。对于整体超高层钢结构，使用Fluent 数值模拟软件构建模型，并在该模型中模拟出风荷载影响，确定不同风向下，建筑结构不同方向位置承受的风荷载以及风荷载影响下所发生的位移变化。使用 CFD 数值模拟方法，计算得出超高层建筑不同方向的风压系数，并且针对超高层建筑重要组成部分-玻璃幕墙在风荷载下的易损性情况展开重点分析。经过详细分析发现，超高层建筑背风面不易于发生风荷载影响导致的位移，迎风面则恰恰相反。超高层建筑玻璃幕墙受到风荷载影响，横梁比立柱更容易出现损伤，幕墙结构上的焊缝也更容易出现损伤，这些位置都是建筑施工中尤其需要注意的部分。依据仿真结果结合场地实验为复杂沿海环境中钢结构超高层建造工艺提供了关键的技术指导和技术借鉴。

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