降低超高层建筑横风向响应气动措施研究进展

顾明，张正维，2，全涌

（1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.南通大学 建筑工程学院，江苏 南通226019）

轻质高强材料的广泛应用，使得超高层建筑向着高柔、低阻尼方向发展，对风的作用越来越敏感，导致抗风设计成为其结构设计中需要重点考虑的关键因素.研究表明，随着建筑高度的提高，超高层建筑的横风向风致响应将逐渐超过顺风向响应，成为结构抗风设计的重点关注问题，特别是强风作用下的舒适度问题越来越突出.传统的通过增强结构本身刚度与强度的方法越来越难以满足设计的要求.因此，风工程研究的一个重要方向是：研究强风作用下结构风荷载和风致响应控制的空气动力学措施（包括被动、半主动和主动控制）的策略和方法，掌握气动措施控制结构风荷载和风致响应的规律并解决实际应用问题［1］.

目前超高层建筑抗风措施主要有气动措施、结构措施与机械措施三种方法.气动措施可进一步分为被动控制，半主动控制与主动控制.半主动控制与主动控制需要外界能量，通过改变气动措施的状态或向风场中吹气来改善结构周围的流场，特别是控制流动分离［2－3］，从而减小流体作用在结构上的风力.但这类措施在近期尚很难用于工程实际，所以本文不予详细介绍.本文所指的气动措施主要是被动气动控制，即通过改变建筑的外形以减小建筑的风荷载与风致效应.这类措施可以与建筑设计相结合.比如台北101大厦的建筑截面进行了凹角处理，这使得强风作用下建筑的基底弯矩响应减小了25%［4］.气动措施用于建筑的方案设计阶段，基于风对超高层建筑的作用机理，能从根源上减小结构的风荷载与风致效应.结构措施是通过选择抗侧移能力更强的结构体系来提高结构的抗风能力，是传统的抗风设计方法.这种方法造价较高，用于结构设计阶段.机械措施是通过在主体结构上添加辅助阻尼系统来减小结构的风致响应，比如台北101大厦与上海环球金融中心都在其顶部设置调谐质量阻尼器来控制结构顶部的位移与加速度，以满足结构强度、刚度与舒适度的要求［4－5］.机械措施也可以用来提高建筑的抗震性能，但是辅助阻尼系统须要额外的费用.有效、安全、可靠、经济的抗风设计方法是在方案设计阶段采用气动措施，以改变建筑的气动力输入，从而减小结构的风荷载和改善结构的舒适性.

本文基于超高层建筑风荷载和风致响应的已有研究成果，总结了减小高层建筑横风向风致效应的被动气动措施，并对今后研究及应用提出建议.

1 超高层建筑抗风的气动措施

1.1 建筑截面形状的影响

不同截面形状的高层建筑，风荷载与风致响应特性是不一致的.国内外的学者进行了大量的研究.Davenport［6］对截面形状不同，高度与动力特性相同的6类建筑的顺风向风致响应进行了气动弹性模型试验研究，圆形截面的顺风向位移最小，等边三角形最大，对于矩形截面，建筑短（弱）轴的位移也很大.Hayashida等［7－8］通过气弹模型试验对截面分别为圆形、三角形、Y 形与方形的超高层建筑的横风向风致振动进行了研究.试验结果显示，三角形截面的横风向位移响应最小，Y 形截面次之，方形截面最大，对三角形截面与Y 形截面的角部处理能够显著地减小结构的风致响应.Merrick等［9］对RWDI公司20个高层建筑工程实例进行了高频天平测力试验研究，指出方形截面建筑受高风速下的旋涡脱落控制，椭圆形、三角形截面与宽厚比较大的矩形截面可出现较大的扭转风荷载.

顾明等［10－13］对矩形截面、圆形截面、三角形截面、Y 形截面、正多边形系列模型、复杂截面模型（扇形、平行四边形、L 形）高层建筑模型的风荷载特性进行了大量的风洞试验研究.研究指出，方形截面高层建筑的横风向脉动基底弯矩系数均比其他截面的大；正多边形建筑以顺风向气动力为主，气动扭矩可以忽略不计；复杂截面系列建筑顺、横和扭转三个方向的气动力分量具有相同的重要性，扭转气动力的显著增大是这类建筑的主要特征.Wang 和Cheng等［14］对矩形截面、正多边形截面、椭圆形截面、L 型截面与较不规则截面系列模型（门形截面、扇形截面、角隅突出形截面、三角放射形截面）进行了风洞试验研究，并建立了高层建筑基本截面气动力特性的数据库.研究结果表明：正多边形截面的边数越多，所受到的风荷载会越小，而圆形截面有较好的气动力特性；矩形截面模型随着宽厚比的增大，结构的扭转风荷载越来越显著；由于L 型截面几何外形的不对称性，扭转向的风荷载比对称截面模型要大，不规则截面的扭转风荷载不容忽视；门形截面模型系列开口处应尽量避免过大，使整体截面形状能接近矩形为最佳；角隅突出物较大的截面能够同时减小顺风向与横风向的风荷载；三角放射形截面的形状扩散越少则越能降低顺风向设计风荷载，设计此类高层建筑时，应尽量使截面形状内缩；扇形截面的风荷载与弧度大小不成规则性比例，顺风向设计风荷载略有增大，但是其横风向荷载有较大的降低.

综上所述，不同截面形状的高层建筑有不同的气动特性.方形截面高层建筑的横风向荷载最大；矩形截面高层建筑随着厚宽比的增大，扭转向风荷载变得不容忽视；随着正多边形截面边数的增多，结构的荷载变小；应关注不规则复杂截面的扭转风荷载.当建筑的初步设计方案不能满足结构抗风要求时，可以和建筑设计协调，通过对基本建筑截面采取适当的气动措施处理，使建筑结构满足抗风设计要求.

1.2 矩形截面建筑角部处理措施

1.2.1 角部设置扰流板

20世纪80年代，人们开始研究设置扰流板的效用，主要目的是改变旋涡脱落的规律性，从而减小超高层建筑横风向响应.对于圆形截面的结构来说，扰流板一般都缠绕在建筑物的外部；对于矩形截面的高层建筑来说，扰流板一般布置在角部，也有一些建筑在立面沿高度方向间隔地布置竖向肋条［15］.图1给出了矩形截面高层建筑角部设置扰流板气动措施的主要形式.Kwok等［16－18］指出，角部设置扰流板主要是打乱气流流经建筑截面时产生旋涡脱落的规律性，能够减小一定设计风速范围内的横风向风振响应，但是由于增大了结构的迎风面积，从而增大了建筑顺风向的风荷载.是否采用角部设置扰流板的气动措施，要综合考虑顺风向与横风向的风效应.

图1 角部设置扰流板的主要形式［15－16］Fig.1 Cross－sectional forms of fins and vent fins［15－16］

1.2.2 角部修正

还可以通过切角、凹角、圆角等角部修正措施来改变建筑的旋涡脱落特性，从而减小结构横风向荷载与响应.常见的横截面角部修正的主要形式如图2所示.

图2 横截面角部修正的主要形式［4－5］Fig.2 Cross－sectional forms of corner modifications［4－5］

Kwok等［16－18］研究了切角以及角部开槽对方形截面与典型矩形截面高层建筑风荷载及风致响应的影响，结果表明：这两种措施能够导致结构尾流谱与横风向气动力谱的改变，从而能够明显减小高层建筑横风向风振响应.Melbourne等［19］研究了凹角、圆角、切角这三种角部修正形式对典型方形截面高层建筑横风向气动力的影响，认为适中的角部修正率（10%截面宽度）可大大降低横风向气动力谱的峰值，从而减小临近涡激共振风速下结构的动力响应.Miyashita等［20］通过高频天平试验研究了切角与凹角两种角部修正措施对方形截面高层建筑在不同风向角下气动力特性的影响.指出，10%的切角率与凹角率能够有效地减小横风向的气动力系数，但是在某些风向角下会导致风致响应的增加.Kawai［21］采用气弹模型试验对凹角、切角以及圆角三种气动修正形式，对方形截面与典型矩形截面高层建筑的气动不稳定性（涡激振动与驰振）进行了研究，结果表明：5%切角率与凹角率能够有效地防止方形截面的气动弹性失稳现象；圆角修正能够增大结构的气动阻尼，很好地抑制气动弹性失稳；角部修正措施能够提高建筑在低风速下的气动不稳定性；但是对长宽比很大的矩形截面，角部修正措施的效果不明显.Kareem 等［5］总结了不同类型气动措施对方形截面高层建筑气动力的影响，指出凹角、切角和角部开槽处理均能显著地减小顺风向和横风向的风振响应.Choi等［22］对宽厚比分别为1∶1，1∶1.5，1∶2三种矩形截面模型进行了风洞试验研究，给出了在不同切角率下，不同模型的斯托拉哈数和涡激振动的峰值在不同角度下变化规律的拟合公式.Wang 和Cheng等［14］对不同切角率的矩形截面进行了试验研究，指出切角措施能够显著地减小结构顺风向的气动力.Gu和Quan［11］对6∶1∶1方形截面高层建筑在5%、10%、20%的切角率与凹角率下的气动力特性进行了研究，指出切角与凹角措施基本上都能够减小结构横风向基底弯矩谱的峰值，10%的切角率是最优的.Irwin［4］、Suresh等［23］对台北101 大厦的风荷载特性进行了研究，通过对建筑截面做双凹角处理，结构横风向气动力均方根值减小了40%，顺风向平均风荷载减小了20%，结构总基底弯矩减小25%.Tschanz等［24］指出尽管气动外形的优化能有效地减小高层建筑的风荷载和风振响应，但这是以减小使用面积为代价的.通过对总建筑面积相等（角部修正减少的建筑面积通过增加建筑高度来补偿），采取不同角部修正率的典型方形截面高层建筑模型进行测力试验研究，结果表明，切角和凹角仍然均能减小风振响应、降低造价，凹角模型在减小横风向弯矩方面比切角模型更有效.Mara等［25］对一超高层建筑的气动力特性进行了测力试验研究，分析了不同切角率与切角布置方式对风荷载特性的影响，指出角部处理在不同风向角下的影响是不同的，在实际设计中要注意这一现象.

由前可知，在建筑角部设置扰流板的气动措施一般能够减小建筑的横风向荷载和响应，但是由于设置扰流板增大了建筑顺风向的迎风面积，可能导致建筑物顺风向荷载增大，所以该类气动措施要谨慎使用.切角、凹角、圆角等角部修正措施能够有效地减小结构横风向风致效应，10%的角部修正率可能是较好的选择；5%的角部修正率能较有效地防止高层建筑的气动不稳定性.

1.3 建筑截面沿高度改变

由前可知，不同截面形状以及角部处理可以降低漩涡脱落强度，从而降低建筑物的横风向风振响应.类似地，改变建筑物沿高度方向的形状或者尺寸［26］（图3—4），可以改变漩涡脱落沿建筑物高度方向的分布，也可以达到同样的目的.实际建筑中可常见这一类建筑形式，例如韩国的Lotte Super Tower，中国的上海中心，美国的芝加哥螺旋之巅等［27］.

1.3.1 锥度化与阶梯缩进

Wang和Cheng等［14］对矩形截面高层建筑沿高度阶梯收缩进行了风洞试验研究，指出只有当阶梯收缩的总高度大于未收缩的高度时，阶梯收缩才能显著地减小结构的风荷载.Cooper等［28］对高度为500m 的超高层建筑进行了气弹模型试验，该建筑横截面经过切角处理，并采用了锥度化的气动措施.结果指出，带切角沿高度锥度化的气动措施能够减小建筑横风向气动力与气动阻尼.张建国［29］对分别采用单向阶梯缩进与双向阶梯缩进的典型方形截面高层建筑进行了测压试验研究，指出立面阶梯缩进的存在，使迎风面缩进层高度处的平均风压系数产生了突变，同时使旋涡脱落的形式发生改变，从而导致建筑侧面和背面风压特性发生变化.李波等［30］对不同锥度比的超高层建筑进行测压试验，结果表明：锥形化措施延长了来流在建筑物侧风面漩涡脱落的卓越频率，导致横风向力系数功率谱峰值小幅下降；随着建筑物锥度比的增加，横风向气动力谱峰值下降，功率谱带宽增大，力系数根方差减小.Kim等［31－35］的研究表明：锥度化与阶梯缩进能够显著地减小横风向的脉动基底弯矩，并且随着锥度比增大而增大，但是随着湍流度的增大而降低；锥度化与阶梯缩进使侧面的风压谱带变宽，峰值频率随着高度而变化，使风谱沿高度的相关性降低；但随着锥度比的增大，由于建筑顶部刚度逐渐变小，建筑顶部横风向的风振响应可能增大.

1.3.2 截面沿高度旋转

Bearman等［36］对横截面沿高度旋转的某一典型矩形截面高层建筑的风致阻力和旋涡脱落性能进行了测力天平试验研究，研究结果表明：横截面沿高度旋转能减小结构30%的阻力，能够降低横风向振动.Tamura等［37］对31 个高层建筑模型进行了测力与测压试验研究，研究角部修正、锥度化与阶梯缩进、截面沿高度旋转、开洞等气动措施对典型方形截面、矩形截面与椭圆形截面高层建筑气动力特性的影响，研究结果表明：阶梯缩进气动措施模型的风力系数减小，但放大了建筑顶部的加速度响应（由于建筑顶部刚度变小所致）；截面沿高度旋转气动措施使模型的旋涡脱落沿高度变得不规则，减小了结构的横风向响应，在所有模型中具有最好的气动特性，但这一气动措施使模型局部风压增大20%.Kumar等［38］对三角形截面沿高度扭转进行测压试验研究，试验模型包括沿高度旋转0°、60°、180°与360°四个模型，结果表明：横截面沿高度旋转能够显著地改善三角形截面高层建筑的平均、脉动及峰值风压系数以及三分力系数，其中横截面沿高度旋转360°模型效果最佳.Tanaka等［39］对标准方形截面、方形截面10%凹角修正、阶梯缩进、锥度化、截面沿高度90°旋转与180°旋转等6个试验模型进行了测力试验与测压试验，结果表明：对于顺风向最大平均基底弯矩系数，锥度化与阶梯缩进气动措施效果最佳；对于脉动基底弯矩系数，凹角处理、阶梯缩进、锥度化模型在顺风向与横风向都有较好的气动特性；截面沿高度旋转模型的横风向风力较小，特别是180°旋转模型的横风向脉动基底弯矩系数只有方形截面的三分之一.

锥度化与阶梯缩进气动措施能够有效地减小高层建筑的横风向荷载，但由于刚度缩减，有时可能会导致顶部的加速度响应不能满足舒适度的要求；截面沿高度旋转气动措施能够减小横风向的气动力，但可能增大建筑表面的局部风压.面对实际建筑设计时，应该关注这些问题.

1.4 建筑立面开洞

在建筑上适当位置处开洞，可以显著地减小建筑的压差阻力和横风向风力.矩形截面高层建筑常见的开洞形式如图5所示.Kwok 等［18］对立面开洞的CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）高层建筑标准模型进行了风洞试验研究，开洞位置分别在建筑一半高度与四分之三高度处，水平双向开洞，开洞率为6%.结果表明水平双向开洞能够显著减小建筑顺风向与横风向的风荷载与风致响应.Irwin［40］对采取立面开洞措施的某一超高层建筑进行了风洞试验研究，该建筑沿高层每隔十层设置一个洞口（原本用于火灾避难）.研究获得同样结果.Dutton等［41］对中上部不同位置开洞的高宽比为9∶1的方形超高层建筑模型进行了风洞试验，开洞方式分别为单向开洞与双向开洞，洞口高度为1.25D（D为方形截面宽度），宽度为D／6，间隔为0.25D.试验得到如下结论：开洞减小了顺风向与横风向的风荷载以及风致响应；开洞使方形截面的横风向基底弯矩谱由单峰变为双峰，斯托拉哈数由0.10变为0.09与0.18.Okada等［42］对不同开洞方式的建筑的气弹模型进行试验（该模型为方形截面，高宽比为8∶1，开洞位置在建筑80%高度处，开洞方式有迎风面单向开洞、侧面单向开洞以及四面双向开洞三种方式，开洞面积可以根据要求改变），结果表明：当建筑四面双向开洞，开洞率为1.5%时，能够减小横风向20%～25%的动态位移；与迎风面单向开洞以及侧面单向开洞相比，四面双向开洞是减小高层建筑动力响应的最优方式.

Hitomitsu等［43］对不同开洞位置对高层建筑横风向风致响应进行了风洞试验研究，结果表明：在建筑0.8～0.9高度处开洞，能够有效减小建筑横风向的风致响应；在建筑0.6高度及以下开洞时效果较不明显.王春刚等［44］对开洞高层建筑模型进行了测压试验研究，试验结果表明：当风向与开洞方向平行时，结构平均风荷载降低；将洞口开在建筑物上部对减小风荷载最为有利.谢壮宁等［45］对439m 高的深圳京基金融中心进行了风洞试验研究，考察了利用其顶部设备和避难层进行开敞形成不同的风走廊（气动措施）对结构风荷载和风致响应的影响.试验结果表明：在重现期100年风速作用下，漩涡脱落频率明显低于结构基阶固有频率；气动措施可显著抑制和削弱脱落漩涡的强度；不同气动措施可使100年重现期结构基底弯矩减少8.2%～21.2%，使10年重现期峰值加速度减少5.3%～16.0%.全涌等［46］对一栋立面上有多个开洞的矩形截面超高层建筑进行了测压试验，分析了矩形截面超高层建筑在长边立面上不同开洞工况下建筑各表面平均风压系数和最不利风压系数的变化规律.试验结果表明：当建筑长边迎风时，开洞使得背风面洞口附近的平均风压系数绝对值增大，但迎风面上的平均风压系数变化很小；当建筑短边迎风时，开洞对洞口附近的平均风压系数和最不利正风压系数均只有微弱影响，但对其最不利负风压系数却有很大影响，特别是中部开洞，将使其周围的最不利负风压系数增大一倍以上；开洞对短边立面上的最不利风压系数不产生明显的影响.

由上文可知，建筑立面开洞通过破坏旋涡脱落强度以及规律性，同时减小建筑迎风面面积，能够同时减小高层建筑横风向与顺风向的风荷载；开洞方式有迎风面单向开洞、侧风面单向开洞与四面双向开洞三种方式，其中四面双向开洞效果最优；在建筑上部开洞效果较好，而在建筑下部开洞效果较差；开洞处局部风压可能会增大，这在建筑设计时需要注意.

2 实际应用

上述的各类抗风气动措施在实践中也得到了广泛的应用.广州珠江城（71层，309m 高）利用避难层开洞进行风力发电，既减小了风荷载，又有效地利用了风能［4］.石油双塔与台北101大楼等采用角部处理和锥度化气动措施，上海环球金融中心在其顶部开洞，韩国的Lotte Super Tower、中国的上海中心与美国的芝加哥螺旋之巅等采用了截面沿高度旋转的气动措施，能够显著地减小了顺、横风向的风振响应［27，40］.日本NEC大厦（44层，196m 高）在距地80 m 高处开有一个约44.6m×12.6m 的洞口（占建筑迎风面积的4.5%），当风垂直作用于迎风面时，可较不开洞情况减少总风力25%［44］.现世界第一的828 m 高的Burj Khalifa Tower采用沿高度改变截面形状的气动措施，使截面形状沿高度螺旋上升，减小了结构的涡激振动，有很好的抗风效果［27，47］.

3 结论与展望

本文回顾了降低超高层建筑横风向荷载和响应气动措施研究和应用的主要进展.不同截面形状的高层建筑具有不同的横风向荷载及响应特性.方形截面高层建筑的横风向荷载及效应引起关注；角部处理、截面沿高度改变以及立面开洞这三类气动措施都能够很好的抑制方形截面高层建筑横风向响应.当然，这些有效的措施也可能带来其他一些负面效应，在建筑结构设计时需要谨慎对待.为适应我国超高层建筑建造的需要，还进一步需要以模型风洞试验为主，结合现场实测以及计算机数值模拟方法，开展高层建筑的多向耦合风荷载、气动阻尼、风致效应以及等效静力风荷载方法、围护结构设计风荷载计算方法等重要问题的研究，并建立相应的数据库系统.

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