某超高层建筑风荷载分析

刘润富（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

某超高层建筑风荷载分析

刘润富（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

近年来，超高层建筑大量涌现。在结构设计中，风荷载往往成为这类结构的主要控制荷载。风洞试验是对建筑风致响应获取的最主要手段，本文基于风洞试验，对某超高层建筑的风荷载分布进行了系统研究，并采用有限元方法进行顶层位移响应分析计算，获取有意义的结论。

超高层建筑；风洞试验；计算流体力学；风荷载；有限元分析

1 工程概况

本项目位于华南地区，是一栋约200m高的住宅。总建筑面积约为10万m2，其中地下空间4万m2，塔楼约6万m2。由于本建筑位于强/台风地区，且周边区域建筑物较为密集，其风环境复杂。为了保证本超高层建筑结构在使用阶段的安全性，对本建筑在设计风速作用下结构的位移响应进行研究分析十分必要，同时建立有限元模型进行顶层位移响应分析计算，从中获取结果数据，为结构的设计提供有用的设计依据。

图1 超高层建筑效果图

2 试验内容

2.1 风洞试验设备

本试验所使用的风洞设备为闭口回流式矩形截面边界层风洞，分为大小两个试验段，小试验段截面尺寸为2.4m（宽）× 2.0m（高），风速范围为1.0～40.0m/s；大试验段截面尺寸为3.6m（宽）×3.0m（高），风速范围为0.5～22.0m/s。流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于1.5%、湍流度小于0.46%、平均气流偏角小于0.5°。

2.2 大气边界层

大气边界层为地表之上几十米到一千米的大气层，这个范围内的风特性对建筑物风效应有十分明显的影响，因而在风洞试验中需要对其主要特性进行模拟。大气边界层内空气流动的特性的影响因素很多，例如地表粗糙度、地形地物、温度分层情况、地球的自转等。其主要特性表现为平均风速和紊流度沿高度的分布。

《建筑结构荷载规范》中用指数a为区分地表类型的指标。针对建筑所处的位置，其大气边界层特性由来风的方向确定。当风向为海向陆地，应按A类，即按a=0.12进行模拟取值；当风向为陆地向海，应按B类，即a=0.16进行模拟取值；当建筑物周边为密集建筑群的城市市区时，应按C类，即按a=0.22进行模拟取值。基于本建筑所在地理位置及周边建筑分布情况，大气边界层特性可判定为C类地表进行模拟，即a=0.22。

大气边界层模拟装置可由挡板、尖塔、以及木质粗糙元组成，在风洞试验段内模拟产生与现场情况等效的大气边界层。而主体建筑物附近的风场变化则通过实际的地形和周边建筑物的影响来产生。

在风洞试验中，模拟平均风速剖面是首要任务，其次对风的紊流强度和积分尺度的模拟次之。在大气边界层内，平均风速剖面可由下列公式表示：

式中：VZ为目标高度Z处的风速；V10为10m高度处基本风速，Z为目标离地高度；Z10为参考高度10m；α代表风速剖面指数。紊流强度的含义为ν′/V，其中ν′为脉动风速均方根值；V为平均风速。当粗糙度增加时紊流强度也随着的增加，高度越高，紊流度越小，在近地面达到最大值。

对大气边界层模拟装置的局部进行试调，然后进行风场特性指标测量，保证模型制作比例与模拟风场的湍流尺度比例相一致。通过流场指标校测试验可知，大气边界层风速剖面指数α为0.22，与目标取值吻合度高。

2.3 参考风速及参考风压的选取

按风气候分析结果及我国建筑结构荷载规范［1］（GB50009 -2012），本项目所在地区50y重现期、10m高度处、10min平均的基本风压为w0=0.50kPa；100y重现期、10m高度处、10min平均的基本风压为w0=0.60kPa。则C类地貌、参考高度65.7cm（相对实际为197.1m）处的风压、风速取值：50y重现期风压值为1.143kPa，风速取值42.77m/s；100y重现期风速、风压取值分别为1.372kPa与46.86m/s。

3 试验设计

风洞试验以主建筑物为中心，放置于在高频动态天平上，模拟半径约为500m范围内主要的周边建筑以及地形，安装于风洞试验区段试验转盘上，进行24个风向角试验测量，从0～360°，以15°为一个风向测量角。合理采样时间为32s，采样频率取为1000Hz。试验风向按24个控制风向角设置，定义风向与中心线的夹角（风向角）β=0°，如图2，以顺时针转动，每间隔15°进行数据采集。风洞参考点高度为65.7cm（与实际模型197.1m高度相当），试验风速为10m/s。

图2 试验风向角

4 实验数据结果分析

对于X向等效基底剪力，数值最小时风向角为165°，当阻尼比取值0.05，0.04，0.35时，大小分别为6.61E+06、6.82E+ 06、6.97E+06，此时为顺风向荷载，这是由于建筑迎风方向受到其他较高的建筑屏挡影响，气流流动减缓，风致响应较小。由于本建筑结构高宽比较大且立面复杂，导致了横向等效静风荷载，风荷载作用方向不稳定。原因在此，导致横风向风振分析时具有一定的随机性，研究难度较高。当风向角为120°时，X方向等效底部剪力在上述阻尼比条件下最大值分别为-1.35E+07、-1.38E+07、-1.40E+07。而Y方向等效底部剪力，除去个别的风向角，其值较X方向的等效底部剪力大，最大值风向角为315°。通过对等效静风荷载转换成顺风向和横风向等效风载，可以容易发现，顺风向风荷载的总体影响比横风向风荷载总体影响大，这表明顺风向风荷载占主导控制地位，然而在少数的风向角中，横风向风荷载与顺风向风荷载影响相当，甚至超出顺风向风荷载的影响，这也验证了横风向风振作用对超高层建筑风振响应，影响很大，甚至起主导作用。

5 有限元模型建立

本文根据直接建立模型的方法建立有限元模型，进行等效静风荷载响应分析以及风荷载时程响应分析。主建筑物的等效静风荷载由三个部分组成：顺风向分量、横风向分量以及扭转风向分量，均可通过高频动态天平试验获取。风荷载时程数据通过刚性模型测压试验获得。由于实际建筑模型十分复杂，建立完整的有限元模型耗时巨大，且可行行底，本文进行模型简化处理，对原结构模型进行沿楼层高度自由度聚合，各楼层的质量集中在各个楼层面高度上，每一自然层简化为一个质点。各个楼层只考虑X和Y以及θ，三者分别代表顺、横风向平移和绕竖轴转动的自由度。为了简化，且较保守的对于非承重构件如填充墙等，对楼层侧移刚度及扭转刚度的定义时，进行了忽略处理，只对框架柱及剪力墙提供的刚度进行考虑。根据对比可知，这个简化处理，误差仍处于工程接受范围内。

图3 有限元计算模型图

6 计算结果

本文进行等效静风荷载响应计算中的等效静风荷载数据由高频动态天平试验数据经处理获取，试验工况为：从0～360°，每15°进行数据采集，分为24个风向角工况。因此在进行本次响应有限元计算中，也按照高频动态天平的同样工况进行计算。高频动态天平试验结果数据可直接获取基底等效风荷载作用力，然后通过刚度分配换算到各楼层等效静力风荷载，包括横风向水平分量Fx、顺风向水平分量Fy以及绕竖轴方向扭转分量Mz。建筑结构各楼层总的等效静力风荷载包括平均风荷载分量与脉动风荷载分量之和。在有限元计算分析中，把这组数据施加到有限元计算模型中，采用静力分析计算方法，即得到等效静风荷载作用下，结构的位移响应情况（见图4）。

对比计算结果可以看出，当风向角为120°时，建筑顶层的位移值达到最大，数值为77.4mm。由高频动态天平试验所得的等效风荷载结果我们可以知道，当处于120°风向角时，等效风荷载值也处于最大值，Fx=-1.13E+07N、Fy=1.56E+07N，数值计算所得的结果与试验结果基本吻合，由此可知，有限元模型能真实的反映实际建筑模型的特性，计算结果可靠。

图4 位移响应结果图

7 结论

高频动态天平试验和刚性模型测压试验所得数据经过刚度分配，计算得到各楼层等效静力风荷载和风荷载时程。建立有限元计算模型，施加上诉荷载，进行模拟计算。使用有限元模型进行模态分析，得出前5阶振型。然后依次对模型的建立、等效静力风荷载静力计算及数据处理、楼层风荷载时程的计算方法以及等效风荷载作用下的顶层位移响应时程计算进行了详细的介绍。然后综合以上两种计算方法取，采用结构第一阵型，计算位移响应，并与规范水平位移界限进行对比，得出了本楼层顶层风振位移响应满足规范要求的结论。另外，本文对风压时程换算为风荷载时程的方法能具有可接受范围精度要求。

［1］《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）.

［2］黄本才，汪从军.结构抗风分析原理及应用.上海：同济大学出版社，2001：1～422.

［3］张相庭.结构风压和风振计算.上海：同济大学出版社，1985：1～72.

［4］李冬霞，李晓宾.基于ANSYS计算高层建筑顺风向动力响应.山西建筑，2006.

TU973.213

A

2095-2066（2016）30-0149-02

2016-10-12

刘润富（1985-），男，工程师，硕士研究生，主要从事建筑结构设计及风工程研究工作。