基于风洞试验的超高层建筑风振响应分析

(华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室 广东 广州 510641)

引言

超高层建筑结构具有柔度大、质量轻、周期长和阻尼比小的特点，属于风敏感性结构，受风荷载的影响很大，风荷载是超高层建筑结构安全性和舒适性设计的控制荷载[1]。目前分析结构的响应主要有频域法和时域法，频域分析方法更加方便快捷但无法有效考虑作用于结构上的荷载的时间性影响，也无法有效考虑几何非线性和材料非线性的影响，不适用于结构高层建筑的舒适度分析。本文以珠海某超高层建筑为工程背景，通过ETABS有限元软件建立三维计算模型，基于风洞试验数据对结构进行时程分析[2]，并将时程分析与频域分析方法进行对比，为工程设计提供建议。

有限元建模及风荷载时程的获取

本工程为框架核心筒结构，建筑总高度236.1m，共51层，采用ETABS有限元软件建立模型，对楼板进行刚性隔板假定，有限元模型如图1所示。本文针对该工程行了风洞试验，使用实验室PWISR软件处理试验数据，得到了36个风向角的楼层风荷载时程数据。之后使用MATLAB软件读取该数据得到了作用在实际结构楼层处的X、Y轴向和扭转向的风荷载时程记录，其中作用在结构顶层X轴向风荷载时程如图2所示。

图1 有限元模型

图2 作用结构顶层X轴向风荷载时程记录

风振响应分析

使用ETABS有限元软件将风荷载时程加载到刚性隔板质心，采用时程分析方法分析结构的顶部顺风向和横风向加速度响应，0度风向角顺风向加速度时程和横风向加速度时程如图3、图4所示。

图3 顺风向加速度时程

图4 横风向加速度时程

对比采用实验室PWISR软件所用频域方法和时程分析方法计算得出的加速度响应，表1为0度风向角时域分析方法与频域分析方法结构顶部加速度响应计算结果的对比。

表1 风振加速度对比(cm/s2)

结论

结构顶层横风向的加速度响应明显大于顺风向加速度响应，根据规范要求住宅结构顶点最大加速度限值为15cm/s2，结构顶部横风向加速度响应已经超出限值，应对横风向响应进行风振控制。时程分析方法和频域分析方法的对比结果说明将风洞试验与结构的风振时程分析相结合用于研究结构的风振响应是可行的。