高层建筑在台风作用下的模拟研究进展

陈子杨，王 璐，刘绪娟，李仁余

(广东海洋大学寸金学院工程技术系，广东 湛江 524094)

0 前 言

随着时代的发展，人口增多，为了满足人们的生产生活需求，高层建筑结构高度也在不断提高。据收集数据统计，在目前我国己建成的高层建筑超过6 000栋，其中大部分的高层建筑分布在我国沿海地区。而沿海地区受到台风的影响也越来越明显，根据中国台风网显示，1949-2014年登陆我国的热带气旋约为632个，尤其在广东、海南、福建，浙江等沿海地区登岸数量繁多。例如2018年台风“山竹”在登陆后先后穿过了广东和广西，使得300万人受其影响，5人遇难、1人失踪，1 200多栋房屋倒塌或严重受损。

鉴于台风的巨大危害，高层建筑结构设计的关键是解决在高强度风荷载作用下的设计。在高层建筑设计中，对风荷载比较敏感的高层建筑(高度大于60 m)，基本风压的取值应当相应提高，并估算建筑总体风效应取值(整体风效应和局部风效应)，其中局部风效应是进行覆面设计的关键因素。一般而言，根据现有规范可对建筑物的总体和局部风效应对应的气动参数进行估算，但对规范规定的复杂建筑形式则难以由理论分析得出，必须进行风洞试验才能测得相应数据，其数值应符合相关结构设计规范的规定。

本文主要综述了国内外对高层建筑在台风条件下风致荷载的研究，总结了三种研究方法的主要方向，并给出未来高层建筑防台风设计的可能研究方向。

1 国内高层建筑抗风研究现状

国内对于高层建筑在台风条件下的研究比较晚，于20世纪80年代开始有学者对于高层建筑在风荷载条件下的风环境做出评价，但发表的研究成果很少。由于高层建筑的抗风现场实地测量是一个很大的系统工程，不仅需要人力、物力的大力支持，而且需要大量丰富的实地勘测经验与经费的支撑。故此后十年我国在此方面研究还几乎为空白，直到20世纪90年代后我国才陆续取得相关方面的研究。

李秋胜等[1]在台风“云娜”登入期间，于上海金茂大厦(高421 m, 88层)通过实地测量得到平均风速、风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、概率分布以及风速谱等风场特性等数据。进而对结构的自然频率和风致响应效应采用有限元软件模拟和高频动态天平测力试验进行了对比分析，并且分析了在台风期间城市中心的高空风场特性和结构的动力特性。除此之外，还通过风洞试验模拟研究了金茂大厦在强风条件下的周边风环境。与实测结论进行对比的结论表明：实测台风中金茂大厦周边风环境数据与台风中的预测值基本一致。

赵欣等[2]于2010年对上海中心大厦进行了风荷载试验研究，运用了风洞试验的方式。结果表明，维氏风场模型得到的梯度风速大于乔治奥模型得到的梯度风速；风荷载作用下的结构响应大于频繁地震作用下的结构响应，但小于基本地震强度作用下的结构响应，综合位移角满足1/500极限要求。

地王大厦(高324.8 m，69层)，此建筑位于台风高发区的深圳市，故一直以来都在承受强台风作用的影响，建成之初众多学者对其关于风场和风致响应的现场实测进行了研究。李正农等[3-7]先后对台风作用下的地王大厦进行了现场实测，实测的台风包括莎莉(1996)、约克(1991)、伊布都(2003)、杜鹃(2003)、圆规(2004)、百丽嘉(2005)等。风场实测获得了各项实测数据得到了结构的固有频率和模态阻尼比等动力特性，并对比了建筑在各台风中测得的风特性数据。此外，还对比了现场实测与风洞试验和三维有限元分析的结果。

2 国外高层建筑抗风研究现状

相比国内的高层建筑风环境研究，发达国家对其已有多达几十年的研究过程，并且已经拥有了相当多的成果。其通常对实测高层建筑结构在台风条件下所得到的风致响应数据与有限元分析法得到的结果进行对比分析，进而得出结论。

Kijewski-Correa等[8]通过现场实测法对芝加哥市的三栋高层建筑进行数据采集测量，对实测加速度进行模态识别分析，根据所获得的固有频率对所建立的有限元模型进行修改，进而与风洞试验所实测得的数据进行对比分析。

Isyumo等[9]介绍了在城市中心的Commerce Court plaza风压及风致加速度响应的实测结果，并建立缩尺模型进行风洞试验测量，与现场实测数据进行对比比较。结果表明现场实测和风洞试验结果很吻合。

Kanda等[10]回顾了日本近50年来关于高层建筑的现场实测情况，对16个高层建筑风场实测项目所得到的的研究成果进行了总结。虽然测量建筑的各项条件不尽相同，但都能得到现场实测得到高层建筑表面的风压特征。尽管得到了大量数据实测数据， 但是还未得到完善的分析结果，大部分的文献资料还需进一步的完善其实测研究内容。

Powell等[11]在1983年暴风Alicia进入休斯敦时，现场实测记录了市中心最高的建筑联合银行广场风场加速度，其持续时间约90 min，并根据风洞试验所预测的风速和风向，其对建筑所产生的加速度进行对比分析，为测量和预测加速度提供了有价值的研究案例。

Miyashita Koichi等[12]为了验证主动振动控制装置的振动控制效果，对日本滨松ACT大厦在强季节风和台风作用下的风振响应进行了观测，并对设备的风振控制效果进行了报道。

近20年来，在高层建筑风荷载研究中最常用的三种方法是现场实测、风洞试验和数值模拟等方法。其中数值模拟技术快速发展，如CFD模拟，尤其是LES大涡模拟技术的发展，使得计算结果也越来越准确，很大程度上弥补了风洞试验的不足之处。

Watakabe等[13]分别采用现场测量、风洞试验和CFD模拟方法对一塔状结构建筑的风压进行了对比研究，发现风洞试验得到的平均风压系数与现场实测结果很接近，运用CFD方法进行数值模拟其计算结果与风洞试验和现场实测结果均吻合。

Dalgliesh等[14]认为连接现实世界与边界层风洞试验、CFD模拟之间的纽带是现场实测，边界层风洞试验与现场实测是相辅相成，密不可分的关系，边界层风洞对边界风场和大气湍流的模拟以及其风洞试验的结果必须得到现场实测结果的验证才能得以继续发展。而正是基于边界层风洞试验和现场实测结果的数据支持，在一些风工程问题的研究中计算流体动力学被认为非常有用。

3 国内外研究现状总结

1)在研究方法方面，主要由现场实测、风洞模拟实验与数值模拟组成。由于现场试验所需要的时间点与风环境条件都较为特殊，故大多数实验使用软件数值的模拟和对比分析其影响。而风洞模拟实验需要建立其实验装置，由于其成本高昂并且程序复杂，所以随着科技技术的发展，数值模拟法已然成为高层建筑风环境最重要的研究方法之一。

2)研究内容方面，国内外学者对于高层建筑在强风条件下的不同因素有所研究，主要研究元素有建筑高度、建筑高宽比、建筑建造方式等。最终通过风洞试验与数值模拟法进行模拟实验并取得数据，得出结论。

3)高层建筑现场实测的不足在于：我国在关于高层建筑在台风作用条件下进行长期检测的文献很少。

4)在建筑群的多栋建筑物顶部进行多点的风场实测研究案例也较少。由于对高层建筑的风压现场实测有很大难度，为了防止对高层建筑外墙的损坏，则国内外各风压实测研究所设立的风压测点数量就较少，然而为了获得高层建筑表面各局部区域的风压特征，在建筑表面进行多点的风压实测很有必要。