论高层建筑风洞试验的必要性

尚永乐

摘要：本文主要列举某圆形高层结构，通过计算后对比YJK和SAP2000两个模型结果文件，在周期及质量相对误差在5%以内后，对比规范风荷载以和风洞试验作用下风对高层建筑位移角、位移比、风荷载舒适度、墙体受拉分析等结果。

关键词：风洞试验;位移角;风荷载舒适度;墙底拉应力

引言

随着高层建筑普及度逐日提高，风荷载在总荷载中占有相当大的比重，甚至起着决定性的作用，尤其一些高层建筑较为密集的城市地区，由于群风效应的影响，仅凭相关规范已经无法准确的确定风荷载的数值，如果选规范风荷载小于真实风荷载将对结构产生不利影响。且荷载规范中关于横风向风阵加速度的计算也只有关于矩形截面的，缺少圆形、不规则形状的横风向风阵加速度计算。所以此时需要风洞试验来准确的记录风荷载数值，以保证在风荷载工况下结构的位移角、位移比、风荷载舒适度、墙体受拉分析满足相关规范要求。

1项目概况

某通风塔。地上工程主屋面高度约180.00米。本项目虽然结构体系比较简单，但是其高度比较高且使用功能较为复杂，一些控制参数在国内相关规范中的规定不明确，比如位移控制值、风振位移加速度等方面。合理选取这些控制參数，将保证结构正常工作;非结构构件和各种设施的完好;防止风荷载较大时对使用者产生不舒适的感觉等。本文包含了计算依据、主要假定、设计方法及部分结果。

结构超限类别及程度根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称高规）及《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称抗规），按剪力墙体系，本工程的超限情况判断：高度：180m/超B级。高宽比：X向11.5，Y向8.7超限。平面规则性：核心筒内楼板很少，楼板集中于筒外悬挑板，无法形成刚性隔板约束。属于楼板不连续。

2结构设计依据

根据抗规相关的条文要求及相关工程可行性研究调整报告，对于结构分析和设计采用的建筑物分类参数如下：结构设计基准期：50年，结构设计使用年限：100年，结构设计耐久性：100年，建筑结构安全等级：二级，建筑抗震设防分类：乙类，特征周期Tg：0.90s，弹性分析，阻尼比：0.05，周期折减系数：0.9。

3荷载

楼面荷载：钢筋混凝土重度按26KN每平方米考虑，钢材重度按78kN每平方米考虑。恒载：楼板、梁、柱和剪力墙等结构构件的自重在计算中由计算程序根据构件截面和材料直接计算。活载：按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）（以下简称荷规）取值。

（1）风荷载：规范风荷载。按照规定，本工程按100年一遇基本风压 0.55kN/m2，进行正常使用极限状态设计，按1.1倍的100年一遇的基本风压进行承载能力极限状态设计;地面粗糙度按A类考虑;风荷载体型系数取0.8。（2）风洞实验。由于本项目高度较高，周边还有高层建筑，风荷载存在一定不确定性，某防灾国家重点实验室对本项目进行了风洞实验。

4结构体系

本项目结构体系具有一定特殊性。首先作为构筑物，其结构形式类似一般电视塔或大型烟囱，体系比较简单;其次具有一定的使用功能，特别是顶部区域，功能相对复杂。所以无论按照一般构筑物或是一般民用建筑进行体系划分都存在不合适之处，需要综合考虑二者特点进行设计。（1）主体结构：从风塔主体结构本身的特点出发，将其定义为：钢筋混凝土剪力墙筒体+悬挑桁架（梁）结构。（2）剪力墙。采用钢筋混凝土剪力墙。底部剪力墙部分墙肢内埋型钢，目的是保证风荷载作用下墙肢拉应力不超过1ftk，中上部区域部分墙肢内埋型钢，主要作用是方便与型钢悬挑桁架连接，保障传力途径的可靠性。不同高度处内墙（外墙）墙厚如下。0-60m：300（500），60m-156m：250/300（400），156m-180m：250（350）。

5结构性能化目标及设计要求

风塔不是典型的民用高层建筑，考虑其超高且具有较为复杂的临时使用功能等特点，在选取各项控制参数时主要参照《高规》，个别参数进行酌情调整，保证结构的安全性、正常工作状态、人员的舒适性等。（1）结构水平变形限值：由于风塔的特殊性，其层间位移角限值在不同规范中有不同的要求，如下表所示。根据本项目的结构形式及结合使用功能要求，将层间位移角限值参照《高混规》及《上海市抗规》要求定为1/735。

（2）结构参数：

（3）结构舒适度控制：按照《高规》第3.7.6条要求，对办公用途房屋，10年一遇的风荷载顺风及横风最大加速度不应超过0.25m/s2。按照《高钢规》3.3.5要求，对办公用途房屋，10年一遇的风荷载顺风及横风最大加速度不应超过0.28m/s2。故取0.28m/s2作为控制标准。计算时结构阻尼比一取0.02。

6模型中楼层的假定

风塔的侧向刚度比较均匀，但质量在竖向上分布并不均匀，质量主要集中于有使用功能的几层，上下层之间在中部和下部高差甚至达到40米。在模型分析中将全部质量集中与楼板标高显然不合实际。考虑到所有层高均为4m或4m的模数，模型中人为将风塔分为每4m高度一层，用于凝聚质量和统计各项参数。采用YJK进行弹性分析和计算，另外对该工程采用了SAP2000软件进行对比分析和计算，校核计算结果。YJK模型中，为使模型质量分布更接近真实，并方便参数统计，人为将风塔中间挑空部分划分为每4米一层。

7风荷载计算结果分析

模型主要参数：结构总层数/地下室层数：47/3。

风荷载计算信息：根据风洞报告结果/根据规范风。1.3结构类型：剪力墙结构。结构总信息通过对比YJK和SAP2000计算数据，两款软件中周期及质量相对误差较小，此计算数据可以作为设计依据。风塔计算的前三个振型为X、Y向平动，绕Z向扭转。结构第一扭转周期比第一平动周期为0.23，结构扭转效应较小，满足《高规》JGJ3-2010第3.4.5条周期比小于0.85的要求。

风荷载作用下结构位移：YJK计算得出的楼层位移曲线如下图所示。

风剪力及弯矩分析，YJK计算得出的楼层剪力如下图所示。

风荷载舒适度：由于规范中关于横风向风阵加速度的计算缺少圆形、不规则形状的横风向风阵加速度计算，根据风洞实验结果，风塔顶部X向加速最大值为0.249m/s2，Y向加速度最大值为0.286m/s2，基本满足0.28m/ s2作为控制标准的要求。风荷载作用下墙体受拉分析：参考抗震审查技术要点，结构在风荷载或小震作用下墙肢名义拉应力也不应大于1.0ftk，根据结果，在风洞数据下，底部墙肢出现较大拉应力，局部墙肢的最大拉应力达到约4Mpa，大于1ftk=2.85Mpa，故需要在底部设置少量型钢才能满足相关要求。

结语：此高层建筑受附近建筑影响会产生群风效应，规范风荷载不能完全准确的记录风荷载对建筑的影响，通过对比此工程规范风和风洞试验发现，在风洞试验的荷载作用下，楼层的最大位移、层间位移角、基底剪

力、抗倾覆弯矩以及墙底拉应力均处于不利的情况。

参考文献：

[1]建筑结构可靠性设计统一标准GB50068-2018

[2]建筑工程抗震设防分类标准GB50223-2008

[3]建筑结构荷载规范GB50009-2012

[4]建筑抗震设计规范（2016年版）GB50011-2010

[5]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010

[6]高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-2015

[7]混凝土结构设计规范（2015年版）GB50010-2010