某超限高层建筑风洞试验分析

2023-10-13长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010

安徽建筑 2023年10期

樊浩（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010）

1 工程概况

该项目位于汉阳大堤以南，项目主要用途为民用住宅和辅助用房，由多层配套用房和超高层住宅群组成。项目由3 栋50～57 层（01#楼、02#楼、03#楼）B级高度高层住宅、一栋幼儿园、门房等组成。其中住宅塔楼57 层，大屋面高度为168.9m，均采用剪力墙结构。根据住建部建质〔2015〕67 号文，属于高度超限的超高层建筑。该项目鸟瞰效果图如图1所示。

图1 鸟瞰效果图

2 主要技术条件

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[1]与《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）[2]，项目有关风荷载参数如表1所示。

表1 风荷载取值表

3 风洞试验

3.1 试验参数

本项目北临汉江，北侧场地较为空旷，周边风环境复杂，建筑群风力干扰形成的群体效应明显。鉴于我国当前实施的相关风荷载规范尚无法直接适用于该超高层建筑的抗风性能设计[3]，可采用风洞试验对该建筑和特定风环境进行模拟分析，从而为该建筑抗风设计提供参考依据[4]。

为模拟实际风荷载，建设方委托武汉大学结构风工程研究所开展了风洞试验分析。为精确模拟该项目所处的风环境，本试验充分考虑了周边建筑物的干扰影响效应，采用1:250 比例的等效模型，真实还原了以塔楼为中心的300m半径范围内的主要建（构）筑物，其材质主要为PVC 板，如图2 所示。此外，为模拟大气边界层风场，在试验场内放置了档板、尖塔和粗糙元等试验装置。

图2 风洞试验装置及周边建筑

本项目采用规范《ESDU82026》与《ESDU825020》的风环境模型进行地块周边地貌的计算[5]，在确定风剖面、风速、风剖面指数、湍流图、湍流积分尺度后，得到各风向角对应的地貌。由地貌计算结果可知，0°～60°、315°～345°为B类地貌，75°、285°～300°为C 类地貌，其余风向角为C、D 类之间的过渡地貌。考虑到设计安全性，采用C 类地貌进行试验，地貌结果综合简化如图3所示。

图3 本地块项目地貌分布

为实时测得风洞试验参考高度处的风速，在模型左前方处放置了眼镜蛇三维脉动风速探头，与模型测压同步测量此处的风速，其放置高度为1m。共使用6 台扫描阀对模型的表面风压进行同步检测，依次对所有测压点的压力信号进行扫描。风洞试验考虑了24 个风向角，角度间隔15°，模拟0°～360°风向角的情况。风洞试验提供的X、Y 最不利风向角分别为135°、0°，风洞试验风向角布置如图4所示。

图4 风洞试验风向角图

试验时逐行扫描，得到在各来流风向角下，所有测点的风压时程单位为Pa，并采用风速仪同步得到各风向角在参考点处的风速时程，单位m/s。

3.2 试验设备

该试验在武汉大学WD-1 风洞试验室中完成。该风洞试验段长×宽×高=16.0m×3.2m×2.1m，该设备设计最大风力速度为30m/s，试验风力速度可调节范围为1～30m/s。通过放置在风洞试验段上游的尖劈、粗糙元组合，可以更加精确地模拟不同缩尺比的大气边界层风场特性。工作转盘直径为2.5m，可在0°～360°通过自动控制来模拟任何风向角的模型试验风场。经检测，该风洞的各流场品质参数均满足设计要求，风洞试验采用设备如图5所示。

图5 风洞试验设备图

3.3 风致响应

将试验中所测得风压时程进行面积加权处理后再进行迭加计算，即可得模型各层X、Y 轴向的风荷载时程。将试验中所测得风压时程进行面积加权处理后再乘以该点至各层中心点力臂并进行迭加计算，即可得出各层的扭转向风荷载时程[6]。

本地块塔楼所在地的实际风环境对应不同的风向角地貌，分别采用B 类地貌（地面粗糙度系数为0.15）、C 类地貌（地面粗糙度系数为0.22）进行计算，结构动态响应计算峰因子一律取2.5。本项目计算得到的结构响应为风荷载引起的结构响应，不包括结构自重和其它荷载引起的结构响应。通过有限元软件得到本项目塔楼前3 阶固有频率如图6 所示。在由有限元模型得到结构的各阶振型的基础上，建立结构的分层多自由度模型，将各层各节点X 轴向、Y 轴向和扭转向各振型值取平均值即得到多自由度模型的X 轴向、Y 轴向和扭转向各阶振型，本次计算取各轴向前两阶振型为主振型来计算结构的风振响应。

图6 结构前3阶振型频率

图7 规范算法与风洞试验结果对比

根据该项目周边环境，在10 年、50年和100 年重现期极值风速作用下，结构最大加速度响应如表2所示。

表2 结构顶层加速度表（单位：m/s2）

根据该项目周边环境情况，在10 年重现期极值风速作用下，该建筑群中最高居住层的各风向角最大加速度为7.7cm/s2；在50 年重现期极值风速作用下，本项目1 号楼一单元顶层各风向角最大加速度达到11.9cm/s2；而在100 年重现期极值风速作用下，本项目1 号楼一单元顶层各风向角最大加速度达到14.5cm/s2。

根据目前在风工程性能设计中所普遍采用的标准，可使居住者感受到紧张的加速度阈值为15cm/s2，可使居住者感受到十分不适的加速度阈值为50cm/s2。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）规定，对高层混凝土住宅结构，其在10 年重现期风速作用下，顶层最大加速度应小于15cm/s2。

塔楼顶部主轴向最大位移均发生Y轴向，是平均位移与最大动态位移之和。

试验结果表明，在10 年重现期极值风速的作用下，风向角为0°时塔楼顶部Y 轴向出现最大位移，达到11.75cm；在50 年重现期极值风速作用下，风向角为0°时塔楼顶部Y 轴向出现最大位移，达到15.72cm；在100 年重现期极值风速作用下，风向角为0°时塔楼顶部Y 轴向出现最大位移，达到18.03cm。在10 年重现期极值风速作用下，风向角为0°时塔楼顶部中心点出现最大合位移，达到11.89cm，塔楼顶部的侧移与建筑高度的比值为1/1562；在50年重现期极值风速作用下，顶部中心点最大合位移发生在0°风向角，达到16.05cm，顶部的侧移与其高度的比值为1/1157；在100 年重现期极值风速作用下，风向角为0°时塔楼顶部中心点出现最大合位移，达到18.45cm，塔楼顶部的侧移与建筑高度的比值为1/1006。由此可知，0°风向角对该建筑顶部位移影响较大。

塔楼各轴向的等效风荷载由平均风荷载和动力风荷载两部分组成，平均风荷载直接由平均风压计算得到，而动力风荷载分为背景分量等效风荷载和惯性力分量等效风荷载，采用基于内力等效的振型加速度法计算得到。通过比较各风向角各轴向等效风荷载，得到等效风荷载有如下特点。

①结构X 轴向、Y 轴向、扭转向的风荷载都应考虑。

②当风沿着结构主轴作用时，结构横风向等效风荷载和顺风向等效风荷载在同一数量级。

③风振系数是进行高层建筑抗风设计的重要系数，是判断结构顺风向等效风荷载大小的依据。当风沿着结构主轴作用时，结构顺风向荷载风振系数一般随高度的增加而增大。当风沿主轴作用时，在结构顶部风振系数大致在2.0 附近，在结构底部其风振系数大致在1.1～2.0 之间。由于周边建筑对该楼有很强的干扰效应，使得结构相当多的区域出现平均风压很小的情况，这样会在某些特定风向角情况下，结构特定高度处的风振系数偏大。特别是在顶点，由于其界面收缩十分明显，因此，其风振系数出现特别离散的情况，但是其整体风荷载却不大。

3.4 风洞计算

从上述分析可以看出，在10 年重现期风荷载作用下，该项目塔楼最高层最大加速度响应均小于我国高层建筑混凝土结构技术规程中规定的加速度界限值。

图7 为塔楼采用风洞试验风荷载与《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）按场地类别C 类风荷载计算结果的对比，风洞试验采用135°和0°风向角对应的等效静力风荷载作为X向、Y向风荷载输入。

需要说明的是，上述对比数据中风洞数据是按50 年重现期的基本风压进行的风洞试验结果。规范算法按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）计算，场地类别取C，体型系数取1.4，并考虑1.1的干扰系数进行计算。

计算结果对比可见，X 向风荷载，由于实际楼栋双拼，X 向只承受单面风荷载，风洞试验数据、楼层剪力及位移角均小于相应“规范C场0.35”的计算结果；Y向风荷载，风洞试验数据，楼层剪力在上部20 层以上小于按“规范-C 场0.35 风压(x1.1 干扰系数) ”的计算结果，在20层楼层以下要大于按“规范-C 场0.35风压(x1.1 干扰系数) ”的计算结果，相应位移角小于按“规范-C 场0.35 风压(x1.1干扰系数)”计算结果。