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摘要：廣州良業(yè)大廈項(xiàng)目，塔樓2、塔樓3高度約150m，結(jié)構(gòu)平面形狀原為矩形，后修改為切角三角形，項(xiàng)目前后進(jìn)行了兩次風(fēng)洞試驗(yàn)。對(duì)風(fēng)洞風(fēng)荷載、規(guī)范風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)比較研究，指出超高層建筑中橫風(fēng)向風(fēng)振和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)樓層位移角和構(gòu)件內(nèi)力的影響顯著。同時(shí)總結(jié)了應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和確定地面粗糙度類別的的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞試驗(yàn)；橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載；扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；地面粗糙度類別

1概況

某項(xiàng)目位于廣州市新滘東路以西琶洲B2區(qū)，由塔樓1、塔樓2、塔樓3等3個(gè)塔樓和底部連接塔樓1和塔樓2的裙樓組成，3個(gè)塔樓呈“<”狀排列，其中塔樓2屋面高度為148.10m、塔樓3屋面高度為149.65m。塔樓2、3相互間距較小，樓層質(zhì)量及剛度存在較大偏心［1］，結(jié)構(gòu)平面原為矩形（方案1），后調(diào)整為切角三角形（方案2），平面形狀變化較大，項(xiàng)目進(jìn)行了兩次建筑物不同平面形狀的風(fēng)洞試驗(yàn)研究和風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。項(xiàng)目效果圖、總平面圖和結(jié)構(gòu)主要特征見圖1、圖2和表1。

2風(fēng)洞風(fēng)荷載與規(guī)范風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)對(duì)比

風(fēng)洞風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析報(bào)告［2，3］提供了用于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載，每個(gè)塔樓包含6個(gè)不利風(fēng)向?qū)?yīng)的等效樓層風(fēng)荷載，每個(gè)風(fēng)向風(fēng)荷載包含順風(fēng)向、橫風(fēng)向以及扭轉(zhuǎn)等3個(gè)等效風(fēng)荷載分量及其組合系數(shù)，采用YJK計(jì)算程序驗(yàn)算風(fēng)洞風(fēng)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并和規(guī)范［4］風(fēng)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行比較。篇幅所限，以塔樓2方案1的對(duì)比研究成果為例。風(fēng)洞不利風(fēng)向和風(fēng)荷載組合系數(shù)如表2所示。塔樓2在風(fēng)洞風(fēng)和規(guī)范風(fēng)下的結(jié)構(gòu)樓層等效風(fēng)荷載包絡(luò)值對(duì)比和位移角對(duì)比如圖3、圖4所示。對(duì)比可知，塔樓2風(fēng)洞風(fēng)的樓層順風(fēng)向風(fēng)荷載明顯小于規(guī)范風(fēng)，但橫風(fēng)向風(fēng)力則大幅度大于規(guī)范風(fēng)，且扭轉(zhuǎn)等效風(fēng)荷載力矩較大，相當(dāng)于風(fēng)荷載平面偏心16%引起的扭矩大小。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)樓層位移角增大較多。為了解風(fēng)洞風(fēng)橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的影響［5］，選取核心筒一連梁的剪力作為比較對(duì)象，為便于比較不同風(fēng)荷載的對(duì)連梁剪力的影響，比較時(shí)僅考慮風(fēng)荷載工況下的連梁剪力標(biāo)準(zhǔn)值（見圖5）。選取3種風(fēng)荷載工況進(jìn)行比較：①按文獻(xiàn)［4］8.5.6條的組合系數(shù)進(jìn)行風(fēng)荷載組合的規(guī)范風(fēng)荷載工況；②按文獻(xiàn)［6］7.5.14條的組合系數(shù)進(jìn)行風(fēng)荷載組合的規(guī)范風(fēng)荷載工況；③風(fēng)洞風(fēng)荷載工況。文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［6］關(guān)于風(fēng)荷載分量的組合系數(shù)工況要求如表3所示，兩者的要求有較大區(qū)別，文獻(xiàn)［6］考慮風(fēng)荷載各荷載間的相關(guān)性，且組合系數(shù)比文獻(xiàn)［4］大。連梁剪力標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比如圖6所示，橫風(fēng)向風(fēng)振和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起的連梁剪力比例分別如圖7、圖8所示。對(duì)比可知，雖然風(fēng)洞順風(fēng)向風(fēng)荷載最大值僅為規(guī)范風(fēng)順風(fēng)向的68%，但橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載較大，風(fēng)洞風(fēng)作用下的連梁剪力較規(guī)范算法有較大增幅，剪力標(biāo)準(zhǔn)值最大值相對(duì)文獻(xiàn)［4］算法和文獻(xiàn)［6］算法分別增大40%和34%。在各不利風(fēng)向風(fēng)洞風(fēng)等效風(fēng)荷載作用下的連梁剪力，由橫風(fēng)向風(fēng)振等效荷載引起的剪力與連梁總剪力的比值為4%~125%，比值的大小與風(fēng)向和梁長(zhǎng)方向的夾角存在高度相關(guān)性，當(dāng)風(fēng)向與梁長(zhǎng)方向接近時(shí)比值小，當(dāng)風(fēng)向與梁長(zhǎng)方向接近垂直時(shí)比值大。扭轉(zhuǎn)風(fēng)振引起的剪力占連梁總剪力的比值為5%~75%，270°和30°風(fēng)向作用下扭轉(zhuǎn)風(fēng)引起的剪力占比小，該風(fēng)向?yàn)槠叫杏诮ㄖ镩L(zhǎng)邊的基底剪力分量主控，其它方向來風(fēng)扭轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)振引起的剪力占比較大，多數(shù)樓層大于32%。風(fēng)荷載作用下的高層建筑結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向風(fēng)振和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力較大，構(gòu)件承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

3不同體型的結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)對(duì)比

本項(xiàng)目進(jìn)行了總平面布置相同而塔樓平面形狀不同的兩次風(fēng)洞試驗(yàn)，本文對(duì)方案1、2對(duì)應(yīng)的風(fēng)洞風(fēng)引起的樓層剪力和位移角等風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以期得到不同平面形狀的建筑物的風(fēng)致響應(yīng)規(guī)律。⑴樓層剪力。塔樓2、3不同方案在順風(fēng)向基底剪力主控風(fēng)向下，順風(fēng)向風(fēng)荷載引起的單位寬度樓層剪力大小（樓層剪力除以順風(fēng)向受風(fēng)面寬度）對(duì)比如圖9所示，兩棟塔樓的方案2單位寬度風(fēng)荷載大小均比方案1的大，樓層總剪力亦是相同情況。⑵順風(fēng)向樓層位移角。圖10分別為塔樓2、3不同方案順風(fēng)向樓層位移角對(duì)比，樓層位移角的變化趨勢(shì)與樓層剪力的變化趨勢(shì)一致，方案1順風(fēng)向樓層位移角大于方案2。⑶橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振引起的位移角與總位移角的比值。圖11為塔樓2、3扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起的位移角大小與總位移角的比值，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振引起的位移角比值，方案1（矩形平面）小于方案2（三角形平面）。兩塔樓不同方案橫風(fēng)向風(fēng)振引起的順風(fēng)向位移角均較小，與總位移角的比值小于5%。⑷風(fēng)洞風(fēng)和規(guī)范風(fēng)順風(fēng)向樓層位移角的對(duì)比如圖12、圖13所示。不同方案的風(fēng)洞風(fēng)引起的位移角最大值均大于規(guī)范風(fēng)，結(jié)構(gòu)樓層位移角最大值均為風(fēng)洞風(fēng)控制。塔樓2、3的1、2方案結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)指標(biāo)對(duì)比匯總?cè)绫?所示。

4地面粗糙度類別的確定

項(xiàng)目場(chǎng)地位于廣州市琶洲地塊在建核心商務(wù)地段，場(chǎng)地南北側(cè)距珠江（或支流）較近，南側(cè)距珠江支流約400m，北側(cè)距珠江約800m，根據(jù)衛(wèi)星圖像資料，東南角4km范圍內(nèi)為田野和河流，未有高層建筑物。方案階段，采用文獻(xiàn)［4］8.2.1條條文解釋建議的以2km半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度方法近似確定，地面粗糙度為C類。筆者認(rèn)為該方法不能體現(xiàn)不同方向來風(fēng)建筑物密集程度的差別，且未能合理地消除圓形平面影響范圍內(nèi)個(gè)別較高建筑物的對(duì)平均高度計(jì)算的干擾。東南方向來風(fēng)田野和河流的地貌，與文獻(xiàn)［4］的B類粗糙度定義較為相符。場(chǎng)地地面粗糙度是統(tǒng)一按B類或者C類，或區(qū)分風(fēng)向確定，地面粗糙度的確定存在困難。風(fēng)荷載按文獻(xiàn)［4］計(jì)算，地面粗糙度由C類修改為B類時(shí)，樓層最大位移角由1/790增大到1/634，增幅達(dá)到25%，梁鋼筋用量增幅為6%，地面粗糙度的選取對(duì)結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響較大。［7，8］故本項(xiàng)目委托廣東建科院風(fēng)工程研究中心進(jìn)行專門研究。根據(jù)周邊地貌特點(diǎn)，將場(chǎng)地四周分為4個(gè)典型的扇形區(qū)域，采用英國(guó)工程技術(shù)數(shù)據(jù)ESDU01008（E0108）的數(shù)字風(fēng)力模型，按照Harris和Deaves研究的通用的大氣環(huán)境中邊界層計(jì)算方法分析,定量確定場(chǎng)地上空的風(fēng)特性。根據(jù)各典型扇區(qū)內(nèi)沿風(fēng)來流路徑上的地面粗糙度和路徑長(zhǎng)度，計(jì)算得到各扇區(qū)內(nèi)的風(fēng)速剖面，最不利的扇區(qū)風(fēng)速剖面與文獻(xiàn)［4］定義的A、B、C、D類粗糙度的相對(duì)關(guān)系如圖14所示，扇區(qū)風(fēng)速剖面圖與規(guī)范C類風(fēng)剖面比較接近，最終設(shè)計(jì)采用C類地面粗糙度。

5應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

在房屋高度較高、平面或立面形狀復(fù)雜、周圍地形和環(huán)境復(fù)雜時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)可作為判斷確定建筑物風(fēng)荷載的有效手段，其數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)事項(xiàng)：

5.1風(fēng)荷載與地震作用的組合

項(xiàng)目進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查時(shí)，審查專家提出地震作用與風(fēng)荷載組合時(shí)，兩者的方向角應(yīng)一致。風(fēng)洞試驗(yàn)提供的等效風(fēng)荷載最不利風(fēng)向角，是以風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)主軸的荷載分量極值大小為判斷標(biāo)準(zhǔn)的［9，10］，同一風(fēng)向角的等效風(fēng)荷載各荷載分量不一定同時(shí)達(dá)到最大峰值，最不利風(fēng)向角不等同于在該風(fēng)向角方向等效風(fēng)荷載數(shù)值最大，故最不利風(fēng)向風(fēng)荷載工況應(yīng)與結(jié)構(gòu)主軸方向的地震作用組合。5.2風(fēng)荷載力的作用點(diǎn)及方向的規(guī)定、風(fēng)荷載各分量的組合系數(shù)項(xiàng)目進(jìn)行第一次風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)單位提供的風(fēng)荷載是以結(jié)構(gòu)剛心為作用點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的，荷載扭矩方向?yàn)樽笫址▌t，而計(jì)算程序YJK和PKPM風(fēng)荷載作用點(diǎn)均為結(jié)構(gòu)形心，荷載扭矩方向?yàn)橛沂址▌t，風(fēng)洞風(fēng)荷載和計(jì)算程序?qū)τ陲L(fēng)荷載作用點(diǎn)和力的方向規(guī)定相差較大。另外計(jì)算程序?qū)τ谝?guī)范風(fēng)下的順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)等效風(fēng)荷載的組合系數(shù)，采用了文獻(xiàn)［4］的要求，與文獻(xiàn)［6］的要求有較大差別。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算程序計(jì)算風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)，應(yīng)對(duì)風(fēng)洞數(shù)據(jù)和計(jì)算程序的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行認(rèn)真檢查。

5.3結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度

按照文獻(xiàn)［11］3.7.6條的規(guī)定，高度不小于150m的高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足風(fēng)振舒適度要求，以在10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動(dòng)最大加速度為判斷標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和按文獻(xiàn)［4］附錄J計(jì)算結(jié)果如表5所示，兩者均滿足辦公建筑加速度0.25m/s2的限值要求，但風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果絕大多數(shù)大于計(jì)算結(jié)果，為計(jì)算結(jié)果的133%~186%，按文獻(xiàn)［4］附錄J計(jì)算的加速度大小接近限值時(shí)進(jìn)行專門研究判別。

5.4水平位移限值的判斷標(biāo)準(zhǔn)

［12］文獻(xiàn)［11］3.7.3條和4.2.6條規(guī)定，按彈性方法計(jì)算的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層最大位移角要滿足相應(yīng)限值要求，由于風(fēng)洞試驗(yàn)提供的樓層扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載較大，在順風(fēng)向風(fēng)荷載相同的情況下，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振加大了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，樓層最大位移角必然增大。具體項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，考慮扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的組合風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)樓層位移角限值，是否采用與僅考慮順風(fēng)向風(fēng)荷載時(shí)的相同限值標(biāo)準(zhǔn)，可與審查專家進(jìn)行溝通，確定合適的位移角限值標(biāo)準(zhǔn)。

6結(jié)語

⑴橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力有較大影響，扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)位移角和構(gòu)件內(nèi)力均有較大影響，應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載時(shí)，不能采取僅對(duì)比結(jié)構(gòu)基底力大小判斷風(fēng)荷載控制工況的方式，應(yīng)將風(fēng)洞風(fēng)荷載用于結(jié)構(gòu)性能分析和構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)。⑵扭轉(zhuǎn)風(fēng)振等效風(fēng)荷載引起樓層位移角較大增幅，本項(xiàng)目?jī)伤遣煌桨傅淖畲髽菍游灰平蔷鶠轱L(fēng)洞風(fēng)控制。⑶本項(xiàng)目建筑物平面為切角三角形時(shí)的樓層剪力和樓層位移角等指標(biāo)，優(yōu)于矩形平面。⑷地面粗糙度類別的選取對(duì)結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有較大影響，必要時(shí)采取專門研究確定。⑸應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)報(bào)告和計(jì)算程序?qū)αΦ淖饔命c(diǎn)和方向的規(guī)定進(jìn)行檢查確保計(jì)算和實(shí)際一致。

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作者：李偉鋒 陳澤鈿 單位：廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院