高層建筑等效風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究

高層建筑等效風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究

任曉峰

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050)

摘要：分析了某高層建筑的多通道同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)。利用隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算了結(jié)構(gòu)等效靜力風(fēng)荷載，分析了風(fēng)荷載隨風(fēng)向的變化關(guān)系，計(jì)算了結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度響應(yīng)，對(duì)居住者舒適度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)致響應(yīng)；等效風(fēng)荷載

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.022

Abstract:This paper presented the analysis results of wind load acting on a tall building determined in the wind tunnel test by synchronous multi-pressure sensing system.The equivalent static wind load was calculated based on the random vibration theory.The variation of wind load with wind direction was analyzed.The peak acceleration response at the top of the structure was calculated.The comfort of occupant was evaluated.

收稿日期：2015-04-09.

作者簡(jiǎn)介：任曉峰(1964-)，高級(jí)工程師.E-mail:zhouqinghuajzfy@163.com

Wind Tunnel Test of Wind Load Acting on a Tall Building

RENXiao-feng

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology,Wuhan 430050,China)

Key words:tall building;wind tunnel tests;wind-induced responses;equivalent static wind load

1研究對(duì)象簡(jiǎn)介

某高層建筑主塔樓均為55層，高度175 m，建筑平面長(zhǎng)寬約為21.05 m×25.45 m。由于該建筑高寬比超限，需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)[1]，為抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供計(jì)算參數(shù)。該高層建筑處在臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，且周邊大多為大體量超高層建筑群，風(fēng)場(chǎng)環(huán)境較復(fù)雜，風(fēng)荷載成為設(shè)計(jì)控制荷載之一。本高層結(jié)構(gòu)自振頻率見表1，一階振型為Y向振動(dòng)，二階振型主要表現(xiàn)為X向振動(dòng)。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)采用50年及100年一遇基本風(fēng)壓[2]，分別為0.50 kN/m2與0.60 kN/m2，計(jì)算時(shí)建筑物結(jié)構(gòu)阻尼比分別取0.050與0.035。

表1　結(jié)構(gòu)前5階頻率分布

2計(jì)算方法

超高層建筑作為懸臂結(jié)構(gòu)，其風(fēng)致響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)微分方程可以寫為

3風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)介

風(fēng)壓試驗(yàn)所使用模型采用有機(jī)玻璃材料制作，在其表面開設(shè)一定數(shù)量的風(fēng)壓孔，保持氣密狀態(tài)，將模型內(nèi)部裝設(shè)風(fēng)壓管，模型安放在風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，風(fēng)壓管接至電子式壓力掃描閥，測(cè)量模型在風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)壓孔處表面風(fēng)壓[3]。

本高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞模型為3.0 m×3.0 m(寬×高)的矩形，試驗(yàn)風(fēng)速在1.0～40.0 m/s內(nèi)可調(diào)。試驗(yàn)以主建筑物為中心，模擬直徑500 m范圍內(nèi)的周邊主要建筑及大致地形地貌，模型置于風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。在主建筑模型表面設(shè)有300個(gè)風(fēng)壓孔，進(jìn)行18個(gè)風(fēng)向(0°～360°，間隔30°)的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的測(cè)量。

4等效靜力風(fēng)荷載與響應(yīng)分析

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)積分計(jì)算得到等效基底彎矩、各樓層的等效靜力風(fēng)荷載以及結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度[4,5]。分析時(shí)取地面粗糙度指數(shù)為0.23(C類地貌)，結(jié)構(gòu)等效風(fēng)荷載重現(xiàn)期分別為50年與100年。

50年重現(xiàn)期時(shí)建筑物(阻尼比0.050)基礎(chǔ)最大等效風(fēng)荷載及其等效基底彎矩

50年重現(xiàn)期時(shí)建筑物(阻尼比0.035)基礎(chǔ)最大等效風(fēng)荷載及其等效基底彎矩

100年重現(xiàn)期時(shí)建筑物(阻尼比0.050)基礎(chǔ)最大等效風(fēng)荷載及其等效基底彎矩

100年重現(xiàn)期時(shí)建筑物(阻尼比0.035)基礎(chǔ)最大等效風(fēng)荷載及其等效基底彎矩

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)中3.7.6 的規(guī)定，高度超過150 m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足舒適度要求，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009 規(guī)定的10 年一遇的風(fēng)荷載取值計(jì)算的順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度αlim不應(yīng)超過表2的限值，本高層建筑物基于10年一遇風(fēng)

表2　結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度限值 a lim

荷載取值和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)構(gòu)頂部(第55層)最大加速度X向?yàn)?.148 m/s2、Y向?yàn)?0.158 m/s2，最大合成加速度為0.216 m/s2，不滿足規(guī)范要求；根據(jù)建設(shè)方提供的氣候中心資料表明，建筑物所在地區(qū)所測(cè)到的10年重現(xiàn)期最大平均風(fēng)速為18.7 m/s(相當(dāng)于基本風(fēng)壓為0.214 kPa)，根據(jù)此氣象資料計(jì)算的結(jié)構(gòu)頂部加速X向?yàn)?.106 m/s2、Y向?yàn)?0.703 m/s2，最大合成加速度為0.711 m/s2，滿足規(guī)范要求。

5結(jié)語

本高層建筑高寬比超限，處在密集建筑群的城市市區(qū)，為了保證建筑物建成后使用階段的抗風(fēng)安全性，對(duì)其在強(qiáng)風(fēng)作用的風(fēng)壓分布和在設(shè)計(jì)風(fēng)速下風(fēng)荷載、位移、加速度響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究分析該樓的抗風(fēng)安全性以及在設(shè)計(jì)風(fēng)速下結(jié)構(gòu)風(fēng)振特性，供設(shè)計(jì)參考使用。

參考文獻(xiàn)

[1]JGJ 3—2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]GB 50009—2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[3]風(fēng)洞試驗(yàn)指南研究委員會(huì).建筑風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指南[M].孫瑛,等譯.北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

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[5]黃本才，汪叢軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2001.