超高層建筑受風(fēng)力作用的建筑外形影響

【摘要】本文探討了建筑外形對風(fēng)引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響，主要研究關(guān)于超高層建筑“渦旋脫落”的現(xiàn)象。 本文回顧了風(fēng)對超高層建筑的動(dòng)力影響理論并本文也提供了一些其他措施關(guān)于提出利用建筑外形來優(yōu)化結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)動(dòng)力作用，供結(jié)構(gòu)工程師們參考和進(jìn)一步研究。

【關(guān)鍵詞】外形影響；超高層建筑；抗風(fēng)性

1、引言

超高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)主要受到風(fēng)對其作用的影響，柔性的超高層建筑是風(fēng)作用的敏感建筑，為了克服風(fēng)荷載以及保持建筑上部居住者舒適的位移限值，傳統(tǒng)上來講，結(jié)構(gòu)工程師主要會(huì)選擇優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系或者增加模態(tài)質(zhì)量來減少風(fēng)振運(yùn)動(dòng)。從而獲得一個(gè)足夠穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而位移和荷載的增加將會(huì)導(dǎo)致建筑物的成本增加。超高層建筑的荷載和位移常常也會(huì)受到順風(fēng)和側(cè)風(fēng)方向的動(dòng)力作用放大的影響，這些影響主要的依賴于建筑的外形。本文主要介紹超高層建筑方案階段中如何考慮建筑外形對其所受到的風(fēng)的作用的影響，并結(jié)合迪拜塔外形對其抗風(fēng)設(shè)計(jì)影響的實(shí)例進(jìn)行說明，從而給設(shè)計(jì)師們提供一個(gè)新的角度來考慮抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

2、“渦旋脫落”現(xiàn)象與建筑物外形的關(guān)系：

對于超高層建筑，在設(shè)計(jì)的方案階段，我們都可以假定其為一個(gè)固定在地面的懸臂結(jié)構(gòu)，對于這樣一個(gè)柔性細(xì)長的結(jié)構(gòu)，自振周期通常為6s以上，那么其位于地震反應(yīng)譜中地震反應(yīng)的地震力較低的部分，即超高層建筑物的地震反應(yīng)較低，在滿足抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)要求的大前提下基本為風(fēng)控設(shè)計(jì)。然而風(fēng)對超高層建筑的一個(gè)關(guān)鍵影響是渦旋效應(yīng)，渦旋效應(yīng)可以產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的側(cè)風(fēng)向的流體力（圖1），這也是區(qū)分高層建筑和超高層建筑的主要表現(xiàn)。

流體在物體產(chǎn)生大范圍的，分離并形成寬闊的尾流，這樣的物體我們稱之為鈍體。對于細(xì)長的柔性建筑物，即柔性鈍體，漩渦脫落是在其兩側(cè)交替形成的（圖1），漩渦脫落是導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)橫風(fēng)向振動(dòng)的主要原因。鈍體的斯脫拉哈數(shù)是一個(gè)主要介于0.1～0.3的連續(xù)值。對于一個(gè)正方形截面，斯脫拉哈數(shù)為0.14左右，對于圓形為0.2。當(dāng)fv達(dá)到建筑的固有頻率fr時(shí)，則會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致橫向風(fēng)振影響成倍的被放大。[1] 如果建筑物的固有頻率增加，則會(huì)增加相應(yīng)“渦旋脫落”的風(fēng)速。當(dāng)建筑物的固有頻率增加，“渦旋脫落”的頂點(diǎn)也會(huì)向隨之增大。如果可以將圖2中“渦旋脫落”向右移動(dòng)到足夠遠(yuǎn)以至于發(fā)生“渦旋脫落”的風(fēng)速足夠大時(shí)，產(chǎn)生“渦旋脫落”影響會(huì)被相應(yīng)的風(fēng)速而控制。然而傳統(tǒng)的方法主要是通過增加結(jié)構(gòu)的剛度，來減小“渦旋脫落”的影響，但是該方法的會(huì)極大的增加建筑物的造價(jià)。特別是對于超高層建筑，如果要想使“渦旋脫落”的頂點(diǎn)向圖形的右邊移動(dòng)，需要很多的材料用量來增加結(jié)構(gòu)的剛度。如果考慮到圖2中“渦旋脫落”的頂點(diǎn)對建筑物的形狀很敏感，那么在優(yōu)化的“建筑物形狀的空氣動(dòng)力特性”下，“渦旋脫落”的影響可以實(shí)質(zhì)性的被降低甚至是被消除。

3、增加建筑物的空氣動(dòng)力特性措施

因此，利用上述特性，我們可以依靠控制建筑的外形來控制風(fēng)對建筑物的作用。我們可以采用以下方法通過優(yōu)化建筑物形狀來改善建筑物的氣體動(dòng)力特性。

使建筑的轉(zhuǎn)角圓滑：矩形和正方形是建筑物的普遍外形，然而它們也是抵抗風(fēng)的動(dòng)力作用時(shí)最不利的外形，因?yàn)槠鋾?huì)產(chǎn)生相對較強(qiáng)的“渦旋脫出力”，如果建筑物的轉(zhuǎn)角可以變的圓滑，那么將可以極大的改善其受風(fēng)時(shí)“渦旋脫出”的影響。臺(tái)北101大廈便采用了該方法，通過階梯式的切除10%建筑寬度的轉(zhuǎn)角來獲得減小側(cè)風(fēng)反應(yīng)和阻力，最后獲得了約25%底部彎矩的減小。

改變建筑截面形狀：漩渦脫落頻率主要依賴于斯脫拉哈數(shù)S和建筑物的寬度B，如果建筑寬度B可以隨著建筑高度的變化而改變，例如錐形化或者逐漸減少建筑物的寬度，那么風(fēng)對建筑產(chǎn)生的渦旋則會(huì)在不同的高度脫落成不同的頻率，那么這些漩渦則會(huì)逐漸的被“混亂”和變得不連續(xù)，這樣可以有效地減小相關(guān)的流體力。此外對于不同的高度采用不同的逐步減小截面，例如從正方形漸變成圓形或者其他形狀。由于斯脫拉哈數(shù)會(huì)隨著截面的改變而有所變化，會(huì)產(chǎn)生不同的“渦旋脫落”頻率，由于“渦旋頻率”隨著高度的變化而變化，仍然會(huì)產(chǎn)生同樣使風(fēng)“混亂”的效果。

設(shè)置“敞開層”：該方法也是通過允許空氣從建筑物的開孔來使一部分的流體自由流出，這樣吹過建筑物的渦旋則會(huì)被減弱或者打斷。

結(jié)語：

一個(gè)建筑物從方案到完成是建筑工程師和結(jié)構(gòu)工程師最大程度上妥協(xié)的結(jié)果，其不僅要給人帶來視覺上的美觀，同時(shí)在形狀上也應(yīng)該力求達(dá)到較優(yōu)的空氣動(dòng)力特性。本文的目的主要集中在討論形狀對建筑物受到風(fēng)力作用時(shí)的影響，然而更進(jìn)一步的研究應(yīng)該包括探索如何結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能（質(zhì)量， 剛度以及阻尼等）通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的形狀來提高其的抗風(fēng)性能。此外，一些特定的形狀，例如L形，T形以及Y形等，或者其他關(guān)于建筑物的外形因素，如圓角，長寬比等對建筑物動(dòng)力特性的影響結(jié)合也需要今后進(jìn)一步的研究，從而提高設(shè)計(jì)師們在概念設(shè)計(jì)時(shí)候的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]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，2008.

[2]Ryan Merrick and Girma Bitsuamlak. SHAPE EFFECTS ON THE WIND-INDUCED RESPONSE OF HIGH-RISE BUILDINGS[J]. Journal of Wind and Engineering， Vol. 6， No. 2， July 2009， pp. 1-18.