基于復雜地形環境的超高層雙塔建筑風荷載特性研究

陳宏敏

（上海楊樹浦發電廠有限公司，上海 200090）

對于樓層較高的建筑物，高層達到了大氣邊界層，而此部分空間流體較為復雜，存在流動分離和旋渦情況，加大了建筑表面風荷載分析難度，不利于高層建筑工程質量控制[1]。雖然我國針對該問題已經提出了一些風荷載特性研究方法，但是隨著樓層的增加，旋渦復雜程度隨之增加，所以當前提出的特性分析方法不適合用于分析超高層建筑風荷載特性[2-3]。與高層建筑相比，超高層建筑地形環境更為復雜。該文嘗試以超高層雙塔建筑為例，通過構建建筑模型，對風荷載特性展開深入探究。

1 超高層雙塔建筑工程概況

某超高層雙塔建筑位于某城市中心商務區，占地面積較大，主要由2 個部分組成：（1）商業裙房；（2）辦公樓。其中，商業裙房共1 棟。辦公樓2 棟，即A 塔和B 塔，雙塔樓層數量為55 層，高度為250m。主塔樓采用鋼管混凝土框架-核心筒結構，裙房、地下室采用混凝土框架結構。由于樓層總高度達到了超高層建筑標準，地塊周邊高層超高層建筑林立，加大了施工難度，需要對工程所處地區環境進行分析。

2 超高層雙塔建筑風荷載特性試驗設計

為了探究工程的風荷載特性，該研究在風洞中組織風荷載特性試驗。該試驗場地具備優秀邊界層風洞標準，能夠有效模擬該環境下不同工況條件形成的風荷載特性[4]。為了得到較為精準的特性結論，該工程在此環境下構建了試驗空間。該空間高度3m，寬度4m，長度24m。

2.1 試驗模型

該試驗模型為了模擬湍流環境，在前方設置粗糙元和尖塔陣。經過模擬檢驗，該研究設計的模型能夠達到目標風場試驗標準。圖1 為主要建筑與地形模型設計。

圖1 主要建筑與地形模型設計

該模式設計方案，按照1︰300 幾何縮尺比設計，以500m 半徑內的建筑物作為模擬對象。為了保證數據可靠，該次研究根據荷載規范，取風速數值26.83m/s。該實驗中，對于風速數值的計算，是根據基本風速與頂部風速關系獲取風速數值，大小為40.15m/s。所以，該模型的時間縮尺比為1︰105，風速縮尺比為1︰2.86。模擬試驗期間，設置樣本采集數量為9000，對應的采集頻率為312.6Hz。根據這2 個參數之間的關系，經過計算求得采用所需時間，約為28.8s。該計算結果符合脈動分量統計、平均分量統計要求。

2.2 試驗工況

工況1：同時考慮工程所處地區周邊建筑、工程地形2項因素的影響。

工況2：忽略工程所處地區周邊建筑的影響，僅考慮工程地形的影響。

工況3：同時忽略工程所處地區周邊建筑、工程地形2項因素的影響。

2.3 試驗測點的布設

關于建筑面的布設，以建筑模型東面為A 面，以北面為B 面，以西面為C 面，以南面為D 面。以建筑中部高度風壓作為對照，要求距離地表面1/3 高度及以下區域的風壓大于對照風壓，同時建筑2/3 高度及以上區域的風壓同樣高于對照風壓[5]。為了順利測量各個點風壓數值，該試驗在風壓變化梯度較大區域，加密測點，即沿著垂直方向布設多個測點。考慮到裙樓削角造型較為特殊，測量時需要根據現場實際情況調節測點布設方案。該試驗布設測量數量共計495個。

3 超高層雙塔建筑風荷載特性試驗分析

3.1 局部體型系數分布

為了便于分析風荷載特性，該研究構建以下局部體型系數模型，如公式（1）所示。

公式（1）中，i代表測量位置；μsi代表編號為i測點的建筑局部體型系數；代表編號為i測點的建筑高度前方未遭受擾動情況下的風速均值；代表編號為i測點的風壓均值；ρ代表密度。

3.1.1 不同工況條件下周邊建筑的影響分析

按照如圖2 所示的目標風場布設方案，搭建體型系數受周邊建筑的干擾影響模擬場景。其中，z代表樓高。

圖2 雙塔干擾影響模擬場景

沿著雙塔側面模擬風場，以風場角度作為變量，從0o逐漸增加至360o，觀察風角變化過程中，局部體型系數受周邊建筑的影響變化情況。以下為干擾影響模擬結果。

測點A1：工況1 與工況2 體型系數變化特點基本相同。當風向角小于80o時，2 種工況下的體型系數均呈現下降變化趨勢，80o～240o，體型系數幾乎保持不變；240o～280o，體型系數出現小幅度的下降。當風向角大于280o時，體型系數變化較大，即出現大幅度增加。其中，工況1 較工況2上升數值更大，并且工況2 在風向角330o左右時，開始趨于穩定。

測點A2：工況1 與工況2 體型系數變化特點基本相同。0～180o，體型系數穩定在-1.5 左右，180o～300o，體型系數與風向角成幾乎成正比例關系，出現上升趨勢，最高點達到1.0 左右。300o～360o，體型系數隨著風向角的增加而減小。

測點A3：該測點2 種工況在風向角未達到180o之前，變化趨勢基本一致，穩定在-0.8 左右，而后呈現下降趨勢，最小體型系數約為-1.5。工況1 在風向角大于180o以后，體型系數開始增加，自風向角超過230o后開始出現下降趨勢。工況2 在風向角大于200o以后，體型系數先增加而減小變化趨勢。

測點A4：工況1 與工況2 體型系數變化特點基本相同。風向角0o～115o，體型系數穩定在-0.8 左右，而后隨著風向角的增加，先增加而后減小，峰值大約在180o處出現，大小約為0.8 左右。當風向角超過260o后，體型系數隨著風向角的增加，出現小幅度的增加。

測點B1：工況1 與工況2 體型系數變化存在較大不同之處。工況2 的體型系數隨著風向角的變化改變幅度不大，工況1 條件下的體型系數變化幅度較大，0o～60o，體型系數大幅度下降，60o～280o，體型系數趨于穩定，當風向角超過280o后，體型系數開始出現大幅度上升變化趨勢。

測點B2：2 種工況下的體型系數在風向角0o～120o，工況1 的體型系數更大一些，風向角超過120o后，工況2 的體型系數偏大，并且2 種工況生成的形體系數變化特點基本相反。

測點B3：2 種工況體型系數在風向角200o～360o的變化特點相反，工況1 體型系數先增加而后減小，工況2 體型系數先減小而后增加。

測點B4：2 種工況的體型系數在100o～250o差異較大，工況1 對應的體型系數偏大，并且在120o～130o時出現了快速上升情況。

綜上分析可知，與4 個A測點相比，測點B在不同工況下，體型系數隨風向角的增加呈現出的變化存在較大差異。所以，測點B處風場變化對建筑體型系數分布的影響較大。其中，測點B1 處受迎面風影響，對臨近的建筑群尾流渦旋及遮擋造成的影響較大。

3.1.2 不同工況條件下建筑表面局部體型系數變化

建筑表面局部體型系數的變化分析，通過對比工況2 和工況3 條件下雙塔表面體型系數，判斷復雜的地形環境是否會對建筑表面體型系數造成一定影響。

從模擬測試結果來看，雙塔建筑在2 種工況下的表面體型系數變化特點基本相同。所以，此處以A 塔為例，對建筑各個面的表面體型系數變化情況展開分析。

A面：工況1 與工況2 各個建筑表面體型系數變化趨勢基本一致，隨著樓層高度的增加，體型系數先上升，而后穩定在-0.7～-0.8 之前。相比之下，工況2 的體型系數數值更大一些。

B面：工況1 與工況2 各個建筑表面體型系數變化趨勢基本一致，隨著樓層高度的增加，兩種工況下的體型系數數值逐漸重合。

C面：工況1 與工況2 各個建筑表面體型系數變化趨勢基本一致，隨著樓層高度的增加，體型系數波動頻率較高，整體波動幅度不是很大。相比之下，樓層較高的位置，體型系數更小一些。其中，頂樓體型系數約為0.25。

D面：工況1 與工況2 各個建筑表面體型系數變化趨勢差異較小，工況1 對應的體型系數在0.2H～0.25H（H代表建筑總高度，單位m），而工況2 的體型系數隨著樓層高度的增加而持續增加，當樓層高度達到0.8H（H代表建筑總高度，單位m）時，2 種工況下的表面體型系數開始下降而后上升。

綜上分析可知，建筑表面體型系數容易受地形的影響，并且該系數沿著建筑高度增加的變化特點與無地形影響條件下的系數變化特點基本相同。根據該研究結論，在設計超高層建筑方案時，需要綜合考慮工程所處地區復雜地區環境因素，在方案投入實施之前，先利用模擬軟件模擬當前方案的建筑表面體型系數下的施工狀況，根據建筑各個面的體型系數變化情況，分析該方案是否符合超高層建筑施工安全及質量標準。該研究已經給出了一些復雜地形影響下的建筑表面體型影響結論，對于不同工況生成的結果存在一定差異。為了進一步提高超高層建筑設計方案可靠性，需要進行針對性分析，可以參考該文提出的分析模型和工具使用方法展開全面分析。

3.2 層風荷載特性

除了前文論述的局部體型系數分布，對高層建筑結構質量影響較大以外，層風荷載變化特點同樣具有較大的參考價值[6]。

3.2.1 三分力系數的構建

對于高層建筑來說，風荷載對實際工程設計和風致動力響應的影響較大，所以分析各個樓層的風荷載顯得尤為重要。一般情況下，采用三分力系數探究層風荷載變化特點。以下為系數模型。

式中：σCD（zi）代表層阻力系數均方根；σCL（zi）代表層升力系數均方根；σCT（zi）代表層扭矩系數均方根；σFD（zi）代表阻力均方根；σFL（zi）代表升力均方根；σFT（zi）代表扭矩均方根；A（zi）和B（zi）分別代表迎風面積、順風風向寬度；v（zi）代表流風速度。

3.2.2 層阻力功率譜特性與升力功率譜特性

以3 層、9 層、13 層為建筑測試點，分別模擬測試阻力功率和升力功率情況。模擬結果顯示，各個樓層阻力功率譜頻率差異較小，上限值為0.03，下限值為0.02，大部分阻力功率集中在該范圍內，并且出現了峰值。除此之外，低頻范圍內分布著少量峰值。從整體來看，各個樓層對應的阻力功率譜數值形成的曲線變化規律基本相同，變化較為緩慢，并且峰值差異性不是很大。高頻部分形成的功率譜變化特點與之不同，曲線變化速度很快，在短時間內大幅度下降。

沿著從低層到高層的順序，觀察層阻力功率譜特點，發現低頻部分逐漸減少，相反，高頻部分頻譜生成結果隨之增加。由此可以判斷，風荷載高頻能量主要聚集在樓層比較高的位置。升力功率譜變化特點與之相似。

不同工況下，各個樓層模擬結果中對應的阻力功率譜的變化特點，可以表明建筑底部阻力譜受建筑工程施工的影響大小，從流場干擾變化規律中提取重要信息總結要點。建筑第3 層該項參數數值較大，出現逐漸增加變化趨勢。與此同時，高頻與中頻數值也逐漸增加。由此可以判斷，當建筑高度增加時，阻力譜所受影響有所減弱。

而后該試驗又添加了工況變量，設置多個工況，經過模擬操作，獲取各個樓層阻力功率譜與升力功率譜變化情況。從各工況條件下的阻力功率譜和升功率譜變化特點可以看出，受復雜地形影響，順風建筑的風荷載中高頻部分的脈動成分有所提升，位于低頻處的脈動成分出現了下降變化趨勢。另外，3 種工況中，工況1 的功率譜峰值最小，并且中、高頻升力功率譜偏大。根據上述分析，升力高頻脈動情況下，可能導致地形及周邊建筑發生變化。

通過該試驗的探究，總結不同工況下各個樓層阻力功率譜與升力功率譜變化情況，根據變化特點，總結超高層結構設計中各個樓層脈動與周圍建筑變化的影響關系。方案決策中，建議根據建筑方案對周邊建筑的影響大小，適當調整工程方案。投入使用之前，對調整后的方案再次模擬分析，直到符合工程質量及安全要求。

4 結語

超高層雙塔建筑對建筑結構設計與施工技術水平要求較高，尤其是復雜地形環境，設計方案很有可能受地形影響，導致方案可行性較差。為了保證建筑工程得以順利實施，該文通過搭建模擬環境，在該環境下綜合考慮每項影響因素，以風荷載特性作為重點分析對象，從模擬試驗結果中總結一些復雜地形對建筑風荷載的影響，從而為工程方案優化提供更加全面的信息，為后續項目設計、施工落地奠定基礎。