Y形截面超高層建筑結構風致響應研究

洪海波，余先鋒

（1.中新廣州知識城投資開發有限公司，廣東 廣州 510555；2.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

隨著技術發展和現代城市土地資源的限制，超高層建筑已具有較大規模且仍在持續增加。新建的超高層建筑具有輕質、高柔和低阻尼等特點，風荷載往往成為此類結構的控制性荷載。

由于對建筑功能要求的提高，新建超高層建筑體形逐漸呈復雜化、異形化，且建筑周邊往往存在密集的群體建筑干擾，風洞試驗已成為獲取此類建筑風荷載與風致響應的有效手段。謝壯寧等[1-2]通過風洞試驗對比分析3棟具有不同外形特征超高層建筑的氣動荷載特性。李壽英等[3]以某超高層建筑為背景，進行剛性模型同步測壓試驗，得到建筑頂部位移和加速度響應，并進行結構舒適度評價。事實上，多年來風工程研究者基于風洞試驗對不同高寬比和外形的超高層建筑風荷載及風致響應進行持續研究[4-10]，但上述研究中的建筑截面外形均與本文的Y形截面有較大差異。

本文對Y形截面超高層建筑開展單體和有周邊建筑2種工況下的高頻天平測力風洞試驗，并通過隨機振動理論計算得到結構的風致響應，以期為類似超高層建筑的抗風設計提供參考。

1 風洞試驗

1.1 試驗概況

風洞試驗在華南理工大學大氣邊界層風洞實驗室中進行，試驗段長24.0m、寬5.4m、高3.0m。測力模型由剛性材料制成，幾何縮尺比1∶400，模型高度73cm。圖1分別給出單體和有周邊建筑2種工況下的風洞試驗模型，其中群體工況下的試驗模擬工程周邊800m半徑內的干擾建筑。

圖1 風洞試驗模型

圖2給出結構坐標系及風向角的定義。在單體和群體工況中，均以10°為間隔測得0°～350°范圍內共36個風向角下的結構基底氣動力時程，采樣頻率約為400Hz，采樣時間為102.4s，采樣數據長度為40 960個。

圖2 結構坐標系和風向

1.2 風場模擬

據地形分析結果，各氣象風向角下均為C類地貌，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》的要求模擬了C類地貌風場，該地貌下梯度風高度為450m，地面粗糙度系數琢＝0.22，風洞試驗模擬的平均風速和湍流度剖面如圖3所示。

圖3 風場參數

2 結果分析

2.1 風致響應計算方法

基底彎矩響應Mi（i=x，y）通過擴展荷載響應相關（ELRC）方法[11]計算得到，其主要計算過程如下。

1）首先采用完全二次型組合方法計算得到脈動風荷載作用下建筑結構的位移響應，其中廣義位移標準差y為：

2）基于ELRC原理計算各樓層等效靜風荷載FESWL，采用直接積分的方式計算模態響應矩陣，不做背景分量和共振分量分解的近似處理。

3）基于各樓層FESWL計算基底彎矩響應Mi。

文中風致響應計算所取的基本風壓為0.5kN/m2，用于計算等效靜風荷載的阻尼比取為5%。

2.2 基底彎矩

圖4分別給出單體與群體2種工況下建筑結構基底彎矩（Mx和My）的最大值、最小值和平均值隨風向的變化。從圖4可看出：①單體和群體工況下的基底彎矩（最大值、最小值和平均值）隨風向的變化規律基本一致；②y向基底彎矩My在風向50°～130°達到極大值，而x向基底彎矩Mx在風向170°～250°達到極大值；③無論是x向還是y向，群體工況下的基底彎矩極大值均小于單體工況下的結果；④群體工況下的y向極小負彎矩My，min與單體工況下的結果較為接近，但其x向最小負彎矩Mx，min的絕對值卻遠小于單體工況下的結果。

圖4 結構基底彎矩

2.3 等效靜風荷載

計算得到各樓層等效靜風荷載，并將計算結果與利用規范方法得到的等效靜風荷載進行對比，如圖5所示。由圖5可知：①單體工況與群體工況下的等效靜風荷載均隨高度的增大而增大且整體上較為接近，單體工況下的x和y向等效靜風荷載均略大于群體工況下的結果，相差范圍僅在5%以內，這說明周邊建筑對于該建筑等效靜風荷載的影響并不明顯；②除塔冠外，單體和群體2種試驗工況下x和y方向等效靜風荷載均明顯小于按規范方法計算得到的結果，其中單體和群體試驗工況下等效靜風荷載與規范計算結果的最大相差率（規范結果-試驗結果）/試驗結果）均超過了50%。

圖5 等效靜風荷載

2.4 樓層剪力

圖6給出單體和群體工況下x和y向樓層剪力的計算結果，并與規范計算結果進行對比。從圖6中可看出：①單體和群體工況下的樓層剪力均隨高度增加而減小，在建筑底部和中部范圍內單體工況下的樓層剪力明顯大于群體工況下的樓層剪力，隨著高度增加，單體與群體工況下的樓層剪力逐漸接近；②按規范計算的樓層剪力隨著高度增加迅速減小，在建筑底部到中部范圍內，按規范計算的樓層剪力明顯大于單體和群體的結果，但隨著高度增加，按規范計算的結果會小于單體和群體試驗的結果。進一步統計基底剪力發現，按規范計算得到的建筑x和y向基底剪力分別超過單體工況下的結果的41.03%和40.48%（（規范結果-單體試驗結果）/單體試驗結果）。

圖6 樓層剪力

2.5 等效體型系數

根據結構響應等效原則可得到各風向角下結構的等效體型系數，單體和群體工況下x和y向等效體型系數隨風向的變化如圖7所示。從圖7中可看出單體和群體工況下的體型系數隨風向變化的整體規律是一致的，在大部分風向角下單體工況下的體型系數（絕對值）大于群體工況下的結果。x方向體型系數（絕對值）在單體和群體工況下的最大值分別為1.13和1.02，y向體型系數（絕對值）在單體和群體工況下的最大值分別為1.17和1.01。

圖7 體型系數

3 結語

在單體和群體建筑工況下，對某Y形截面超高層建筑展開高頻天平測力風洞試驗，并進行風致響應研究，主要結論如下。

1）單體工況與群體工況下該建筑基底彎矩、等效靜風荷載、樓層剪力和等效體型系數的變化規律基本一致。

2）單體工況下該建筑x和y方向基底彎矩的極大值均大于單體工況下結果。

3）單體工況與群體工況下的等效靜風荷載整體上較為接近，相差在5%以內，且除塔冠外其余均明顯小于規范結果。

4）單體工況下結構各樓層剪力明顯大于群體工況下的結果。

5）在建筑底部到中部范圍內，按規范方法獲得的樓層剪力明顯大于試驗結果，但隨著高度的增加，規范結果會小于試驗結果。