某超限高層建筑風洞試驗分析

樊 浩 （長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

該項目位于漢陽大堤以南，項目主要用途為民用住宅和輔助用房，由多層配套用房和超高層住宅群組成。項目由3 棟50～57 層（01#樓、02#樓、03#樓）B級高度高層住宅、一棟幼兒園、門房等組成。其中住宅塔樓57 層，大屋面高度為168.9m，均采用剪力墻結構。根據住建部建質〔2015〕67 號文，屬于高度超限的超高層建筑。該項目鳥瞰效果圖如圖1所示。

圖1 鳥瞰效果圖

2 主要技術條件

根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）[1]與《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）[2]，項目有關風荷載參數如表1所示。

表1 風荷載取值表

3 風洞試驗

3.1 試驗參數

本項目北臨漢江，北側場地較為空曠，周邊風環境復雜，建筑群風力干擾形成的群體效應明顯。鑒于我國當前實施的相關風荷載規范尚無法直接適用于該超高層建筑的抗風性能設計[3]，可采用風洞試驗對該建筑和特定風環境進行模擬分析，從而為該建筑抗風設計提供參考依據[4]。

為模擬實際風荷載，建設方委托武漢大學結構風工程研究所開展了風洞試驗分析。為精確模擬該項目所處的風環境，本試驗充分考慮了周邊建筑物的干擾影響效應，采用1:250 比例的等效模型，真實還原了以塔樓為中心的300m半徑范圍內的主要建（構）筑物，其材質主要為PVC 板，如圖2 所示。此外，為模擬大氣邊界層風場，在試驗場內放置了檔板、尖塔和粗糙元等試驗裝置。

圖2 風洞試驗裝置及周邊建筑

本項目采用規范《ESDU82026》與《ESDU825020》的風環境模型進行地塊周邊地貌的計算[5]，在確定風剖面、風速、風剖面指數、湍流圖、湍流積分尺度后，得到各風向角對應的地貌。由地貌計算結果可知，0°～60°、315°～345°為B類地貌，75°、285°～300°為C 類地貌，其余風向角為C、D 類之間的過渡地貌?？紤]到設計安全性，采用C 類地貌進行試驗，地貌結果綜合簡化如圖3所示。

圖3 本地塊項目地貌分布

為實時測得風洞試驗參考高度處的風速，在模型左前方處放置了眼鏡蛇三維脈動風速探頭，與模型測壓同步測量此處的風速，其放置高度為1m。共使用6 臺掃描閥對模型的表面風壓進行同步檢測，依次對所有測壓點的壓力信號進行掃描。風洞試驗考慮了24 個風向角，角度間隔15°，模擬0°～360°風向角的情況。風洞試驗提供的X、Y 最不利風向角分別為135°、0°，風洞試驗風向角布置如圖4所示。

圖4 風洞試驗風向角圖

試驗時逐行掃描，得到在各來流風向角下，所有測點的風壓時程單位為Pa，并采用風速儀同步得到各風向角在參考點處的風速時程，單位m/s。

3.2 試驗設備

該試驗在武漢大學WD-1 風洞試驗室中完成。該風洞試驗段長×寬×高=16.0m×3.2m×2.1m，該設備設計最大風力速度為30m/s，試驗風力速度可調節范圍為1～30m/s。通過放置在風洞試驗段上游的尖劈、粗糙元組合，可以更加精確地模擬不同縮尺比的大氣邊界層風場特性。工作轉盤直徑為2.5m，可在0°～360°通過自動控制來模擬任何風向角的模型試驗風場。經檢測，該風洞的各流場品質參數均滿足設計要求，風洞試驗采用設備如圖5所示。

圖5 風洞試驗設備圖

3.3 風致響應

將試驗中所測得風壓時程進行面積加權處理后再進行迭加計算，即可得模型各層X、Y 軸向的風荷載時程。將試驗中所測得風壓時程進行面積加權處理后再乘以該點至各層中心點力臂并進行迭加計算，即可得出各層的扭轉向風荷載時程[6]。

本地塊塔樓所在地的實際風環境對應不同的風向角地貌，分別采用B 類地貌（地面粗糙度系數為0.15）、C 類地貌（地面粗糙度系數為0.22）進行計算，結構動態響應計算峰因子一律取2.5。本項目計算得到的結構響應為風荷載引起的結構響應，不包括結構自重和其它荷載引起的結構響應。通過有限元軟件得到本項目塔樓前3 階固有頻率如圖6 所示。在由有限元模型得到結構的各階振型的基礎上，建立結構的分層多自由度模型，將各層各節點X 軸向、Y 軸向和扭轉向各振型值取平均值即得到多自由度模型的X 軸向、Y 軸向和扭轉向各階振型，本次計算取各軸向前兩階振型為主振型來計算結構的風振響應。

圖6 結構前3階振型頻率

圖7 規范算法與風洞試驗結果對比

根據該項目周邊環境，在10 年、50年和100 年重現期極值風速作用下，結構最大加速度響應如表2所示。

表2 結構頂層加速度表（單位：m/s2）

根據該項目周邊環境情況，在10 年重現期極值風速作用下，該建筑群中最高居住層的各風向角最大加速度為7.7cm/s2；在50 年重現期極值風速作用下，本項目1 號樓一單元頂層各風向角最大加速度達到11.9cm/s2；而在100 年重現期極值風速作用下，本項目1 號樓一單元頂層各風向角最大加速度達到14.5cm/s2。

根據目前在風工程性能設計中所普遍采用的標準，可使居住者感受到緊張的加速度閾值為15cm/s2，可使居住者感受到十分不適的加速度閾值為50cm/s2。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）規定，對高層混凝土住宅結構，其在10 年重現期風速作用下，頂層最大加速度應小于15cm/s2。

塔樓頂部主軸向最大位移均發生Y軸向，是平均位移與最大動態位移之和。

試驗結果表明，在10 年重現期極值風速的作用下，風向角為0°時塔樓頂部Y 軸向出現最大位移，達到11.75cm；在50 年重現期極值風速作用下，風向角為0°時塔樓頂部Y 軸向出現最大位移，達到15.72cm；在100 年重現期極值風速作用下，風向角為0°時塔樓頂部Y 軸向出現最大位移，達到18.03cm。在10 年重現期極值風速作用下，風向角為0°時塔樓頂部中心點出現最大合位移，達到11.89cm，塔樓頂部的側移與建筑高度的比值為1/1562；在50年重現期極值風速作用下，頂部中心點最大合位移發生在0°風向角，達到16.05cm，頂部的側移與其高度的比值為1/1157；在100 年重現期極值風速作用下，風向角為0°時塔樓頂部中心點出現最大合位移，達到18.45cm，塔樓頂部的側移與建筑高度的比值為1/1006。由此可知，0°風向角對該建筑頂部位移影響較大。

塔樓各軸向的等效風荷載由平均風荷載和動力風荷載兩部分組成，平均風荷載直接由平均風壓計算得到，而動力風荷載分為背景分量等效風荷載和慣性力分量等效風荷載，采用基于內力等效的振型加速度法計算得到。通過比較各風向角各軸向等效風荷載，得到等效風荷載有如下特點。

①結構X 軸向、Y 軸向、扭轉向的風荷載都應考慮。

②當風沿著結構主軸作用時，結構橫風向等效風荷載和順風向等效風荷載在同一數量級。

③風振系數是進行高層建筑抗風設計的重要系數，是判斷結構順風向等效風荷載大小的依據。當風沿著結構主軸作用時，結構順風向荷載風振系數一般隨高度的增加而增大。當風沿主軸作用時，在結構頂部風振系數大致在2.0 附近，在結構底部其風振系數大致在1.1～2.0 之間。由于周邊建筑對該樓有很強的干擾效應，使得結構相當多的區域出現平均風壓很小的情況，這樣會在某些特定風向角情況下，結構特定高度處的風振系數偏大。特別是在頂點，由于其界面收縮十分明顯，因此，其風振系數出現特別離散的情況，但是其整體風荷載卻不大。

3.4 風洞計算

從上述分析可以看出，在10 年重現期風荷載作用下，該項目塔樓最高層最大加速度響應均小于我國高層建筑混凝土結構技術規程中規定的加速度界限值。

圖7 為塔樓采用風洞試驗風荷載與《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）按場地類別C 類風荷載計算結果的對比，風洞試驗采用135°和0°風向角對應的等效靜力風荷載作為X向、Y向風荷載輸入。

需要說明的是，上述對比數據中風洞數據是按50 年重現期的基本風壓進行的風洞試驗結果。規范算法按《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）計算，場地類別取C，體型系數取1.4，并考慮1.1的干擾系數進行計算。

計算結果對比可見，X 向風荷載，由于實際樓棟雙拼，X 向只承受單面風荷載，風洞試驗數據、樓層剪力及位移角均小于相應“規范C場0.35”的計算結果；Y向風荷載，風洞試驗數據，樓層剪力在上部20 層以上小于按“規范-C 場0.35 風壓(x1.1 干擾系數) ”的計算結果，在20層樓層以下要大于按“規范-C 場0.35風壓(x1.1 干擾系數) ”的計算結果，相應位移角小于按“規范-C 場0.35 風壓(x1.1干擾系數)”計算結果。

4 結論

綜上所述，可以得到本項目塔樓抗風性能評價如下：

該塔樓維護結構按照本項目給定的極值風壓包絡圖進行設計，其維護結構能滿足結構抗風的要求；

該塔樓在居住者舒適度方面，頂層在10 年重現期極值風速作用下的加速度顯著小于《高層民用建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2012）中規定的限值，表明該塔樓可達到居住者對舒適度的要求；

在結構位移響應方面，考慮風向折減系數以后，該塔樓在10 年、50 年以及100 年重現期極值風速作用下的最大層間位移角分別為1/1278、1/956 和1/834，滿足我國《高層民用建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2012）的要求；

需要指出的是，本項目的扭轉響應和扭轉荷載的貢獻較大，這主要是由于其X 軸向和扭轉項存在耦合振動情況所致，應引起設計人員對扭轉響應貢獻的重視；

工程設計時，應根據風洞試驗結果與《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）對比綜合取值；

該超限高層塔樓在特定風環境中的抗風性能良好，能夠滿足結構安全、適用、可靠的要求。