基于風洞試驗的高位大跨度非對稱斜交四塔連體建筑抗風性能分析?

秦長金，伍 剛，吳慧林，李佳俊，賈磊柱，梅 俊，劉飛凡，徐 衛

（1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510630；2.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；3.武漢花山生態新城投資有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

近年來，隨著建筑技術的不斷發展，新型高層建筑類型不斷涌現，其中復雜連體建筑作為一種新型結構形式，為建筑選型帶來了多樣性和可能性［1-3］，本文所研究的高位大跨度非對稱斜交四塔連體建筑就是其中之一。

由于該建筑具有不規則性，無法按照GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》采用風振系數描述規則建筑順風向的動力風效應。 同時，由于這類復雜連體建筑在國內屬新興建筑結構，缺乏類似工程實例參考，增加了研究和設計難度。

為了獲取符合實際情況的不規則建筑的表面風壓［4］、風致響應［5］和等效風荷載［6］等參數，為復雜結構的抗風設計提供科學、可靠的參考依據，有必要進行高位大跨度非對稱斜交四塔連體建筑的風洞試驗［7］。

國內外學者基于風洞試驗對建筑的抗風性能進行了廣泛研究。 在建筑結構方面，劉小兵等［8］分析了0～45°范圍內不同風向角下方柱的氣動特性，得到了方柱的平均風壓分布、脈動風壓分布、平均氣動力、脈動氣動力、旋渦脫落特性和馳振穩定性隨風向角的變化規律。 鄭德乾等［9］結合風洞試驗和計算流體動力學對杭州蕭山國際機場T4 航站樓主樓屋蓋表面的風荷載進行了研究。 Tavakol 等［10］對帶有圓屋頂陣列的孤立建筑物進行了風洞測試，發現與第1 個圓頂相比，第2 個和第3 個圓頂上的分離點逐漸向下游移動。 在復雜建筑的抗風性能方面，吳澤達等［11］以非對稱雙塔高層建筑為對象進行了風洞試驗，結果表明周邊環境會導致塔樓迎風面平均風壓系數減小30%～50%。 余先鋒等［12］通過剛體模型同步測壓試驗獲得單體建筑以及不同干擾工況下受擾建筑表面的風荷載，并在不同折算風速下進行了結構風振響應計算。 李秋勝等［13］對廣州國際會展中心模型進行了風壓分布風洞試驗，試驗表明負風壓主要發生在迎風角區，但在下風向會出現正壓力。

從上述研究可以看出，盡管已有很多關于各類建筑結構和建筑造型抗風性能的研究，但針對高位大跨度非對稱斜交四塔連體建筑的研究仍較少。因此，需要通過風洞試驗來深入探究該類復雜建筑的抗風性能。 本研究以縮尺模型來模擬實際建筑在風場中的受力情況，探究不規則形態對風荷載分布的影響，為類似建筑的設計和施工提供可靠的參考依據。

1 工程概況

光谷人民醫院項目的規劃用地性質為醫院用地和社區公園。 項目規劃凈用地面積為52 391m2，容積率為2.77，總建筑面積為244 175m2，其中地上建筑面積138 645m2，地下建筑面積105 530m2。 在項目場地中部設有1 條排水走廊，該地塊被社區公園用地（包括城市排水走廊）分為東區和西區。 西區包括2 棟12 層的住院樓（A 棟、C 棟）、1 棟4 層的西區門診醫技樓和1 棟5 層的行政樓。 東區包括2 棟12 層的住院樓（B 棟、D 棟）、1 棟4 層的東區門診醫技樓、1 棟4 層的立體停車樓、1 棟3 層的發熱門診樓，以及1 棟1 層的垃圾污水處理站和液氧站。西區醫技樓和東區醫技樓每層通過2 道連橋連接，而4 棟住院塔樓在12 層標高處通過空中的Z 形連橋相互連接，形成了高位大跨度非對稱斜交四塔連體建筑。 項目總體平面效果如圖1 所示。

圖1 總平面效果Fig.1 General plan

項目周邊已建和待建的高層建筑形成了一個復雜的紊流風場，各建筑之間的繞流干擾效應強。而該連體塔樓作為一個高位大跨度非對稱斜交四塔連體建筑，在強風作用下將產生相當大的表面風壓和結構的靜態、動態響應。

根據《建筑結構荷載規范》規定：房屋和構筑物與表8.3.1 中的“體型不同且無參考資料可以借鑒時，宜由風洞試驗確定；對于重要且體型復雜的房屋和構筑物，應由風洞試驗確定。”

該項目外立面造型特殊，目前我國的建筑結構風荷載規范尚未涵蓋這類建筑。 為此，通過風洞試驗測試結構的表面風壓，并通過數據處理和計算分析獲得結構的風壓分布、風致響應、風振系數和等效風荷載。

2 風洞試驗模型及方法

2.1 試驗模型

本項目建筑測壓模型由ABS 塑料板制成，幾何縮尺比例為1 ∶250。 模型共布置了438 個測壓點。模型底部與連接板固連，連接板與風洞試驗段工作轉盤固連。

周邊建筑的干擾對結構風荷載影響較大，試驗通過直接模擬周邊建筑情況來考慮結構風荷載的干擾效應。 根據總平面圖以及現場考察結果，試驗模擬了大樓周圍約400m 半徑內的主要建筑，按照平面圖位置擺放于風洞試驗模型中。 在進行試驗時，周邊建筑對目標建筑的干擾體現在試驗測試的數據上，本項目風洞試驗結果考慮了周邊建筑干擾后的結果。 周圍建筑采用PVC 板制成模型模擬。整體風洞試驗模型如圖2 所示。

圖2 風洞試驗模型及周邊建筑Fig.2 Wind tunnel test model and surrounding buildings

結合周邊情況，風洞試驗在180°迎風情況下周圍建筑最密集，所有風向角中的最大阻塞比為4%，根據JGJ／T 338—2014《建筑工程風洞試驗方法標準》中3.2.5 條：阻塞比應小于5%，本次試驗滿足要求。

2.2 試驗方法

為了測量風洞試驗，參考高度處風速，在模型左前方處安裝了三維脈動風速探頭，與模型測壓同步測量此處的風速，放置高度為1.0m。 采用電子掃描閥測壓系統測量模型表面風壓。 掃描閥對模型的表面風壓進行同步測量，依次對所有測壓點的壓力信號進行掃描。 脈動壓力的采樣時間為62s（根據相似理論要求的采樣時間為61.2s，相當于實際1h 的采樣時間），每個測點的采樣頻率為331Hz，試驗參考點風速約為9.0m／s。

試驗通過旋轉工作轉盤，模擬0°～360°風向角的情況，其角度間隔為10°，共36 個試驗風向角。試驗風向角如圖3 所示。

圖3 試驗風向角Fig.3 Test wind angle

2.3 風場模擬

本文的風洞試驗采用《建筑結構荷載規范》中的B 類地貌，采用擋板、尖塔、粗糙元等裝置模擬大氣邊界層風場，模擬風場的風剖面地面粗糙度指數α為0.15，模擬的風速譜為Von Karman 譜。

3 試驗數據處理與結果分析

經過資料調研、模型制作、風洞試驗、數據處理、計算分析5 個階段，試驗團隊進行了剛性模型制作、風場模擬與多點測剛性模型表面壓力時程風洞試驗，全面完成了該項目結構在各種工況下表面平均風壓與極值風壓的計算、分析工作，同時根據隨機振動理論與相似理論，由各測點的風壓時程建立結構的動力風荷載數值模型，求得本項目高位大跨度非對稱斜交四塔連體結構在各種工況下的風振反應與等效風荷載。

3.1 結構特性

本項目結構為連體建筑，結構頻率與振型由有限元建模計算得到（見圖4），根據計算精度的需要，本項目考慮了前16 階振型，結構各階振型如表1所示。

表1 結構前16 階固有頻率Table 1 First 16 natural frequencies of the structure

圖4 結構整體三維模型Fig.4 Overall three-dimensional model of the structure

3.2 結構表面風壓

本項目采用《建筑結構荷載規范》中的方法分析了該建筑外墻表面的極值風壓和平均風壓系數，其中極值風壓如表2 所示。

表2 極值風壓Table 2 Extreme wind pressurekPa

3.3 結構風致響應與等效風荷載

3.3.1 結構風振加速度響應

在10 年重現期極值風速作用下，結構頂層各風向角最大加速度如表3 和圖5 所示。

表3 結構頂層各風向角最大加速度Table 3 Maximum acceleration at each wind direction on the top layer of the structure

圖5 全風向角結構頂層最大加速度響應Fig.5 Maximum acceleration response at the top layer of all wind angle structure

在10 年重現期極值風速作用下，結構頂層x軸風向角最大加速度達到7.13cm／s2，y軸風向角最大加速度達到6.82cm／s2。 根據國際工程界普遍采用的標準，居住者感到不安的加速度閾值為15cm／s2，居住者感到十分難受的加速度閾值為50cm／s2。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》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。

從上述分析可以看出，在10 年重現期風荷載作用下，該項目結構最高層最大加速度響應小于《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定的加速度界限值。

3.3.2 結構頂層最大位移響應

結構頂層各風向角最大位移如表4 和圖6 所示。 本項目頂部x軸最大位移發生在190°風向角，達到 0.777 8cm， 頂部側移與高度的比值為1／7 932；頂部y軸最大位移發生在320°風向角，達到1.395 6cm，頂部側移與其高度的比值為1／4 421。

表4 結構頂層各風向角最大位移Table 4 Maximum displacement of each wind direction at the top of the structure

圖6 全風向角最大位移響應Fig.6 Maximum displacement response at all wind angles

3.3.3 結構底部內力

根據本項目分析計算得到的各節點等效風荷載，得到該項目結構各風向角底部剪力與彎矩。 各內力如表5、圖7，8 所示，連廊結構剪力如表6、圖9所示。

表6 結構各風向角連廊最大內力Table 6 Maximum internal force of corridors at each wind direction of the structure

圖7 全風向角基底剪力Fig.7 Base shear force of full wind angle

圖8 全風向角基底彎矩Fig.8 Base bending moment of full wind angle

圖9 全風向角連廊剪力Fig.9 Corridor shear force of full wind angle

由以上圖表分析可知，塔樓基底x軸剪力最不利風向角為210°，基底y軸剪力最不利風向角為210°，基底x軸傾覆彎矩最不利風向角為160°，基底y軸傾覆彎矩最不利風向角為240°。 對于連廊，其最不利風向角為：10°，90°，190°，220°，280°。

4 結語

通過對高位大跨度非對稱斜交四塔連體結構進行風洞試驗，結構設計單位可取用上述風洞試驗數據及其計算結果作為結構構件強度設計和結構整體位移變形控制的重要依據。 同時，本文也對本項目的抗風性能進行了初步評價，主要得出如下結論。

1）根據給定的極值風壓包絡圖，項目的維護結構經過設計能夠滿足結構的抗風要求。

2）在居住者舒適度方面，在10 年重現期極值風速的作用下，本項目連體結構大樓頂層的加速度未超過規范規定的最大加速度界限值，表明結構可滿足居住者舒適度的要求。

3）本項目的結構抗風性能能夠滿足強度、剛度和舒適度的要求，保證了結構的安全性，同時也滿足了適用性和可靠性的要求。