考虑风向的两栋典型截面超高层建筑主体风荷载研究及规范值比较_涂楠坤.pdf

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1、第 45 卷 第 22 期 2015 年 11 月下建筑结构 Building StructureVol 45 No 22 Nov 2015考虑风向的两栋典型截面超高层建筑主体 风荷载研究及规范值比较涂楠坤( 绿地控股集团有限公司，上海 200023) 摘要 基于刚性模型的高频天平测力风洞试验， 对外附网架的超高层建筑的基底弯矩和扭矩特性进行了分析，详细讨论了复杂的周边建筑环境对近似方形截面建筑的整体气动力特性的影响。研究结果表明， 复杂周边建筑环境对超高层建筑的气动力均值和脉动值影响主要表现为遮挡效应， 尤其在两幢建筑物串联、 并列时。在考虑风向的前提下， 将层间等效静力风荷载及总体基底剪力

2、和弯扭矩的规范值和试验结果进行了比较， 可知规范值在一定程度上可以包络试验值， 但是经济性不佳。 关键词 超高层建筑;复杂周边建筑;等效静力风荷载;风速;风向中图分类号: TU312文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2015) 22- 0024- 05esearch on wind load on two super high- rise buildings with typical sectiontaking wind direction into consideration and comparison with codeTu Nankun( Greenland Hold

3、ing Group Co，Ltd，Shanghai 200023，China)Abstract: Based on high frequency force balance ( HFFB)wind tunnel test of the rigid model of an actual grids- attachedsuper high- rise building，the base moment and torque properties were analyzed and the effect of complex surroundingbuilding environment on int

4、egrated aerodynamic force characteristics of the structure was discussed in detail The studyresults indicate that complex surrounding building environment mainly has sheltering effect on mean value and fluctuationvalue of aerodynamic force for the super high- rise building，especially when two buildi

5、ngs are in series or parallel Oncondition that wind direction was considered，code values and test results were compared of equivalent static wind load，integrated base shear force and torque Its concluded that code values can completely envelope test values to some extent，but it costs moreKeywords: s

6、uper high- rise building;complicated surroundings building environment;equivalent static wind load;windspeed;wind direction作者简介: 涂楠坤， 硕士， Email: 243569261 qq com。0前言高层建筑是典型的风敏感结构， 风荷载是高层建筑结构设计的主要控制荷载之一。伴随着经济的快速发展， 出现了高楼林立的群体高层建筑， 而群体建筑间的干扰效应是比较复杂的。已有文献1- 5 对高层建筑间的干扰机理进行了大量的研究， 提出了遮挡效应和穿堂风效应。本文通过不同模型

7、工况的对比， 详细讨论了复杂周边环境对高层建筑的气动干扰效应。风对结构的作用不仅与风速的大小有关， 而且与风的方向有关。如果不考虑风速和风向之间的相关性， 可能会造成围护结构风荷载的过高估计。本文通过高层建筑所在地的气象站的统计数据， 考虑了风速与风向的折减效应， 为今后高层建筑的设计提供参考。 1试验概述绿地银川超高层建筑是由两栋横截面及建筑高度完全一样的北塔楼( 简称目标建筑) 及其姊妹楼图 1超高层建筑效果图第 45 卷 第 22 期涂楠坤 考虑风向的两栋典型截面超高层建筑主体风荷载研究及规范值比较南塔楼和裙房组成， 如图 1 所示。两栋塔楼结构高度都为 301m， 截面近似方形， 均在

8、东南角和西北角进行了圆角处理。塔楼在 3/4 高度以下的截面是典型的近方形， 在 3/4 高度处截面开始单边截面收进。从未来的城市规划来看， 目标建筑东面距离 150m 范围内有高度约为 120m 的三栋周边建筑呈南北轴线布置， 西面距离 120m 范围内有高度 95m的三栋周边建筑呈南北轴线布置， 北面距离 220m左右有高度约 100m 的两栋建筑呈东西轴线布置。 WDI 风洞实验室在位于安大略省圭尔夫市的2. 4m 2. 0m 边界层风洞中对该建筑进行了高频天平测力试验， 模型包括了大楼周围 580m 半径范围内所有建筑地貌。风洞试验模型的几何缩尺比为 1/500， 目标建筑及周边建筑试

9、验模型如图 2 所示。目标建筑体轴如图 3 所示， 以正北向为 0， 顺时针间隔 10为一个风向角， 共取 36 个风向角。图 2风洞试验模型图 3北塔楼体轴及正北方向对场地模型以外的大气边界层上地貌影响是通过在风洞工作段前方设置适当的湍流尖塔与地面粗糙元对每个风向逐一模拟。试验在不同的大气边界层风场中进行， 10 50及 330 360风向角为开阔和城郊之间， 周边模型的上风向直接面临不同长度的开阔地貌， 远处为城郊地貌( 即许多低矮房屋) ; 60 320为市郊( 由许多低矮建筑组成的地貌) 。风洞平均风速和紊流度剖面如图 4 所示( B， D类地貌) 。高频天平的采样频率为 1 000H

10、z， 采样时间为 60s。试验风速比和时间缩尺比分别取 1 5. 2和 1 57， 对应于实际采样频率 17. 5Hz 和数据样本长度 57min。为了研究周边建筑影响， 设定了两种试验模型工况。模型工况 Case1 仅有两栋 301m 高的超高层建筑， 没有周边建筑; 而模型工况 Case2 是处于复杂周边建筑中的两栋超高层建筑， 如图 5 所示。在计算结构设计风荷载时， 假设总阻尼比为注: 规范为 建筑结构荷载规范 ( GB 500092012) 。图 41 500 风场风洞湍流强度剖面2. 0%。第 1 模态自振频率为 0. 183Hz( X 向平动) ，第 2 模态为 0. 189 H

11、z( Y 向平动) ， 第 3 模态为 0. 377 Hz ( 扭转振动) 。图 5试验模型工况2数据处理2. 1 极值风速风向计算联合分布概型6 反映了风速和风向的联合分布作用， 其极值分布函数 F( u， )是由风向频度函数 f( )和各风向风速分布函数 PU( U u， )组成的， 可由下式表示:F( u， )= f( ) PU( U u， )( 1)式中 PU( U u， )为 风向极值风速小于 u 值的概52建筑结构2015 年率， 其中 U 为待研究的一定重现期的极值风速， 为某个风向区间， u 作为概率函数的自变量出现， 为一个可变的数值。 2. 2 等效静力风荷载计算基底剪力及

12、弯矩的计算式如下: FXp( ， tp)= 0 5U2zHpDXpFX( tp)( 2)FYp( ， tp)= 0 5U2zHpDYpFY( tp)( 3)MZp( ， tp)= 0 5U2zHpDXpDYpMZ( tp)( 4)式中: 为大气密度， 取1. 25kg/m3; Hp为建筑高度; Uz为来流风速; DXp， DYp， DXpDYp分别为建筑两个平动方向和扭转方向的平均特征尺寸;tp为试验中的某个时刻;FX( tp) ， FY( tp) ， MZ( tp)分别为对于FX， FY， MZ的试验所得的升力系数。由于该建筑在顶部楼层逐步收缩， 导致其不同楼层各方向的特征尺寸不一致， 所以

13、在此采用平均特征尺寸:DXp=1 NNi =1Dx， i， DYp=1 NNi =1Dy， i，DXpDYp=1 NNi =1Dx， iDy，槡i( 5)式中: Dx， i， Dy， i分别为各楼层 X 向和 Y 向特征尺寸，取投影宽度; N 为楼层总数。等效静力风荷载计算公式如下:fe i( z)= gki( z)Mj =1 mi( z) 2jjij( z) 槡2( 6)式中: fe i( z)为高度 z 处沿方向 i( i = X， Y， z) 的等 效惯性风荷载; g 为峰值因子;ki( z)为沿高度变化的惯性荷载调整系数， 考虑多模态贡献， 根据满足结构各层截面内力或位移动响应(g)

14、等效的原则确定， 其中 为结构某个响应 ( 可以是位移、 加速度或内力等) 的根方差; mi( z)为等效质量; j为第 j 阶模态的圆频率;ij( z)为第 j 阶振型列向量;j是第 j 阶模态的位移均方根值。将平均风荷载 Fi， mean( z) 加( 或减) 等效惯性风荷载， 可以得到对应结构响应峰值的等效静力风荷载 F i( z) :F i( z)= Fi， mean( z) fe i( z)= Fi， max( z) gki( z)Mj =1 mi( z) 2jjij( z) 槡2( 7)3试验结果及分析3. 1 极值风速风向计算结果所采用的风速样本来自于银川气象站 1951年 1

15、月 1 日至 2010 年 12 月 31 日全部 21 900d的日最大风速值和相应风向记录。按照阶段极值抽样方法将极值风速组成极值子样以进行相关统计7。由图 6 可知， NW 风向对应的期望极值风速最大， 为 30. 1m/s; ENE 风向对应的期望极值风速最小， 为 12. 2m/s; ESE， SE 和 SSE 风向的期望极值风速较小; WNW， NNW 风向的期望极值风速较大。注: 全风向为统计所有风向的风速所得的一定重现期的极值风速; 分风向为统计单个风向的风速所得的一定重现期的极值风速。图 6不同风向角下的极值风速分布图3. 2 基底剪力与弯矩响应分析图 7 给出了 100 年

16、重现期下 Case1 和 Case2 工况下 X， Y 向基底剪力均值和极值随风向角的变化曲线。从图中可以看出， Case1 和 Case2 工况下 X， Y向气动基底剪力均值变化不大， X 向基底剪力仅在 40 110及 240 310风向角下有较大差异， 而 Y向基底剪力仅在 0 50风向角下有较大差异。总体上来看， 复杂周边建筑的 Case2 工况中的 X， Y 向基底剪力最大值有所降低， X， Y 向基底剪力最大值在 270 310风向角下都有较大差异， X 向基底剪力最大值还在 10 50风向角降幅显著， Y 向基底剪力最大值降幅显著集中在 0 100风向角。而存在复杂周边建筑的 C

17、ase2 工况的 X， Y 向基底剪力最小值的绝对值相对 Case1 工况都也有所降低: X向 10 160风向角下两工况差异较大， 特别是 30风向角基底剪力最小值的绝对值降低得尤为显著; Y 向 90 280风向角内降幅明显， 其中 30风向角尤为明显。基底剪力的均值直接取决于建筑物主轴方向上有无复杂建筑的遮挡。目标建筑东面距离 150m 范围内有高度约 120m 的三栋周边建筑， 呈南北轴线布置， 西面距离 120m 范围内有高度 95m 的三栋周边建筑呈南北轴线布置。施扰建筑的高度接近甚至超过北塔楼总高度的 1/3， 遮挡效应是很明显的， 集62第 45 卷 第 22 期涂楠坤 考虑风

18、向的两栋典型截面超高层建筑主体风荷载研究及规范值比较图 7不同模型工况下基底剪力随风向角变化曲线中在 40 110及 240 310风向角， 即目标建筑的东西向正负 45风向角范围内， 由于上流施扰建筑的影响， 目标建筑的 X 向基底剪力减小。同理，目标建筑北面距离 220m 左右有高度约 100m 的两栋建筑呈东西轴线布置， 所有 Y 向基底剪力仅在 0 50风向角下由于上流施扰建筑的遮挡而减小很多。图 8不同模型工况下基底弯矩和扭矩随风向角变化曲线基底剪力的极值取决于目标建筑的基底剪力均值和脉动值的大小。当上游存在一定尺度的施扰建筑时， 气流的尾流特性等因素将发生变化， 使目标建筑的脉动值

19、发生变化。目标建筑和其姊妹楼南塔楼成对角布置， 两者距离较近( 约 1/5 塔楼高度) ， 中间将形成楔形空气空隙。由于西北向存在施扰建筑时， 气流受到施扰建筑的遮挡后再流经楔形空气空隙后， 脉动值将被削弱， 故 270 310 风向角下 Case2 工况中 X， Y 向基底剪力都降低了。而 20风向角下， 当东北向没有施扰建筑时， 将在目标建筑和南塔楼之间形成穿堂风效应， 两幢建筑不仅有相互靠拢的趋势， 而且 X， Y 向存在较大的脉动剪力。 Case2 工况中北面和东面存在的施扰建筑将在一定程度上削弱穿堂风效应， 并且改变气流的尾流特征，将 X， Y 向基底剪力极值降低。图 8 给出了 C

20、ase1 和 Case2 工况下气动基底弯矩及扭矩的均值和极值随风向角的变化曲线。从图 8 中可以看出， 复杂的周边建筑削弱了目标建筑 X，Y 向气动弯矩及扭矩的均值及脉动值， 尤以 30风向角下 Case2 工况中有复杂周边建筑时对目标建筑的基底扭矩削弱最显著。来流沿着 30风向角吹来，当没有施扰建筑时将在目标建筑和南塔楼之间形成穿堂风效应， 目标建筑的南面和南塔楼的西面会形成负压， 不仅相互聚拢， 而且会在目标建筑上形成较大的气动扭矩。而 Case2 工况中目标建筑东面有高度约为 120m 的三栋周边建筑， 北面有高度约 100m的两栋建筑， 施扰建筑在较大程度上影响了气流的尾流特性， 从

21、而在目标建筑和南塔楼之间的穿堂风效应会大大削弱， 减小目标建筑的扭矩作用。 3. 3 等效静力风荷载分析图 9 给出了两工况下最不利的层间等效静力风荷载、 层间等效剪力及层间等效弯矩的试验值与 建筑结构荷载规范 ( GB 500092012) 的值( 简称规范值) 的比较。首先， 目标建筑 X 向的层间等效静力风荷载的规范值可以较好地包络试验值， 而 Y向的层间等效静力风荷载的规范值在顶部的 8 层比试验值大很多， 这可能与目标建筑的立面收缩有关。而层间等效剪力的规范值可以较好地包络试验值， X 向及 Y 向的层间等效弯矩的试验值及规范值接近重合。72建筑结构2015 年图 9试验与规范层间等

22、效静力风荷载层间等效剪力及弯矩对比表 1 给出了目标建筑 100 年重现期基底弯矩、剪力及扭矩试验值与规范值的比较。由表 1 可知，在考虑风速、 风向的情况下， 存在周边复杂建筑物的 Case2 工况中的目标建筑的扭矩比 Case1 工况中的大， 基底弯矩和剪力比 Case1 工况中的要小。Case1工况中目标建筑的 My及 Fx的试验值比规范值大 30%左右， Case2 工况中也比规范值大 30% 左右， 十分不经济， 这是值得设计人员注意。目标建筑 100 年重现期基底弯矩、 剪力及扭矩试验值与规范值的比较表 1工况Case1Case2数值差率数值差率基底弯矩 /(106kNm)MyMx

23、规范13 3试验8 28规范11 3试验9 0737 77%19 73%10 278 777 593137%1346%基底剪力 /(103kN)FxFy规范70试验46 6规范62 4试验51 733 43%17 15%5437 748 341 93018%1325%基底扭矩 /(106kNm)Mz规范0 31试验0 14951 93%0 3510 1555584%4结论基于刚性模型的不同工况下的高频天平测力试验， 分析了复杂周边环境下有超高层建筑的主体结构的风荷载特性， 得到如下结论: ( 1) 复杂周边建筑对目标建筑的气动力均值的影响主要表现为遮挡效应， 降低了基底气动力( 剪力、 弯矩及

24、扭矩) 的均值和极值。 ( 2) 在两幢建筑物串联、 并列时， 复杂周边环境对基底气动力( 剪力、 弯矩及扭矩) 的均值和极值的影响尤为显著。其中， 来流沿着 30风向角吹来时，复杂周边环境减小了目标建筑的扭矩作用， 使 270 310风向角下 Case2 工况中 X， Y 向基底剪力都降低了。( 3) 在考虑风向的情况下， 目标建筑的 X 向的层间等效静力风荷载的规范值可以较好地包络试验值， 而 Y 向的层间等效静力风荷载的规范值在顶部 8 层比试验值大很多， 这可能与目标建筑的立面收进有关。( 4) 基底剪力和弯矩的规范值虽然可以包络试验值， 但是经济性不佳， 差异率高达 30% 左右，

25、进一步说明高层建筑设计时进行风洞试验的必要性。 ( 5) 本文结论并不一定适用于建筑截面和本文中差别较大的情况。参考文献1 GOWDA B H L，SITHEEQ M M Interference effects onthe wind pressure distribution on prismatic bodies intandemarrangement J IndustrialJournalofTechnology， 1993， 31: 485- 4952 SAKAMOTO H，HANIU H Aerodynamic forces actingon two square prisms pl

26、aced vertically in a turbulentboundary layerJ Journal of Wind Engineering andIndustrial Aerodynamics， 1988， 31: 41- 663 TANIIKE Y Interference mechanism for enhanced windforces on neighboring tall buildings J Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics，1992， 41- 44:1073- 10834 ZHAO J G，LA

27、M K M Interference effects in a group oftall buildings closely arranged in an L- shaped or T- shapedpattern J Wind Structure， 2008， 11 ( 1) : 1- 185 李玉柱，贺五洲 工程流体力学 M 北京: 清华大学出版社， 20066 杨永昕， 葛耀君， 项海帆 风速风向联合分布的平均风统计分析 J 结构工程师， 2002( 3) : 29- 367 KASPESKIMDesignwindloadsforlow- risebuildings:a critical review of wind load specifications forindustrial buildings J Journal of Wind Engineering andIndustrial Aerodynamics， 1996， 61( 2- 3) : 169- 17982