高层建筑结构概念设计、风荷载和风洞试验

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：由于我国高层建筑的高度逐渐增大，规范和规程还要求少数建筑通过风洞试验确定风荷载和风的动力反应，以补充规范的不足。

空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力和吸力，这种风力作用称为风荷载。风的作用是不规则的，图3-1表示了随时间改变而变化的风速，风压随着风速、风向的紊乱变化而不停地改变。实际上，风荷载是随时间而波动的动力荷载，但房屋设计中把它看成静荷载，对于高度较大且比较柔软的高层建筑，要考虑动力效应的影响。

随着高层建筑高度的不断增加，风的作用效应随之增大，引起的动力效应就不能忽视了。人类的舒适度在摩天大楼中成为突出的问题，甚至会影响结构的方案和体系，例如10.8节介绍的马来西亚吉隆坡的石油双塔，采用钢筋混凝土结构的主要原因是为减小风振影响满足人的舒适度要求。由于采用了弹性结构的设计对策和基于承载力的设计方法，还没有由于风作用造成的高层建筑结构破坏的实例，但是1973年1月20日在美国波士顿的一次大风，使一幢60层、高790ft（240m）的钢结构大楼——John Hancock Tower的镜面玻璃大量的破碎并掉落，引起震惊^[31]。通过详细的研究发现，平时已经存在人感觉不舒服的摇晃情况（那时设计规范还没有关于人舒适度的要求和计算方法），固定镜面玻璃的金属嵌条在反复的风晃动下已达到疲劳极限，已经存在裂缝，而当大风引起建筑物的振动加速度较大时，造成了大面积玻璃破碎的事故。最后安装了阻尼器，并加固了结构纵向框架以提高其在水平力作用下的刚度（建筑结构还存在一些其他问题）。

图3-1 波动风作用引起的房屋振动

此外，城市中成片地兴建高层建筑，使建筑物之间风的相互干扰问题日渐突出。近年来，高层建筑抗风设计和风的动力效应问题逐渐得到重视。

在设计抗侧力结构、围护构件及考虑人类舒适度时都要用到风荷载，还要设定各种允许值。在我国的新规范和规程中已经对此做了一些新的规定。

风是紊乱的随机现象，风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。高度300m以下的高层建筑可按照荷载规范规定的方法计算风荷载值，规范只要求用适当加大风荷载数值的方法考虑动力效应，风荷载仍然作为静力荷载计算结构内力和位移，用经验公式估算顶点加速度效应。由于我国高层建筑的高度逐渐增大，规范和规程还要求少数建筑（高度大、对风荷载敏感或有特殊情况者）通过风洞试验确定风荷载和风的动力反应，以补充规范的不足。新规范和规程对高层建筑的风洞试验较以前更为重视。

1.确定风压值沿建筑物高度的变化

国内外对一些高层建筑所做的风洞试验得到的风荷载沿建筑物高度的分布规律与规范给出的分布规律往往有所不同，在建筑物的2/3～3/4高度以上，风压力可能减小，由此计算风荷载作用下的侧移和内力都会减小，这将大大影响设计的结果。我国还进行了在建筑物顶部实测风速的研究，通过研究和分析也得出了建筑物顶部风速小于规范给定值的结论^[32]，但是，由于实测值数量少，尚不足以作为规范规定的依据，故只能依据风洞试验结果对风荷载值作适当修正。

2.确定复杂体型建筑的体型系数

体型系数是计算风荷载必须用的系数，体型复杂结构的体型系数还很难确定，目前没有有效的预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方法，所以一些体系复杂的高层建筑也需要通过风洞试验得到。

3.应重视用户对建筑舒适度的要求

随着高层建筑高度加大，设计将会更加重视舒适度问题，风作用会引起建筑物摇晃，设计建筑物时要确保它的摇摆运动不会引起用户的不舒适感。目前国内在这方面的研究还很少。世界上首先提出舒适度与房屋顶层加速度关系的是加拿大的达文波特教授（Prof.Davenport），现在虽然有一些计算建筑物顶层加速度的经验公式，但是常常需要通过实测得到较为可靠的数值，这也是风洞试验的一个目的。

4.应重视横向风振动作用及扭转风振效应

当结构高宽比较大、结构顶点风速大于临界风速时，可能引起明显的横向结构振动，甚至出现横向风振动效应大于顺风向风作用的情况。当结构体型复杂时，可通过风洞试验确定横向风振动的等效风荷载，并计算结构的横向位移。

摩天大楼可能造成很强的地面风，对行人和商店有很大影响；当附近还有别的高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害（见图3-2），这些都可以通过风洞试验得到对设计有用的数据。

图3-2 风荷载对高层建筑的影响^[2]

风荷载的影响因素复杂，需要研究的问题很多，而且规范条文也难以概括，风洞试验是一种有效的测量大气边界层范围内风对建筑物作用和获得风动力反应的手段。我国《混凝土高规》规定有下列情况之一的建筑物，宜进行风洞试验。

1）高度大于200m。

2）平面形状不规则、立面形状复杂，或立面开洞、连体建筑等；或规程中没有给出体型系数的建筑物。

3）周围地形和环境复杂，邻近有高层建筑时，宜考虑互相干扰的群体效应，一般可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。

当风洞试验结果与按规范计算的风荷载存在较大差距时，设计者应进行分析判断，以确定风荷载的最后取值。

建筑物的风洞试验要求在风洞中能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化，大气紊流纵向分量与建筑物长度尺寸应具有相同的相似常数，一般说来，风洞尺寸达到宽为2～4m、高为2～3m、长为5～30m时可满足要求。为在风洞中正确模拟风剖面，要使模型和原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似。风洞试验必须有专门的风洞设备，模型制作也有特殊要求，量测设备和仪器也是专门的，因此风洞试验都委托风工程专家和专门的试验人员进行。

风洞试验的费用较高，但多数情况会得到更安全而经济的设计，在国外应用较为普遍。在我国高层建筑高度逐渐增大的情况下，需要更加重视风洞试验，随着我国经济实力和技术的提高，国内已有一些可以对建筑物模型进行风洞试验的设备，今后国内风洞试验会逐步完善和增加。

风洞试验采用的模型通常有三类^[2]，①刚性压力模型；②气动弹性模型；③刚性高频力平衡模型。第1类模型最常用，建筑模型的比例大约取1∶300～1∶500，一般采用有机玻璃材料，建筑模型本身、周围结构模型、以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征如建筑外形、凸出部分都应在模型中正确模拟。模型上布置大量直径为1.5mm的测压孔，有时多达500～700个，在孔内安装压力传感器，试验时可量测各部分表面上的局部压力或吸力，传感器输出电信号，通过数据采集仪器自动扫描记录并转换为数字信号，由计算机处理数据，从而得到结构的平均压力和波动压力的量测值，并可得到体型系数。风洞试验一次需持续60s左右，相应实际时间为1h。

这种模型是目前在风洞试验中应用最多的模型，主要是量测建筑物表面的风压力（吸力）。以确定建筑物的风荷载，用于结构和围护构件的设计。

第2类模型则可更精确地考虑结构的柔度和自振频率、阻尼的影响，因此不仅要求模拟几何尺寸，还要求模拟建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。对于高宽比大于5的、需要考虑舒适度的高柔建筑采用这种模型更为合适。但这类模型的设计和制作比较复杂，风洞试验时间也更长，有时采用第3类风洞试验代替。

第3类风洞试验是将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，也可得到风产生的动力效应，但是它需要有能模拟结构刚度的基座杆或高频力平衡系统。高频力平衡所用的模型尺寸较小，为1∶500量级，柔性底座是长约150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可量测倾覆力矩和扭矩等。

高层建筑结构概念设计、风荷载和风洞试验

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