基于復(fù)雜地形環(huán)境的超高層雙塔建筑風(fēng)荷載特性研究

陳宏敏

（上海楊樹(shù)浦發(fā)電廠有限公司，上海 200090）

對(duì)于樓層較高的建筑物，高層達(dá)到了大氣邊界層，而此部分空間流體較為復(fù)雜，存在流動(dòng)分離和旋渦情況，加大了建筑表面風(fēng)荷載分析難度，不利于高層建筑工程質(zhì)量控制[1]。雖然我國(guó)針對(duì)該問(wèn)題已經(jīng)提出了一些風(fēng)荷載特性研究方法，但是隨著樓層的增加，旋渦復(fù)雜程度隨之增加，所以當(dāng)前提出的特性分析方法不適合用于分析超高層建筑風(fēng)荷載特性[2-3]。與高層建筑相比，超高層建筑地形環(huán)境更為復(fù)雜。該文嘗試以超高層雙塔建筑為例，通過(guò)構(gòu)建建筑模型，對(duì)風(fēng)荷載特性展開(kāi)深入探究。

1 超高層雙塔建筑工程概況

某超高層雙塔建筑位于某城市中心商務(wù)區(qū)，占地面積較大，主要由2 個(gè)部分組成：（1）商業(yè)裙房；（2）辦公樓。其中，商業(yè)裙房共1 棟。辦公樓2 棟，即A 塔和B 塔，雙塔樓層數(shù)量為55 層，高度為250m。主塔樓采用鋼管混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，裙房、地下室采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。由于樓層總高度達(dá)到了超高層建筑標(biāo)準(zhǔn)，地塊周邊高層超高層建筑林立，加大了施工難度，需要對(duì)工程所處地區(qū)環(huán)境進(jìn)行分析。

2 超高層雙塔建筑風(fēng)荷載特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究工程的風(fēng)荷載特性，該研究在風(fēng)洞中組織風(fēng)荷載特性試驗(yàn)。該試驗(yàn)場(chǎng)地具備優(yōu)秀邊界層風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效模擬該環(huán)境下不同工況條件形成的風(fēng)荷載特性[4]。為了得到較為精準(zhǔn)的特性結(jié)論，該工程在此環(huán)境下構(gòu)建了試驗(yàn)空間。該空間高度3m，寬度4m，長(zhǎng)度24m。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

該試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榱四M湍流環(huán)境，在前方設(shè)置粗糙元和尖塔陣。經(jīng)過(guò)模擬檢驗(yàn)，該研究設(shè)計(jì)的模型能夠達(dá)到目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。圖1 為主要建筑與地形模型設(shè)計(jì)。

圖1 主要建筑與地形模型設(shè)計(jì)

該模式設(shè)計(jì)方案，按照1︰300 幾何縮尺比設(shè)計(jì)，以500m 半徑內(nèi)的建筑物作為模擬對(duì)象。為了保證數(shù)據(jù)可靠，該次研究根據(jù)荷載規(guī)范，取風(fēng)速數(shù)值26.83m/s。該實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于風(fēng)速數(shù)值的計(jì)算，是根據(jù)基本風(fēng)速與頂部風(fēng)速關(guān)系獲取風(fēng)速數(shù)值，大小為40.15m/s。所以，該模型的時(shí)間縮尺比為1︰105，風(fēng)速縮尺比為1︰2.86。模擬試驗(yàn)期間，設(shè)置樣本采集數(shù)量為9000，對(duì)應(yīng)的采集頻率為312.6Hz。根據(jù)這2 個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得采用所需時(shí)間，約為28.8s。該計(jì)算結(jié)果符合脈動(dòng)分量統(tǒng)計(jì)、平均分量統(tǒng)計(jì)要求。

2.2 試驗(yàn)工況

工況1：同時(shí)考慮工程所處地區(qū)周邊建筑、工程地形2項(xiàng)因素的影響。

工況2：忽略工程所處地區(qū)周邊建筑的影響，僅考慮工程地形的影響。

工況3：同時(shí)忽略工程所處地區(qū)周邊建筑、工程地形2項(xiàng)因素的影響。

2.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

關(guān)于建筑面的布設(shè)，以建筑模型東面為A 面，以北面為B 面，以西面為C 面，以南面為D 面。以建筑中部高度風(fēng)壓作為對(duì)照，要求距離地表面1/3 高度及以下區(qū)域的風(fēng)壓大于對(duì)照風(fēng)壓，同時(shí)建筑2/3 高度及以上區(qū)域的風(fēng)壓同樣高于對(duì)照風(fēng)壓[5]。為了順利測(cè)量各個(gè)點(diǎn)風(fēng)壓數(shù)值，該試驗(yàn)在風(fēng)壓變化梯度較大區(qū)域，加密測(cè)點(diǎn)，即沿著垂直方向布設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)?？紤]到裙樓削角造型較為特殊，測(cè)量時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)節(jié)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案。該試驗(yàn)布設(shè)測(cè)量數(shù)量共計(jì)495個(gè)。

3 超高層雙塔建筑風(fēng)荷載特性試驗(yàn)分析

3.1 局部體型系數(shù)分布

為了便于分析風(fēng)荷載特性，該研究構(gòu)建以下局部體型系數(shù)模型，如公式（1）所示。

公式（1）中，i代表測(cè)量位置；μsi代表編號(hào)為i測(cè)點(diǎn)的建筑局部體型系數(shù)；代表編號(hào)為i測(cè)點(diǎn)的建筑高度前方未遭受擾動(dòng)情況下的風(fēng)速均值；代表編號(hào)為i測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓均值；ρ代表密度。

3.1.1 不同工況條件下周邊建筑的影響分析

按照如圖2 所示的目標(biāo)風(fēng)場(chǎng)布設(shè)方案，搭建體型系數(shù)受周邊建筑的干擾影響模擬場(chǎng)景。其中，z代表樓高。

圖2 雙塔干擾影響模擬場(chǎng)景

沿著雙塔側(cè)面模擬風(fēng)場(chǎng)，以風(fēng)場(chǎng)角度作為變量，從0o逐漸增加至360o，觀察風(fēng)角變化過(guò)程中，局部體型系數(shù)受周邊建筑的影響變化情況。以下為干擾影響模擬結(jié)果。

測(cè)點(diǎn)A1：工況1 與工況2 體型系數(shù)變化特點(diǎn)基本相同。當(dāng)風(fēng)向角小于80o時(shí)，2 種工況下的體型系數(shù)均呈現(xiàn)下降變化趨勢(shì)，80o～240o，體型系數(shù)幾乎保持不變；240o～280o，體型系數(shù)出現(xiàn)小幅度的下降。當(dāng)風(fēng)向角大于280o時(shí)，體型系數(shù)變化較大，即出現(xiàn)大幅度增加。其中，工況1 較工況2上升數(shù)值更大，并且工況2 在風(fēng)向角330o左右時(shí)，開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

測(cè)點(diǎn)A2：工況1 與工況2 體型系數(shù)變化特點(diǎn)基本相同。0～180o，體型系數(shù)穩(wěn)定在-1.5 左右，180o～300o，體型系數(shù)與風(fēng)向角成幾乎成正比例關(guān)系，出現(xiàn)上升趨勢(shì)，最高點(diǎn)達(dá)到1.0 左右。300o～360o，體型系數(shù)隨著風(fēng)向角的增加而減小。

測(cè)點(diǎn)A3：該測(cè)點(diǎn)2 種工況在風(fēng)向角未達(dá)到180o之前，變化趨勢(shì)基本一致，穩(wěn)定在-0.8 左右，而后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最小體型系數(shù)約為-1.5。工況1 在風(fēng)向角大于180o以后，體型系數(shù)開(kāi)始增加，自風(fēng)向角超過(guò)230o后開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。工況2 在風(fēng)向角大于200o以后，體型系數(shù)先增加而減小變化趨勢(shì)。

測(cè)點(diǎn)A4：工況1 與工況2 體型系數(shù)變化特點(diǎn)基本相同。風(fēng)向角0o～115o，體型系數(shù)穩(wěn)定在-0.8 左右，而后隨著風(fēng)向角的增加，先增加而后減小，峰值大約在180o處出現(xiàn)，大小約為0.8 左右。當(dāng)風(fēng)向角超過(guò)260o后，體型系數(shù)隨著風(fēng)向角的增加，出現(xiàn)小幅度的增加。

測(cè)點(diǎn)B1：工況1 與工況2 體型系數(shù)變化存在較大不同之處。工況2 的體型系數(shù)隨著風(fēng)向角的變化改變幅度不大，工況1 條件下的體型系數(shù)變化幅度較大，0o～60o，體型系數(shù)大幅度下降，60o～280o，體型系數(shù)趨于穩(wěn)定，當(dāng)風(fēng)向角超過(guò)280o后，體型系數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)大幅度上升變化趨勢(shì)。

測(cè)點(diǎn)B2：2 種工況下的體型系數(shù)在風(fēng)向角0o～120o，工況1 的體型系數(shù)更大一些，風(fēng)向角超過(guò)120o后，工況2 的體型系數(shù)偏大，并且2 種工況生成的形體系數(shù)變化特點(diǎn)基本相反。

測(cè)點(diǎn)B3：2 種工況體型系數(shù)在風(fēng)向角200o～360o的變化特點(diǎn)相反，工況1 體型系數(shù)先增加而后減小，工況2 體型系數(shù)先減小而后增加。

測(cè)點(diǎn)B4：2 種工況的體型系數(shù)在100o～250o差異較大，工況1 對(duì)應(yīng)的體型系數(shù)偏大，并且在120o～130o時(shí)出現(xiàn)了快速上升情況。

綜上分析可知，與4 個(gè)A測(cè)點(diǎn)相比，測(cè)點(diǎn)B在不同工況下，體型系數(shù)隨風(fēng)向角的增加呈現(xiàn)出的變化存在較大差異。所以，測(cè)點(diǎn)B處風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)建筑體型系數(shù)分布的影響較大。其中，測(cè)點(diǎn)B1 處受迎面風(fēng)影響，對(duì)臨近的建筑群尾流渦旋及遮擋造成的影響較大。

3.1.2 不同工況條件下建筑表面局部體型系數(shù)變化

建筑表面局部體型系數(shù)的變化分析，通過(guò)對(duì)比工況2 和工況3 條件下雙塔表面體型系數(shù)，判斷復(fù)雜的地形環(huán)境是否會(huì)對(duì)建筑表面體型系數(shù)造成一定影響。

從模擬測(cè)試結(jié)果來(lái)看，雙塔建筑在2 種工況下的表面體型系數(shù)變化特點(diǎn)基本相同。所以，此處以A 塔為例，對(duì)建筑各個(gè)面的表面體型系數(shù)變化情況展開(kāi)分析。

A面：工況1 與工況2 各個(gè)建筑表面體型系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，隨著樓層高度的增加，體型系數(shù)先上升，而后穩(wěn)定在-0.7～-0.8 之前。相比之下，工況2 的體型系數(shù)數(shù)值更大一些。

B面：工況1 與工況2 各個(gè)建筑表面體型系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，隨著樓層高度的增加，兩種工況下的體型系數(shù)數(shù)值逐漸重合。

C面：工況1 與工況2 各個(gè)建筑表面體型系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，隨著樓層高度的增加，體型系數(shù)波動(dòng)頻率較高，整體波動(dòng)幅度不是很大。相比之下，樓層較高的位置，體型系數(shù)更小一些。其中，頂樓體型系數(shù)約為0.25。

D面：工況1 與工況2 各個(gè)建筑表面體型系數(shù)變化趨勢(shì)差異較小，工況1 對(duì)應(yīng)的體型系數(shù)在0.2H～0.25H（H代表建筑總高度，單位m），而工況2 的體型系數(shù)隨著樓層高度的增加而持續(xù)增加，當(dāng)樓層高度達(dá)到0.8H（H代表建筑總高度，單位m）時(shí)，2 種工況下的表面體型系數(shù)開(kāi)始下降而后上升。

綜上分析可知，建筑表面體型系數(shù)容易受地形的影響，并且該系數(shù)沿著建筑高度增加的變化特點(diǎn)與無(wú)地形影響條件下的系數(shù)變化特點(diǎn)基本相同。根據(jù)該研究結(jié)論，在設(shè)計(jì)超高層建筑方案時(shí)，需要綜合考慮工程所處地區(qū)復(fù)雜地區(qū)環(huán)境因素，在方案投入實(shí)施之前，先利用模擬軟件模擬當(dāng)前方案的建筑表面體型系數(shù)下的施工狀況，根據(jù)建筑各個(gè)面的體型系數(shù)變化情況，分析該方案是否符合超高層建筑施工安全及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該研究已經(jīng)給出了一些復(fù)雜地形影響下的建筑表面體型影響結(jié)論，對(duì)于不同工況生成的結(jié)果存在一定差異。為了進(jìn)一步提高超高層建筑設(shè)計(jì)方案可靠性，需要進(jìn)行針對(duì)性分析，可以參考該文提出的分析模型和工具使用方法展開(kāi)全面分析。

3.2 層風(fēng)荷載特性

除了前文論述的局部體型系數(shù)分布，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響較大以外，層風(fēng)荷載變化特點(diǎn)同樣具有較大的參考價(jià)值[6]。

3.2.1 三分力系數(shù)的構(gòu)建

對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)和風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)的影響較大，所以分析各個(gè)樓層的風(fēng)荷載顯得尤為重要。一般情況下，采用三分力系數(shù)探究層風(fēng)荷載變化特點(diǎn)。以下為系數(shù)模型。

式中：σCD（zi）代表層阻力系數(shù)均方根；σCL（zi）代表層升力系數(shù)均方根；σCT（zi）代表層扭矩系數(shù)均方根；σFD（zi）代表阻力均方根；σFL（zi）代表升力均方根；σFT（zi）代表扭矩均方根；A（zi）和B（zi）分別代表迎風(fēng)面積、順風(fēng)風(fēng)向?qū)挾?；v（zi）代表流風(fēng)速度。

3.2.2 層阻力功率譜特性與升力功率譜特性

以3 層、9 層、13 層為建筑測(cè)試點(diǎn)，分別模擬測(cè)試阻力功率和升力功率情況。模擬結(jié)果顯示，各個(gè)樓層阻力功率譜頻率差異較小，上限值為0.03，下限值為0.02，大部分阻力功率集中在該范圍內(nèi)，并且出現(xiàn)了峰值。除此之外，低頻范圍內(nèi)分布著少量峰值。從整體來(lái)看，各個(gè)樓層對(duì)應(yīng)的阻力功率譜數(shù)值形成的曲線變化規(guī)律基本相同，變化較為緩慢，并且峰值差異性不是很大。高頻部分形成的功率譜變化特點(diǎn)與之不同，曲線變化速度很快，在短時(shí)間內(nèi)大幅度下降。

沿著從低層到高層的順序，觀察層阻力功率譜特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)低頻部分逐漸減少，相反，高頻部分頻譜生成結(jié)果隨之增加。由此可以判斷，風(fēng)荷載高頻能量主要聚集在樓層比較高的位置。升力功率譜變化特點(diǎn)與之相似。

不同工況下，各個(gè)樓層模擬結(jié)果中對(duì)應(yīng)的阻力功率譜的變化特點(diǎn)，可以表明建筑底部阻力譜受建筑工程施工的影響大小，從流場(chǎng)干擾變化規(guī)律中提取重要信息總結(jié)要點(diǎn)。建筑第3 層該項(xiàng)參數(shù)數(shù)值較大，出現(xiàn)逐漸增加變化趨勢(shì)。與此同時(shí)，高頻與中頻數(shù)值也逐漸增加。由此可以判斷，當(dāng)建筑高度增加時(shí)，阻力譜所受影響有所減弱。

而后該試驗(yàn)又添加了工況變量，設(shè)置多個(gè)工況，經(jīng)過(guò)模擬操作，獲取各個(gè)樓層阻力功率譜與升力功率譜變化情況。從各工況條件下的阻力功率譜和升功率譜變化特點(diǎn)可以看出，受復(fù)雜地形影響，順風(fēng)建筑的風(fēng)荷載中高頻部分的脈動(dòng)成分有所提升，位于低頻處的脈動(dòng)成分出現(xiàn)了下降變化趨勢(shì)。另外，3 種工況中，工況1 的功率譜峰值最小，并且中、高頻升力功率譜偏大。根據(jù)上述分析，升力高頻脈動(dòng)情況下，可能導(dǎo)致地形及周邊建筑發(fā)生變化。

通過(guò)該試驗(yàn)的探究，總結(jié)不同工況下各個(gè)樓層阻力功率譜與升力功率譜變化情況，根據(jù)變化特點(diǎn)，總結(jié)超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各個(gè)樓層脈動(dòng)與周圍建筑變化的影響關(guān)系。方案決策中，建議根據(jù)建筑方案對(duì)周邊建筑的影響大小，適當(dāng)調(diào)整工程方案。投入使用之前，對(duì)調(diào)整后的方案再次模擬分析，直到符合工程質(zhì)量及安全要求。

4 結(jié)語(yǔ)

超高層雙塔建筑對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)水平要求較高，尤其是復(fù)雜地形環(huán)境，設(shè)計(jì)方案很有可能受地形影響，導(dǎo)致方案可行性較差。為了保證建筑工程得以順利實(shí)施，該文通過(guò)搭建模擬環(huán)境，在該環(huán)境下綜合考慮每項(xiàng)影響因素，以風(fēng)荷載特性作為重點(diǎn)分析對(duì)象，從模擬試驗(yàn)結(jié)果中總結(jié)一些復(fù)雜地形對(duì)建筑風(fēng)荷載的影響，從而為工程方案優(yōu)化提供更加全面的信息，為后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工落地奠定基礎(chǔ)。