超高層建筑體型選取及風致響應研究

超高層建筑體型選取及風致響應研究

風負荷和地震的作用是高層建筑的兩大水平負荷，建筑物的體型配置受到嚴重影響。中國《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》對高層建筑的不同抗洪搶險較大，但沒有風荷載規(guī)定。隨著高層建筑高度的增加，結構各階自助頻率越來越低，風負荷往往代替地震負荷成為水平控制負荷，“重地震輕風”的趨勢應該得到糾正。氣動外形的合理設置可以降低風敏感結構的風致響應,對于達到一定高度量級的超高層建筑,建筑體型優(yōu)化被認為是最有效的氣動控制措施,因為通過建筑體型優(yōu)化來改變風特性是“治本”的行為.某大高寬比方形截面建筑風洞試驗表明,該建筑橫截面尺寸增大7%,在設計風速下的橫風向響應就會減小40%~45%,足見建筑體型對風荷載的影響之大(本文認為,建筑高寬比和長寬比亦屬于廣義建筑體型的范疇).對于一般量級的超高層建筑(如300m),不同建筑外形也會因風荷載大小產生顯著影響,并有大量研究成果見諸報道.整體來看,既有體型優(yōu)化研究是圍繞兩方面展開的,一是以標準層斷面形狀作為著重點,例如倒角、削角等;二是建筑斷面沿豎向的尺寸及形狀變化,如錐化、扭轉、頂部開洞等.不足的是,既有體型優(yōu)化方面的相關研究未能將建筑物高寬比、長寬比等宏觀指標考慮在內,事實上,超高層建筑長寬比、高寬比的合理確定是后續(xù)工作的前提,因為它是建筑師在設計之初以及研究人員在研究對象選取時首先要考慮的問題.因而,一方面超高層建筑高寬比和長寬比本身有一個合理的選取范圍需要專門分析,另一方面,在此取值范圍的基礎上,是否需要進一步做氣動優(yōu)化,采用何種優(yōu)化方式及其優(yōu)化效果也值得探討.本文有所側重地提出并初步探討了這兩個問題,以期為超高層建筑初步設計、抗風研究對象選取和體型優(yōu)化研究的下一步工作等提供參考.1斷面形狀的變化當高層建筑高度達到一定量值時(如200m),通常要進行風洞試驗,這就是說,既有超高層建筑是經過抗風驗算后建成的,某些建筑還進行了專門的氣動優(yōu)化分析.因此,綜合分析既有超高層建筑的體型特點具有現(xiàn)實意義.圖1顯示了部分600m以上實際超高層建筑立面示意圖,其中,迪拜塔和長沙遠大高樓沿高度方向(簡稱“沿高”,下同)階梯式收縮,印度塔為沿高線性收縮的傾斜面體型,上海中心大廈斷面為弧形線條整合而成,沿高有較大程度的扭轉,武漢綠地中心斷面形狀為帶弧角的“三瓣形”,斷面尺寸沿高有一定收縮,并在建筑外部多處設有開槽.圖2顯示了部分400~600m超高層建筑立面形狀,圖3給出了對應建筑的標準層平面圖.從圖1~圖3可以看出,對于400m以上的超高層建筑,其標準層平面形狀通常是對方形平面的角部或四周稍加改造的結果.當建筑高度大于500m時,建筑斷面尺寸在全高度范圍內沿豎向有一定收縮,如天津高銀117大廈斷面尺寸由65m逐漸內收至45m.當建筑高度小于500m時,在結構中部和下部的高度范圍內,標準層尺寸變化不大,而結構頂部非標準層沿豎向則有較大變化,如環(huán)球金融中心進行了開洞和內收,石油雙塔采用了階梯式錐形內收處理.事實上,300~400m的超高層建筑也近似有同樣的規(guī)律,例如:香港中環(huán)廣場、廣州中心廣場等,此處限于篇幅不一一列出.表1給出了部分300~600m超高層建筑的高寬比(H/B,B為斷面短邊尺寸),可以看出,隨建筑物的高度增加,結構高寬比有一定增大,但并非呈單調增加趨勢,更沒有與建筑高度構成線性比例關系.一般來說,由于抗震、抗風、結構設計、工程造價等因素的制約,這種“非線性”現(xiàn)象是必然的.但是,這種實際規(guī)律在抗風理論研究中并沒有受到足夠重視,例如,當矩形截面長寬比(D/B,D為斷面長邊尺寸)和高寬比分別為3和9時,被研究對象的實際高寬比(H/B)則達到15.6,這顯然是不合理的,實際中也未出現(xiàn)此類建筑,對這些建筑進行基礎性研究(如荷載特性)有一定指導意義,但進行抗風理論細化研究(如氣動阻尼識別和響應評估模型建立)時,將這些不合實際的建筑囊括其中卻意義甚微.要說明的是,《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中所定義的高寬比是H/B,而在抗風研究中通常使用的高寬比是圖4和圖5分別給出了部分300m以下超高層建筑的立面圖和平面圖.可以看出,這些建筑標準層截面形狀差別很大,涵蓋了八邊形、六邊形、疊加方形、工字型、矩形等截面形式,從建筑立面來看,斷面形狀沿高沒有明顯變化,也未出現(xiàn)收縮、扭轉、開槽、開洞等氣動優(yōu)化措施,其中上海明天廣場上部結構的斷面尺寸甚至有所增加.至此,可將200m以上的超高層建筑按體型和高度大致分為I,II,III3類,分別為:200~350m,350~600m,600m以上.具體來說,350m以下的超高層建筑斷面形狀相對多樣化,斷面尺寸沿豎向變化不大,沒有明顯的抗風優(yōu)化措施;350~600m的超高層建筑斷面形狀多為近似方形,標準層平面尤其是頂部非標準層平面形狀設置都起到了氣動優(yōu)化作用;600m以上的建筑則采取了強有力的氣動優(yōu)化方案,斷面形狀設置和沿高錐形內收設計都明顯考慮了風荷載效應.2風洞試驗及結果分析2.1最大基底應力選取了若干200m以上實際工程做為分析對象,為增加可比性,所選對象主要為武漢地區(qū)的實際高層建筑,分別為:福州宇洋中央金座、菩提金國際金融中心、武漢證劵大廈、長江傳媒大廈、武漢中華城、武漢永清A1塔樓.各建筑風洞試驗布置見圖6,相關工程參數(shù)見表2.根據(jù)風洞試驗數(shù)據(jù)和隨機振動理論,可求得上述建筑的平均風荷載和背景分量、慣性力分量等效風荷載,并進一步得到各建筑基底剪力和彎矩.表3顯示了不同風向角下各建筑最大基底內力,表中X,Y軸向分別代表矩形斷面建筑的強、弱軸向,對方形斷面建筑不區(qū)分強弱軸.可以看出,對于菩提金和宇洋金座兩個方形斷面建筑來說,兩軸向的等效風荷載大小基本相等,其比值都在1.01~1.17之間,而矩形斷面建筑兩軸向等效風荷載有明顯差別,其中,長江傳媒兩軸向等效風荷載之比在1.32左右,尤其對長寬比較大的武漢中華城和武漢永清,該比值超過了2.0.表4顯示了矩形斷面建筑最高居住層加速度和頂部位移響應,從表4可以看出,弱軸向的風致響應明顯大于強軸向,尤其是對于高349m、長寬比為2.0的武漢永清塔樓,其弱軸向與強軸向加速度和位移之比分別達到了4.3和5.5.以武漢永清塔樓為例,進一步分析不同風向角下的風致響應(見圖7,風向角與坐標軸定義見圖8).可以看出,強軸向的加速度及位移響應整體較小,弱軸向的風致響應則整體偏大,尤其當弱軸向處于橫風向時,風致加速度及位移響應達到最大,且加速度響應和部分層間位移角超過了我國規(guī)范規(guī)定的最大限值.事實上,不論風致響應是否超過了規(guī)范閾值,兩軸向加速度和內力效應差別如此之大必然會降低結構效率,因而是不盡合理的.2.2高寬比對風致位移響應的影響以上分析案例是200~400m的超高層建筑,其分析結果證實了結構長寬比選取對風效應有很大影響,但不足以說明高寬比對風效應的影響,因為這些建筑斷面形狀等參數(shù)不盡相同,無法進行對比分析,并且這些建筑高度并不太高,即便建筑高寬比較大,其風致響應也常在容許范圍之內.例如:武漢永清塔樓的高寬比(H/B)接近10,其加風致響應也只在很小程度上超過了規(guī)范閾值.我團隊本世紀初的擺式氣彈模型試驗研究也證實,當高度360m的高層建筑高寬比為9時,在B,D類地貌下都未出現(xiàn)大幅渦激振動響應.但是,當高層建筑的高度更高時,結構的上半部分將處于梯度風高度之上,如果對高寬比不加限制,是否會在設計風速內出現(xiàn)大幅位移就值得考慮了.基于上述分析,本文進行了多自由氣彈模型試驗,以對比文獻的試驗結論.模型設計效果見圖9,該模型對應的實際建筑尺寸為600m×60m×60m,對應的實際頻率為0.1Hz,可調阻尼范圍為ξ=1%~3%,這些參數(shù)與既有建筑比較一致.圖10顯示了風致位移響應隨風速的變化曲線.圖中各參數(shù)含義為:斯克拉頓數(shù)Sc=2Mξ/(ρD2);M,ρ,D分別為均勻當量質量、空氣密度和迎風面寬度.圖中數(shù)據(jù)是按縮尺比折算到實際后的結果.可以看出,在B類和D類流場中該建筑都出現(xiàn)了大幅渦致位移響應,在梯度風速57m/s(折合基本風壓0.70kPa)時,小斯克拉頓數(shù)建筑頂部側移均方根值與高度之比為1/250,大斯克拉頓數(shù)建筑頂部側移均方根值與高度之比也達到了1/410,把均方根位移劃算成極值位移后,將嚴重超過我國規(guī)范閾值.2.3系統(tǒng)體型氣動優(yōu)化的方法確定明確建筑的長寬比、高寬比對風效應的影響規(guī)律后,就容易得出不同高度建筑長寬比與高寬比的合理取值范圍,然后可在此取值范圍的基礎上,并參考第1節(jié)的內容,最終初步確定出建筑在水平向和豎向的體型氣動優(yōu)化方式,如角部處理、錐化處理、頂部開洞等.至于這些優(yōu)化方式的具體效果如何則需要進行專門的深入研究.3結構剛度與剛度對于不同長寬比的矩形斷面柱體來說,斯托羅哈數(shù)St隨著長寬比的增大而減小,由此可求得漩渦脫落頻率(n=vSt/D,D,v分別為迎風面特征尺寸和平均風速).矩形斷面超高層建筑長寬比較大時,弱軸向的自振頻率偏低,當來流垂直于短邊作用時,漩渦脫落頻率較小,此時的尾流激振效應會造成較大的橫風向響應.對于不同高寬比的高層建筑來說,高寬比的增大常常伴隨著結構頻率的降低和特征尺寸D的相對減小,加之表征漩渦脫落頻率的無量綱參數(shù)St較小,漩渦脫落頻率就更容易接近建筑自振頻率,進而造成大幅渦致響應甚至渦激共振現(xiàn)象.另外,當建筑高度較高時,平均風速剖面的沿高變化規(guī)律可能帶來兩方面的結果.一是上部較大的風速會增大漩渦脫落頻率,使其更接近結構頻率;二是風速達到一定高度后近似保持不變,該高度之上的漩渦發(fā)放頻率比較一致,使得建筑物的風荷載豎向相關性增大,從而引發(fā)大幅渦激振動響應,這也解釋了為什么高度越高的建筑高寬比限制越嚴格.綜上所述,降低結構響應有3種方法:一是在考慮經濟成本的前提下合理增大結構剛度和頻率;二是通過結構尺寸來改變漩渦發(fā)放頻率,比如適當控制高寬比,并嚴格控制長寬比在一定限值內(比如1.5);三是通過結構的斷面形狀及豎向外形優(yōu)化來改變漩渦發(fā)放的特性.當然,在考慮適用性和經濟性的前提下,使建筑物在不同重現(xiàn)期風速下滿足安全性要求是抗風設計的最終目的,因而,是否有必要采取氣動控制措施以及采取何種控制措施不是一成不變的,而是對不同基本風壓的地區(qū)要區(qū)別對待.由于軸力、彎矩、位移與建筑高度分別呈線性、平方和四次方的關系,即隨高度增加位移增大最快,過大側向位移可能引發(fā)結構性或非結構性破壞,P-Δ效應產生的附加彎矩又會加劇結構側向變形,因而,高層建筑不僅需要較大承載力,而且需要較大的剛度,使結構側向變形限制在一定范圍內.一般來說,增加結構剛度有2種方式:一是改善材料強度或結構構件布置方式(尺寸、體系等);二是控制結構高寬比和長寬比.第1種方式在增加結構剛度的同時控制了結構受風面積,從而有效抑制了風致靜力效應,第2種方式增加了結構剛度和頻率,并使迎風面尺寸D增大,降低了漩渦脫落頻率,使風致動力效應得到有效控制,長寬比的控制會改善矩形斷面建筑承受水平荷載時的剪力滯后現(xiàn)象,進而增加結構效率.顯然,對于超高層建筑,采用第2種方法是更為有效的,即控制結構高寬比使結構不至于過柔,并嚴格限制長寬比避免明顯弱軸的出現(xiàn).4建筑高寬比、寬度比本文主要研究了高寬比、長寬比對建筑風效應的影響,并概括性地分析了建筑豎向體型選取問題,結論有以下幾條:1)長寬比較大的超高層建筑弱軸向風效應顯著大于強軸向,高寬比較大的高層建筑頂部位移較易超過規(guī)范閾值,對建筑長寬比和高寬比進行合理控制可顯著降低風致響應,在建筑初步設計時應對此有所考慮.比如,在沒有有效的氣動控制措施時,建筑長寬比不宜大于1.5,并嚴格控制在2以內,高寬比應控制在10以內,且越高的建筑越對高寬比限制越嚴格.2)超高層建筑按體型特點可大致以350m和600m為界限分成3個級別.200~350