超高層建筑體型選取及風(fēng)致響應(yīng)研究

風(fēng)負(fù)荷和地震的作用是高層建筑的兩大水平負(fù)荷，建筑物的體型配置受到嚴(yán)重影響。中國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對高層建筑的不同抗洪搶險(xiǎn)較大，但沒有風(fēng)荷載規(guī)定。隨著高層建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)各階自助頻率越來越低，風(fēng)負(fù)荷往往代替地震負(fù)荷成為水平控制負(fù)荷，“重地震輕風(fēng)”的趨勢應(yīng)該得到糾正。氣動外形的合理設(shè)置可以降低風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng),對于達(dá)到一定高度量級的超高層建筑,建筑體型優(yōu)化被認(rèn)為是最有效的氣動控制措施,因?yàn)橥ㄟ^建筑體型優(yōu)化來改變風(fēng)特性是“治本”的行為.某大高寬比方形截面建筑風(fēng)洞試驗(yàn)表明,該建筑橫截面尺寸增大7%,在設(shè)計(jì)風(fēng)速下的橫風(fēng)向響應(yīng)就會減小40%~45%,足見建筑體型對風(fēng)荷載的影響之大(本文認(rèn)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(fēng)荷載大小產(chǎn)生顯著影響,并有大量研究成果見諸報(bào)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(biāo)準(zhǔn)層斷面形狀作為著重點(diǎn),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(zhuǎn)、頂部開洞等.不足的是,既有體型優(yōu)化方面的相關(guān)研究未能將建筑物高寬比、長寬比等宏觀指標(biāo)考慮在內(nèi),事實(shí)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?yàn)樗墙ㄖ熢谠O(shè)計(jì)之初以及研究人員在研究對象選取時(shí)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(gè)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(chǔ)上,是否需要進(jìn)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(cè)重地提出并初步探討了這兩個(gè)問題,以期為超高層建筑初步設(shè)計(jì)、抗風(fēng)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(dāng)高層建筑高度達(dá)到一定量值時(shí)(如200m),通常要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),這就是說,既有超高層建筑是經(jīng)過抗風(fēng)驗(yàn)算后建成的,某些建筑還進(jìn)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(diǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義.圖1顯示了部分600m以上實(shí)際超高層建筑立面示意圖,其中,迪拜塔和長沙遠(yuǎn)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(zhuǎn),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(shè)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(yīng)建筑的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果.當(dāng)建筑高度大于500m時(shí),建筑斷面尺寸在全高度范圍內(nèi)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(nèi)收至45m.當(dāng)建筑高度小于500m時(shí),在結(jié)構(gòu)中部和下部的高度范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)層尺寸變化不大,而結(jié)構(gòu)頂部非標(biāo)準(zhǔn)層沿豎向則有較大變化,如環(huán)球金融中心進(jìn)行了開洞和內(nèi)收,石油雙塔采用了階梯式錐形內(nèi)收處理.事實(shí)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(jié)構(gòu)高寬比有一定增大,但并非呈單調(diào)增加趨勢,更沒有與建筑高度構(gòu)成線性比例關(guān)系.一般來說,由于抗震、抗風(fēng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程造價(jià)等因素的制約,這種“非線性”現(xiàn)象是必然的.但是,這種實(shí)際規(guī)律在抗風(fēng)理論研究中并沒有受到足夠重視,例如,當(dāng)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(shí),被研究對象的實(shí)際高寬比(H/B)則達(dá)到15.6,這顯然是不合理的,實(shí)際中也未出現(xiàn)此類建筑,對這些建筑進(jìn)行基礎(chǔ)性研究(如荷載特性)有一定指導(dǎo)意義,但進(jìn)行抗風(fēng)理論細(xì)化研究(如氣動阻尼識別和響應(yīng)評估模型建立)時(shí),將這些不合實(shí)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中所定義的高寬比是H/B,而在抗風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)、開槽、開洞等氣動優(yōu)化措施,其中上海明天廣場上部結(jié)構(gòu)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(fēng)優(yōu)化措施;350~600m的超高層建筑斷面形狀多為近似方形,標(biāo)準(zhǔn)層平面尤其是頂部非標(biāo)準(zhǔn)層平面形狀設(shè)置都起到了氣動優(yōu)化作用;600m以上的建筑則采取了強(qiáng)有力的氣動優(yōu)化方案,斷面形狀設(shè)置和沿高錐形內(nèi)收設(shè)計(jì)都明顯考慮了風(fēng)荷載效應(yīng).2風(fēng)洞試驗(yàn)及結(jié)果分析2.1最大基底應(yīng)力選取了若干200m以上實(shí)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(shí)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(fēng)洞試驗(yàn)布置見圖6,相關(guān)工程參數(shù)見表2.根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和隨機(jī)振動理論,可求得上述建筑的平均風(fēng)荷載和背景分量、慣性力分量等效風(fēng)荷載,并進(jìn)一步得到各建筑基底剪力和彎矩.表3顯示了不同風(fēng)向角下各建筑最大基底內(nèi)力,表中X,Y軸向分別代表矩形斷面建筑的強(qiáng)、弱軸向,對方形斷面建筑不區(qū)分強(qiáng)弱軸.可以看出,對于菩提金和宇洋金座兩個(gè)方形斷面建筑來說,兩軸向的等效風(fēng)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(fēng)荷載有明顯差別,其中,長江傳媒兩軸向等效風(fēng)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(yīng),從表4可以看出,弱軸向的風(fēng)致響應(yīng)明顯大于強(qiáng)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(qiáng)軸向加速度和位移之比分別達(dá)到了4.3和5.5.以武漢永清塔樓為例,進(jìn)一步分析不同風(fēng)向角下的風(fēng)致響應(yīng)(見圖7,風(fēng)向角與坐標(biāo)軸定義見圖8).可以看出,強(qiáng)軸向的加速度及位移響應(yīng)整體較小,弱軸向的風(fēng)致響應(yīng)則整體偏大,尤其當(dāng)弱軸向處于橫風(fēng)向時(shí),風(fēng)致加速度及位移響應(yīng)達(dá)到最大,且加速度響應(yīng)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(shí)上,不論風(fēng)致響應(yīng)是否超過了規(guī)范閾值,兩軸向加速度和內(nèi)力效應(yīng)差別如此之大必然會降低結(jié)構(gòu)效率,因而是不盡合理的.2.2高寬比對風(fēng)致位移響應(yīng)的影響以上分析案例是200~400m的超高層建筑,其分析結(jié)果證實(shí)了結(jié)構(gòu)長寬比選取對風(fēng)效應(yīng)有很大影響,但不足以說明高寬比對風(fēng)效應(yīng)的影響,因?yàn)檫@些建筑斷面形狀等參數(shù)不盡相同,無法進(jìn)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(fēng)致響應(yīng)也常在容許范圍之內(nèi).例如:武漢永清塔樓的高寬比(H/B)接近10,其加風(fēng)致響應(yīng)也只在很小程度上超過了規(guī)范閾值.我團(tuán)隊(duì)本世紀(jì)初的擺式氣彈模型試驗(yàn)研究也證實(shí),當(dāng)高度360m的高層建筑高寬比為9時(shí),在B,D類地貌下都未出現(xiàn)大幅渦激振動響應(yīng).但是,當(dāng)高層建筑的高度更高時(shí),結(jié)構(gòu)的上半部分將處于梯度風(fēng)高度之上,如果對高寬比不加限制,是否會在設(shè)計(jì)風(fēng)速內(nèi)出現(xiàn)大幅位移就值得考慮了.基于上述分析,本文進(jìn)行了多自由氣彈模型試驗(yàn),以對比文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)論.模型設(shè)計(jì)效果見圖9,該模型對應(yīng)的實(shí)際建筑尺寸為600m×60m×60m,對應(yīng)的實(shí)際頻率為0.1Hz,可調(diào)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(fēng)致位移響應(yīng)隨風(fēng)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(dāng)量質(zhì)量、空氣密度和迎風(fēng)面寬度.圖中數(shù)據(jù)是按縮尺比折算到實(shí)際后的結(jié)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(yīng),在梯度風(fēng)速57m/s(折合基本風(fēng)壓0.70kPa)時(shí),小斯克拉頓數(shù)建筑頂部側(cè)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(cè)移均方根值與高度之比也達(dá)到了1/410,把均方根位移劃算成極值位移后,將嚴(yán)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(fēng)效應(yīng)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(chǔ)上,并參考第1節(jié)的內(nèi)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(jìn)行專門的深入研究.3結(jié)構(gòu)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(fēng)面特征尺寸和平均風(fēng)速).矩形斷面超高層建筑長寬比較大時(shí),弱軸向的自振頻率偏低,當(dāng)來流垂直于短邊作用時(shí),漩渦脫落頻率較小,此時(shí)的尾流激振效應(yīng)會造成較大的橫風(fēng)向響應(yīng).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(jié)構(gòu)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(jìn)而造成大幅渦致響應(yīng)甚至渦激共振現(xiàn)象.另外,當(dāng)建筑高度較高時(shí),平均風(fēng)速剖面的沿高變化規(guī)律可能帶來兩方面的結(jié)果.一是上部較大的風(fēng)速會增大漩渦脫落頻率,使其更接近結(jié)構(gòu)頻率;二是風(fēng)速達(dá)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(fēng)荷載豎向相關(guān)性增大,從而引發(fā)大幅渦激振動響應(yīng),這也解釋了為什么高度越高的建筑高寬比限制越嚴(yán)格.綜上所述,降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)有3種方法:一是在考慮經(jīng)濟(jì)成本的前提下合理增大結(jié)構(gòu)剛度和頻率;二是通過結(jié)構(gòu)尺寸來改變漩渦發(fā)放頻率,比如適當(dāng)控制高寬比,并嚴(yán)格控制長寬比在一定限值內(nèi)(比如1.5);三是通過結(jié)構(gòu)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(dāng)然,在考慮適用性和經(jīng)濟(jì)性的前提下,使建筑物在不同重現(xiàn)期風(fēng)速下滿足安全性要求是抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(fēng)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(guān)系,即隨高度增加位移增大最快,過大側(cè)向位移可能引發(fā)結(jié)構(gòu)性或非結(jié)構(gòu)性破壞,P-Δ效應(yīng)產(chǎn)生的附加彎矩又會加劇結(jié)構(gòu)側(cè)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(jié)構(gòu)側(cè)向變形限制在一定范圍內(nèi).一般來說,增加結(jié)構(gòu)剛度有2種方式:一是改善材料強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置方式(尺寸、體系等);二是控制結(jié)構(gòu)高寬比和長寬比.第1種方式在增加結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)控制了結(jié)構(gòu)受風(fēng)面積,從而有效抑制了風(fēng)致靜力效應(yīng),第2種方式增加了結(jié)構(gòu)剛度和頻率,并使迎風(fēng)面尺寸D增大,降低了漩渦脫落頻率,使風(fēng)致動力效應(yīng)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(shí)的剪力滯后現(xiàn)象,進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)高寬比使結(jié)構(gòu)不至于過柔,并嚴(yán)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(fēng)效應(yīng)的影響,并概括性地分析了建筑豎向體型選取問題,結(jié)論有以下幾條:1)長寬比較大的超高層建筑弱軸向風(fēng)效應(yīng)顯著大于強(qiáng)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(jìn)行合理控制可顯著降低風(fēng)致響應(yīng),在建筑初步設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對此有所考慮.比如,在沒有有效的氣動控制措施時(shí),建筑長寬比不宜大于1.5,并嚴(yán)格控制在2以內(nèi),高寬比應(yīng)控制在10以內(nèi),且越高的建筑越對高寬比限制越嚴(yán)格.2)超高層建筑按體型特點(diǎn)可大致以350m和600m為界限分成3個(gè)級別.200~350