日立电梯试验塔结构抗风设计.docx

日立电梯试验塔结构抗风设计童骏( 华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)摘 要 通过对日立电梯试验塔风洞试验结果的分析，表明试验塔原设计方案容易引起结构横风向共振，结构横风向的最大基底剪力以及基底弯矩的响应值可以达到顺风向的 3 倍左右。在结构设计中通 过对建筑外形以及结构动力特性等方面的调整，使结构横风向的最大基底剪力以及基底弯矩的响应值 减小至与顺风向基本相当，并在实际工程设计中予以采用。表明横风向作用在该类结构抗风设计中的 起着不可忽视的作用，并针对这一特点提出了在结构设计中可以应用的加强措施。关键词 电梯试验塔，高耸建筑，横风向作用，抗风设计Wind-Resistant Design of Hitachi-Elevator-TowerTONG Jun( East China Architectural Design Research Institute Co ，Ltd ，Shanghai 200002，China)Abstract The wind tunnel test result of Hitachi-Elevator-Tower was analyzed in the paper It indicated thatthe original architectural scheme would probably induce sympathetic vibration of the structure under action of across-wind load The base moment and the base shear response under action of across-wind load were three times of those under action of leeward-wind load Through the adjustment of its shape and dynamic characteristic the base moment and the base shear response under action of across-wind load almost equal to those under action of leeward-wind load This adjustment was adopted in the structural design It was pointed out that the across-wind load should not be ignored in this kind of the structure According to this character some strengthening measures was adopted in the structural designKeywords elevator-tower，high-rise building，across-wind load，wind-resistant design引言横风向荷载的基本原理12本工程位于上海西部市郊青浦工业园区内，该建筑主要功能为供高速电梯试验使用，主体结 构高度约为 167 m，平面呈正方形，结构的高宽比 约为 9 1，外形尺寸为 18 m 18 m，在 135 m 高处 四周挑出，形成观光层( 图 1 ) 。结构体系为钢筋 混凝土剪力墙结构。在强风作用下容易引起结构 横风向的共振效应。本文主要就该工程横风向荷 载的取值、结构体形的调整、影响结构横风向荷载 的因素以及横风向荷载在实际工程中的应用等方 面进行阐述。结构的风效应可分为顺风向效应、横风向效应以及共振效应等。在一般情况下顺风向效应在 工程中起主要作用。但在特殊情况下横风向效应 在结构设计中成为不可忽视的影响因素。结构的横风向效应主要是由于强风吹过高楼 时，在高楼横风面形成不对称的气流漩涡，漩涡从 两侧交替脱落，对高楼产生左右交替作用的横风 向冲击力，如图 2 所示。结构在亚临界、跨临界范围受周期性的漩涡 形成脱落影响，将产生周期性的确定振动; 结构在收稿日期: 2011 02 21* 联系作者，Email: tj_tongjun 163 comStructural Engineers Vol 27，No 3Earthquake and Wind Resistance76风洞试验结果3规范仅对外形为圆柱形或标准矩形截面的建筑提出横风向等效静力荷载的计算公式，本工程 在结构上部观光层周边向外悬挑，并在其上方形 成局部凸出部位，因此本工程委托同济大学进行 了详细的风洞试验、风振响应以及等效静力风荷 载的研 究。 在 原设计方案中建筑平面尺寸为 16 8 m 16 8 m 的正方形，结构 Y 向振型第一自 振频率 f1 = 0 3 Hz，图 4 为结构横风向一阶振型 简图，振型指数 = 1 5。经过风洞试验分析得到100 年重现期风荷载作用下的结构响应如图 5、图6 所示。图 1 日立电梯试验塔效果图Fig 1 Architectural effect drawing ofHITACHI Elevator Tower图 2 横风向漩涡脱落示意图Fig 2 Illustration of vortex-sheddingHITACHI Elevator Tower图 3 风洞试验平面图Fig 3 Plan of the wind tunnel test超临界范围由于漩涡脱落不规则，将产生不规则的随机振动。当气流漩涡周期性脱落的频率与 结构自振频率一致时，将产生比静力作用大几十倍 的共振响应。而结构处于亚临界范围内时虽然也 可能发生共振，但由于风速较小，对结构作用不如 跨临界范围严重，通常可用构造方法加以处理。对 于超临界范围，由于不能产生增大几十倍的共振响 应，工程上常不作进一步的处理。由于跨临界范围 的风速大且气流漩涡呈周期性脱落，若引起共振对 结构的影响较大，所以工程上通常把注意力集中在 跨临界范围的共振响应上。本文所讨论的结构处于跨临界范围，结构自振 周期靠近气流漩涡周期性脱落的频率，结构的横风 向共振效应成为结构设计中不可忽视的因素。图 4 横风向一阶振型简图Fig 4 First vibration mode of the cross wind从图 5、图 6 可以看出结构在强风作用下发生横风向共振，尤其在风向角为 0 的风作用下共抗震与抗风结构工程师第 27 卷第 3 期77振效应更加明显。其横风向的基底弯矩响应约为顺风向的 3 倍。而影响横风向共振的主要参数为 结构频率折算值 n1 ，见式( 1) 。( 1)n1 = f1 B / UH式中，f1 为高层建筑横风向一阶频率; B 为高层建筑的迎风面宽度; UH 为高层建筑的顶部风速。图 7 按规范计算原方案基底弯矩响应值Fig 7 Base moment of the original scheme calculated according to code图 5 原方案基底弯矩响应值Fig 5 Base moment of the original scheme图 8 按规范计算原方案基底剪力响应值Fig 8 Base shear of the original schemecalculated according to code造成结构等效静力风荷载相差较大的主要是因为试验塔在 135 m 以上的体型并非为标准立方 体，而是由 4 个长方体组成的一个复杂体型，这种 复杂的体型造成了沿高度方向结构角部漩涡脱落 不一致，大大削弱了横风向作用。图 9 为试验塔 与标准立方柱的横风向折算基底弯矩比较。从图 中可以看出，由于建筑上部的复杂体型对结构横 风向作用的影响。图 6 原方案基底剪力响应值Fig 6 Base shear of the original scheme平面尺寸为 16 8 m 16 8 m 的正方形计算所得到的结构频率折算值 n1 与标准方柱共振频 率折算值( 约 0 1 ) 非常接近，容易引起结构的横 风向共振。风洞试验结果与规范对比4根据上海高层建筑钢结构设计规程中的公式( 6 2 1 1) 进行等效顺风向静力荷载计算， 根据其附录 B 中的公式以( 16 8 m 16 8 m) 的 标准方形截面进行横风向等效静力风荷载的计 算，所得到的结构等效静力风荷载如图 7、图 8 所示。从图 5图 8 的结果可以看出，风洞试验的 结果与规范计算的结果对比有以下特点: 结构 等效顺风向静力荷载基本相近; 结构等效横风 向静力荷载相差较大。图 9 横风向折算基底弯矩谱比较( 日立电梯标准方柱)Fig 9 Comparison of base moment spectrum( HitachiElevator TowerStandard square columnStructural Engineers Vol 27，No 3Earthquake and Wind Resistance78的结构在强风作用下横风向共振效应有较明显的减小，横风向的基底弯矩响应及基底剪力响应与 顺风向基本相当，对结构刚度及承载力要求相对 合理。因此实际设计采用了方案( 2) 。结构形体调整5考虑到原设计方案的横风向共振效应对于结构设计造成较大的影响，超过了结构的承载能力， 需对原设计方案进行调整。根据横风向共振产生 的原理，拟定了两个调整方案。( 1) 在平面的 4 个角部设置削角。根据上 海高层建筑钢结构设计规程中附录 B 的规定， 在结构角部设置削角可改善结构的横风向共振效 应。在原方案的基础上在平面的 4 个角部设置长 度为 1 2 m 的削角，如图 10 所示。图 11 调整方案基底弯矩响应值Fig 11 Base moment of the revised scheme图 12 调整方案基底剪力响应值Fig 12 Base shear of the revised scheme图 10 角部设置削角后平面Fig 10 Plan with the corner cut经分析表明虽然角部设置削角对结构的横风向共振效应有一定的改善，但角部削角对结构整 体抗侧刚度略有削弱，导致结构横风向一阶振动 频率的降低，相应减小了结构频率折算值 n1 ，使其更加接近横风向共 振区，综合以上两个因素采用在平面角部设置削 角的方案对结构横风向共振效应的改善效果不明 显，且角部的削角对建筑的使用功能以及外观效果造成一定的影响。( 2) 增大结构平面尺寸。将建筑平面调整为18 0 m 18 0 m 的正方形，此种方法可对结构频 率折算值 n1 的两个参数进行调整，结构 Y 向第一 自振频率上升为 f1 = 0 33 Hz，迎风面的宽度也相 应加大为 18 0 m，导致结构频率折算值 n1 比原方 案增大了 20% 。经风洞试验数值模拟分析得到结构的响应如 图 11、图 12 所示。从图 11、图 12 可以看出，按方案( 2 ) 调整后6横风向荷载在工程设计中的应用本工程的结构设计中考虑了横风共振效应的影响。由于顺风向作用与横风向共振效应同时发 生，结构同时承受 X，Y 两个方向的水平力作用， 在控制结构层间位移时考虑了两个方向层间位移22 经计算分析的效应组合，即 S = 槡( Sx )+ ( Sy )表明结构在风荷载下的层间位移为 1 /900，满足规范限值 1 /870 的要求。由于 X，Y 两个方向倾覆弯矩的同时作用，结 构筒体角部会承受较大的力，尤其在结构筒体基 底角部的墙体在强风作用下可能会出现拉力。在 结构设计中采用了以下措施:( 1) 在桩 筏基础设计中在筏板的四个角 部设置了配筋相对较大的抗拔桩( 图 13 ) ，用以 承受风荷载组合工况下在结构角部可能产生的 拉力。抗震与抗风结构工程师第 27 卷第 3 期79Zhang X T Wind Engineering of Structure MBeijing: China architecture building press，2006 ( inChinese)上海市机电设计研究院有限公司 DG / TJ 08 3232008 ，J111952008高层建筑钢结构设计规程S 上海: 上海市建设和交通委员会，2008Shanghai Institute of Mechanical ElectricalEngineering Co ， Ltd DG / TJ08 322008J111952008 Specification for steel structure design of tall buildings S Shanghai: Shanghai Municipal Construction and Transportation Commission，2008 ( in Chinese)中国建筑科学研究院 GB 500092001建筑结构 荷载规范S 北京: 中国建筑工业出版社，2002 Ministry of Construction of the People s Republic of China GB 500092001 Load code for the design of building structureS Beijing: China Architecture Building Press，2002 ( in Chinese)全涌，顾明 高层建筑横风向风致响应及等效静力 风荷载的分 析 方 法J 工 程 力 学，2004，21 ( 1 ) :26-30Quan Y，Gu M Analytical method of across wind response and equivalent static wind loads of high-rise buildingsJ Engineering Mechanics，2004，21 ( 1 ) :26-30 ( in Chinese)全涌，曹会兰，顾明 高层建筑横风向风效应研究综 述J 同济大学学报( 自然科学版) ，2010，38 ( 6 ) :810-818Quan Y，Cao H L，Gu M Cross wind effect of high- rise buildings: state of art J Journal of Tongji University( Natural Science ) ，2010，38 ( 6 ) : 810-818( in Chinese)张相庭 横风向旋涡脱落共振响应分析及在规范上 的应用J 建筑科学，2000，16( 6) : 22-25Zhang X T Analysis of across wind vortex shedding resonance and its application to code J Building Science，2000，16( 6) : 22-25 ( in Chinese)梁枢果 矩形高层建筑横风向风致响应简化计算J 建筑结构学报，2004，24( 5) : 48-54Liang S G Simplified evaluation of acro