高层建筑抗风设计的安全性与经济性分析

高层建筑抗风设计的安全性与经济性分析

0风洞试验过程中存在的问题与对策随着城市化进程的加快，中国在高层和高层上建造了大量的建筑。建筑技术的进步和新材料的使用，使建筑高度越来越高，风荷载逐渐成为主要结构和防护结构的设计负荷。风致加速度也是高层建筑设计中应该考虑的一个新问题，尤其是位于中国东南沿海的台风区的高层建筑。但是高层建筑抗风设计是一门技术性与试验性很强的学科,需要综合风工程知识、《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)为了探析高层建筑抗风设计中存在的问题,本文首先对规范GB50009—2012中远场地貌类别、阵风风速剖面、围护结构极值负压、风速风向折减因子与气动阻尼比等参数在实际使用过程中存在的问题进行分析,然后通过实际的项目案例展示风洞试验过程中存在的问题,比如测试技术与分析参数的选取、设备故障判断与第三方独立试验等,最后基于笔者多年的项目经验给出对策,可为相关技术人员进行风洞试验管理与报告结果校核提供参考。1表中规定了gb50009-2012的不足规范GB50009—2012基于已有的风洞试验结果与风洞试验技术来指导高层建筑抗风设计,但不能考虑最新的风工程知识与风洞试验技术1.1国内规范对市场机制的比较地面粗糙度类别决定了设计风速的沿高分布,是高层建筑抗风设计的重要基本参数之一,其取值的合理性将会严重影响抗风设计的安全性与经济性表1为主要国内外规范针对开阔地貌(规范GB50009—2012中B类地貌)的比较。由表1可以发现,国内外开阔地貌的平均风剖面指数律α指数范围为0.14~0.15,对数律Z表2为主要国内外规范针对市郊地貌与一般城市市区(规范GB50009—2012中C类地貌)的比较。由表2可以发现,国内外市郊地貌的平均风剖面指数律α指数范围为0.20~0.25,对数律Z表3为主要国内外规范针对城市中心地貌(规范GB50009—2012中D类地貌)的比较。由表3可以发现,国内外城市中心地貌的平均风剖面指数律α指数范围为0.27~0.40,对数律Z从上面的比较分析可以看出,规范GB50009—2012关于地貌类别的判定标准没有国外规范具体,在相同的平均风剖面指数情况下,规范GB50009—2012中对应的实际建筑布置比同类国际规范更为粗糙,即在相同的建筑布置下,规范GB50009—2012采用的平均风剖面沿高分布比国外规范更为保守。在实际工程应用中,建议采用国际通用EngineeringSciencesDataUnit1.2风的风剖面图2为规范GB50009—2012,AIJ20041.3．风速设计偏保守规范GB50009—2012没有提供不同区域的风速风向折减因子,但是风洞试验标准中规定:当考虑风速风向折减时,风速风向折减因子不应小于0.85。基于风工程理论,每个城市不同风向的极值风速在概率意义上是确定的,即每个城市都存在主导风向与非主导风向,采用全风向设计(不考虑风速风向折减)是偏保守的。图3为我国内陆典型城市的风速风向折减因子。从图中可以看出,该城市的主导风向为西北风。对于风荷载,一般与风速的平方成正比,对于加速度响应,一般与风速的三次方成正比。图3说明考虑风速风向折减因子并没有减小抗风设计的安全度(即最大风速方向没有折减),但是对其他风向的风荷载与加速度响应进行了优化。在实际工程应用中,建议详细考虑风向效应以消除设计中不必要的保守性,并重点考虑主要风向和极限风速,从而使项目总体可靠性和安全性得到进一步提升。1.4围护结构极值风压由于横风向的风致振动机理不符合准定常理论假定,规范GB50009—2012增加了矩形截面高层建筑的横风向风荷载与加速度响应的计算公式,但是依然采用准定常理论假定计算围护结构的风压,即假定极值风压沿高度的变化规律与风速沿高度的变化趋势一致1.5气动阻尼比估算当采用规范GB50009—2012对某些高层建筑进行横风向风荷载与加速度响应计算时,有时会出现横风向风荷载与加速度响应是顺风向风荷载及其加速度响应数倍的情形,主要是由于规范GB50009—2012给出了气动阻尼比的估算公式。图5为当结构阻尼比在2%时,总阻尼比随折算周期的变化规律。当折算周期小于1时,气动阻尼比为正值,最大值约为1%;当折算周期超过1时,气动阻尼比迅速减小,最小为-0.6%,从而导致结构总阻尼比从2%降为1.4%、横风向风荷载与加速度响应成倍增加。在实际工程项目设计过程中,若采用规范GB50009—2012计算得到的横风向风荷载与加速度响应显著大于顺风向风荷载及其加速度响应,建议应通过风洞试验进行复核,以确定气动阻尼取值的合理性,从而确保项目的安全性与经济性2风压试验方案对于高层建筑主体结构抗风设计,一般采用高频测力天平试验技术(HFFB)与高频压力积分试验技术(HFPI)两种试验方案,若结构风致动力响应特别显著,还应采用气动弹性模型试验来进一步验证结构在强风下的安全性;对于围护结构,抗风设计一般采用覆面测压技术。下面给出实际风工程项目中出现的问题,以期为结构设计人员审核风洞试验方案与结果提供参考。2.1hffb或hfdii试验设计在项目招标工作时,不同试验单位选择的试验方案是不同的。在国内市场,由于测压试验模型制作的便易性,很多风洞试验单位推荐采用HFPI技术。理论上,只要测压点足够多,HFPI技术可以得到任何高层建筑的风荷载。但是若采用的管道长度不符合要求,气动力谱中高频部分的能量将不能被捕捉。图6为两家不同试验单位的无量纲基底弯矩谱对比,其中一家试验单位的管道长度满足规定要求,另外一家的管道长度超过了规定要求。从图6可以看出,长管道试验单位的共振响应偏小,若管道过长,可能会造成设计隐患。对于外形不规整、存在百叶等开口立面的复杂高层建筑,由于当前可同步测点数量、管道长度、模型制作技术等限制,不能保证每个测点范围内的风压完全相关,HFPI技术很难给出准确的主体结构设计风荷载,建议采用HFFB技术。理论上,只要HFFB模型轻质高强、频率较高,HFFB技术能够得到安全的主体结构设计风荷载。若HFFB模型频率不能满足要求,将会导致风荷载与风致响应的共振分量过大。图7为HFFB模型不满足高频要求时对气动力谱的影响,其中纵坐标为无量纲基底弯矩谱,横坐标为折减频率。模型-天平系统自振频率太低将会导致项目设计频率范围内频谱过大,从而导致风振分量过大,特别是加速度响应。关于HFFB技术与HFPI技术的选择问题,还应考虑设计进度的影响。由于HFPI试验模型与覆面测压试验模型一般为同一个模型,且覆面测压试验模型需要提供围护结构的相关设计细节,属于扩初设计阶段或施工图前期。若基于该阶段设计资料进行试验,可能不能满足主体结构的抗震超限审查时间节点与地基基础设计。为了满足不同阶段的设计要求,建议在方案设计完成后进行HFFB试验,为地基基础设计与主体结构超限审查提供支持;当设计完成50%扩初以后,进行覆面测压试验,同时可通过HFPI技术考虑建筑设计变更对主体结构风荷载的影响,从而在最大程度上实现风工程对项目的价值。2.2测力样设备故障风洞试验作为一门试验技术,在风洞试验前应确保试验设备的有效性,同时还应基于风工程理论知识在处理数据阶段进一步判断试验设备的有效性,比如HFFB试验的天平通道是否正常运行、测压试验的测点是否存在坏点等。图8为某项目测力天平设备出现故障对风洞试验结果的影响。从图中可以看出,基底剪力平均值为零时对应的基底弯矩平均值不为零(达到基底弯矩平均值最大值的40%)。对于不能满足风工程基本理论的试验结果,要查明原因后才能决定是否应基于该风洞试验结果进行设计。2.3结构动力特性风振分析方法高层建筑风荷载与风致响应是基于风洞试验原始数据,同时结合结构动力特性,再选取相应的风振分析方法计算分析得到。影响参数主要包括结构动力特性、远场地貌类别、风速风向折减因子、峰值因子等。下面主要对结构动力特性与远场地貌类别进行说明。(1)结构动力特性的影响高层建筑主体结构风荷载与风致响应受结构动力特性影响。很多设计单位在实际设计过程中没有要求风洞试验单位在施工图阶段基于最终的结构动力特性对风荷载进行更新,主要是设计人员不了解塔楼风荷载是随结构动力特性变化而改变的。表4为某330m塔楼在施工图阶段的前三阶周期从6.6/6.5/2.6s变为5.6/5.3/2.7s后基底气动力的变化。从表中可以看出,基底弯矩M(2)覆面测压试验风洞试验的远场地貌类别是风洞试验的基本输入资料,若采用过于保守的地貌类别,将会导致过于保守的风洞试验结果。某国外风洞试验单位对上海市中心城区的某200m高层建筑采用类似规范GB50009—2012中C类地貌进行了覆面测压试验。经审核后发现由于对我国地貌不熟悉,导致地貌类别过于保守。图9为两种地貌类别对围护结构设计风压的影响,图中数值为风压,kPa。采用调整后的地貌能够减小15%以上的围护结构设计风压。2.4风洞试验的结果分析风洞试验标准建议对高度大于400m的超高层建筑或高度大于200m的连体建筑进行第三方独立风洞试验。另外,上海市《建筑幕墙工程技术规范》(DGJ08-56—2012)若两家风洞试验单位采用相同的输入参数,且采用相同的分析方法,双方结果一般比较一致。如果基本输入参数不同,最终的风洞试验结果可能会相差较大。若试验报告结果不经风工程专家进行审核,简单地采用包络设计是不合理的。3hfps试验结果的优点分析基于上述分析,建议通过以下策略改善高层建筑抗风设计的安全性与经济性:(1)通过远场地貌分析(ESDU工具)与风气候分析(基于当地风气候数据与台风模拟)来消除规范GB50009—2012地貌类别的判定(相同远场地貌)与全风向设计(不考虑风速风向折减效应)中可能存在的保守性。若高长细比的高层建筑在高风速下按照规范GB50009—2012估算的横风向风荷载与顺风向风荷载相差悬殊,建议通过风洞试验得到该项目的风荷载,并验证规范气动阻尼比取值的合理性。(2)通过ESDU工具消除规范GB50009—2012阵风风压剖面在梯度风高度处随着粗糙度的增大而增大的不合理性,以及基于风洞试验消除围护结构极值风压准定常理论假定导致风压分布的不合理性。(3)HFFB技术可为高层建筑提供安全的设计风荷载,但是应校核试验模型能否满足高频的要求。在同步测点足够的情况下,HFPI技术理论上可为所有高层建筑提供合理的设计风荷载,但是应校核管道长度与测点布置的影响。由于同步测点数目的限制与模型制作的精度要求,HFPI技术不能为复杂建筑(复杂开洞与格式顶部塔冠)提供准确的设计风荷载。设计人员在试验开始前应对试验设备与试验模型进行校核,也应通过风工程理论对试验结果进行复核。(4)为了满足不同设计阶段的要求,建议在方案设计完成后进行HFFB试验,为地基基础设计与主体结构抗震超限审查提供支持;当设计完成50%初步设计以后,建议进行覆面测压试验,同时也可通过HFPI技术考虑建筑设计变更对主体结构风荷载的影响,从而在最大程度