结构风荷载的超高层建筑参数研究

精品文档-下载后可编辑结构风荷载的超高层建筑参数研究《广东土木与建筑杂志》2022年第七期

1矩形截面时高宽比影响分析

以40m×40m×200m作为基准工况，研究高宽比变化引起的单体高层建筑表面分布风压以及总基底力系数的变化规律，各工况参数见表1的工况1～6。图2给出了工况1～6模型宽边迎风时4个侧面以及顶部的风压系数分布云图。可见，在平面尺寸不变的情况下，随着模型高度的增加，模型迎风面和背风面局部风压系数绝对值均有一定程度的增大。当高度增加到150m（即长细比为3.75）时，模型背风面上部开始出现风压系数-0.6的区域，当高度增加到350m（即长细比为8.75）时，模型迎风面上部开始出现风压系数1.0的区域。图3给出了工况1～6模型宽边迎风时迎风面、背风面以及侧风面上的整体平均风压系数随高宽比变化曲线，以及模型基底平均力系数随高宽比变化曲线。可见，高宽比由2.5增至3.75时，迎风面整体风压系数呈减小趋势，而背风面整体风压系数绝对值呈增大趋势，此时基底力系数和弯矩系数变化相对较小；当高宽比从5.0增至6.25时，迎风面整体风压系数变化较小，而背风面整体风压系数绝对值增大，整体风力系数增大。总的来说，建筑底部基底力系数随高宽比的增加而增大。

2矩形截面时宽厚比影响分析

研究宽厚比变化引起的高层建筑表面风压以及总基底力系数的变化规律。各工况参数见表1的工况7~11。图4给出了工况3、工况7～11模型宽边迎风时4个侧面以及顶部的风压系数分布云图。可见，在高度和厚度不变的情况下，随着迎风宽度的增加，模型迎风面中下部正风压系数有所减小，同时背风面中上部负风压系数绝对值持续增大。图5给出了工况3、工况7～11模型宽边迎风时迎风面、背风面以及侧风面上整体平均风压系数随宽厚比变化曲线，以及宽边迎风时模型基底平均力系数随宽厚比变化曲线。可见，随着宽厚比的增大，建筑迎风面整体风压系数呈减小趋势，但减小幅度较少；背风面负风压系数绝对值明显增加。当宽厚比在1.0～1.5之间时，基底力系数和弯矩系数变化幅度不明显，当宽厚比大于1.5后，基底力系数和弯矩系数对宽厚比的敏感度增大，整体风荷载大幅增加，因此从上述分析可以得到，建筑平面的宽厚比控制在1.0～1.5之间为较理想的范围。

3平面形状影响分析

为了研究高层建筑平面形状对风压分布规律的影响，设计了图6的8个分析工况，其中以40m×40m×200m作为基准工况，分别对基础的矩形平面进行切角、圆角和凹槽等平面处理，分别命名为工况3、工况12～18。各工况的建筑高度统一取为200m，平面尺寸设置如图6。图7给出了工况3、工况12～18模型宽边迎风时4个侧面以及顶部的风压系数分布云图。从总体上看，当采取圆角和切角处理时，角部大部分区域受风吸力作用，尤其当转角为圆弧时，负风压系数达到-2.0以上；采取十字型截面时，迎风突起部位所受正风压与矩形截面类似，但两侧后缩进部分的正风压明显减小；当采取平面凹角处理时，迎风面风压与矩形截面基本一致。上述仅为对风压分布云图的定性分析，由于各工况的迎风面特征尺寸一致，分别通过积分计算各工况下基底的平均力系数和基底弯矩系数，如图8。可见，相对矩形截面而言，采用矩形切角和圆角方式可十分有效地减小塔楼顺风向风荷载，尤其是圆角形式，整体风力系数较小十分明显，仅为原风力系数的约50%，而两种切角方案所受顺风向风荷载基本相同；十字型平面顺风向风力系数小于矩形截面，但略大于四周切角的八边形平面；当矩形平面中部存在凹槽时，由于凹槽的兜风效应，在一定程度上增加了顺风向风荷载，随凹槽深宽比增大而增大。

4结语

本节以矩形单体高层建筑为基本建筑体型，采用CFD数值模拟手段，并结合各类数据分析的手段和理论，分别从整体风荷载和局部风荷载的角度对长、宽比变化和平面切角、圆角、凹槽等建筑体型的变化对风荷载的影响进行了研究。主要结论如下：⑴建筑底部基底力系数随高宽比的增加而增大。高宽比由2.5增至3.75时，基底力系数和弯矩系数变化相对较小；当高宽比从5.0增至6.25时，整体风力系数增大明显。⑵宽厚比在1.0～1.5之间时，基底力系数和弯矩系数变化幅度不明显，当宽厚比大于1.5后，基底力系数和弯矩系数对宽厚比的敏感度增大，整体风荷载大幅增加。建筑平面的宽厚比控制在1.0～1.5之间为较理想的范围。⑶采用矩形切角和圆角的方式可十分有效减小塔楼顺风向风荷载，其中圆角形式最为有效；当矩形平面中部