考虑风向的两栋典型截面超高层建筑主体风荷载研究及规范值比较_涂楠坤.pdf
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1、第 45 卷 第 22 期 2015 年 11 月下建筑结构 Building StructureVol 45 No 22 Nov 2015考虑风向的两栋典型截面超高层建筑主体 风荷载研究及规范值比较涂楠坤( 绿地控股集团有限公司,上海 200023) 摘要 基于刚性模型的高频天平测力风洞试验, 对外附网架的超高层建筑的基底弯矩和扭矩特性进行了分析,详细讨论了复杂的周边建筑环境对近似方形截面建筑的整体气动力特性的影响。研究结果表明, 复杂周边建筑环境对超高层建筑的气动力均值和脉动值影响主要表现为遮挡效应, 尤其在两幢建筑物串联、 并列时。在考虑风向的前提下, 将层间等效静力风荷载及总体基底剪力
2、和弯扭矩的规范值和试验结果进行了比较, 可知规范值在一定程度上可以包络试验值, 但是经济性不佳。 关键词 超高层建筑;复杂周边建筑;等效静力风荷载;风速;风向中图分类号: TU312文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2015) 22- 0024- 05esearch on wind load on two super high- rise buildings with typical sectiontaking wind direction into consideration and comparison with codeTu Nankun( Greenland Hold
3、ing Group Co,Ltd,Shanghai 200023,China)Abstract: Based on high frequency force balance ( HFFB)wind tunnel test of the rigid model of an actual grids- attachedsuper high- rise building,the base moment and torque properties were analyzed and the effect of complex surroundingbuilding environment on int
4、egrated aerodynamic force characteristics of the structure was discussed in detail The studyresults indicate that complex surrounding building environment mainly has sheltering effect on mean value and fluctuationvalue of aerodynamic force for the super high- rise building,especially when two buildi
5、ngs are in series or parallel Oncondition that wind direction was considered,code values and test results were compared of equivalent static wind load,integrated base shear force and torque Its concluded that code values can completely envelope test values to some extent,but it costs moreKeywords: s
6、uper high- rise building;complicated surroundings building environment;equivalent static wind load;windspeed;wind direction作者简介: 涂楠坤, 硕士, Email: 243569261 qq com。0前言高层建筑是典型的风敏感结构, 风荷载是高层建筑结构设计的主要控制荷载之一。伴随着经济的快速发展, 出现了高楼林立的群体高层建筑, 而群体建筑间的干扰效应是比较复杂的。已有文献1- 5 对高层建筑间的干扰机理进行了大量的研究, 提出了遮挡效应和穿堂风效应。本文通过不同模型
7、工况的对比, 详细讨论了复杂周边环境对高层建筑的气动干扰效应。风对结构的作用不仅与风速的大小有关, 而且与风的方向有关。如果不考虑风速和风向之间的相关性, 可能会造成围护结构风荷载的过高估计。本文通过高层建筑所在地的气象站的统计数据, 考虑了风速与风向的折减效应, 为今后高层建筑的设计提供参考。 1试验概述绿地银川超高层建筑是由两栋横截面及建筑高度完全一样的北塔楼( 简称目标建筑) 及其姊妹楼图 1超高层建筑效果图第 45 卷 第 22 期涂楠坤 考虑风向的两栋典型截面超高层建筑主体风荷载研究及规范值比较南塔楼和裙房组成, 如图 1 所示。两栋塔楼结构高度都为 301m, 截面近似方形, 均在
8、东南角和西北角进行了圆角处理。塔楼在 3/4 高度以下的截面是典型的近方形, 在 3/4 高度处截面开始单边截面收进。从未来的城市规划来看, 目标建筑东面距离 150m 范围内有高度约为 120m 的三栋周边建筑呈南北轴线布置, 西面距离 120m 范围内有高度 95m的三栋周边建筑呈南北轴线布置, 北面距离 220m左右有高度约 100m 的两栋建筑呈东西轴线布置。 WDI 风洞实验室在位于安大略省圭尔夫市的2. 4m 2. 0m 边界层风洞中对该建筑进行了高频天平测力试验, 模型包括了大楼周围 580m 半径范围内所有建筑地貌。风洞试验模型的几何缩尺比为 1/500, 目标建筑及周边建筑试
9、验模型如图 2 所示。目标建筑体轴如图 3 所示, 以正北向为 0, 顺时针间隔 10为一个风向角, 共取 36 个风向角。图 2风洞试验模型图 3北塔楼体轴及正北方向对场地模型以外的大气边界层上地貌影响是通过在风洞工作段前方设置适当的湍流尖塔与地面粗糙元对每个风向逐一模拟。试验在不同的大气边界层风场中进行, 10 50及 330 360风向角为开阔和城郊之间, 周边模型的上风向直接面临不同长度的开阔地貌, 远处为城郊地貌( 即许多低矮房屋) ; 60 320为市郊( 由许多低矮建筑组成的地貌) 。风洞平均风速和紊流度剖面如图 4 所示( B, D类地貌) 。高频天平的采样频率为 1 000H
10、z, 采样时间为 60s。试验风速比和时间缩尺比分别取 1 5. 2和 1 57, 对应于实际采样频率 17. 5Hz 和数据样本长度 57min。为了研究周边建筑影响, 设定了两种试验模型工况。模型工况 Case1 仅有两栋 301m 高的超高层建筑, 没有周边建筑; 而模型工况 Case2 是处于复杂周边建筑中的两栋超高层建筑, 如图 5 所示。在计算结构设计风荷载时, 假设总阻尼比为注: 规范为 建筑结构荷载规范 ( GB 500092012) 。图 41 500 风场风洞湍流强度剖面2. 0%。第 1 模态自振频率为 0. 183Hz( X 向平动) ,第 2 模态为 0. 189 H
11、z( Y 向平动) , 第 3 模态为 0. 377 Hz ( 扭转振动) 。图 5试验模型工况2数据处理2. 1 极值风速风向计算联合分布概型6 反映了风速和风向的联合分布作用, 其极值分布函数 F( u, )是由风向频度函数 f( )和各风向风速分布函数 PU( U u, )组成的, 可由下式表示:F( u, )= f( ) PU( U u, )( 1)式中 PU( U u, )为 风向极值风速小于 u 值的概52建筑结构2015 年率, 其中 U 为待研究的一定重现期的极值风速, 为某个风向区间, u 作为概率函数的自变量出现, 为一个可变的数值。 2. 2 等效静力风荷载计算基底剪力及
12、弯矩的计算式如下: FXp( , tp)= 0 5U2zHpDXpFX( tp)( 2)FYp( , tp)= 0 5U2zHpDYpFY( tp)( 3)MZp( , tp)= 0 5U2zHpDXpDYpMZ( tp)( 4)式中: 为大气密度, 取1. 25kg/m3; Hp为建筑高度; Uz为来流风速; DXp, DYp, DXpDYp分别为建筑两个平动方向和扭转方向的平均特征尺寸;tp为试验中的某个时刻;FX( tp) , FY( tp) , MZ( tp)分别为对于FX, FY, MZ的试验所得的升力系数。由于该建筑在顶部楼层逐步收缩, 导致其不同楼层各方向的特征尺寸不一致, 所以
13、在此采用平均特征尺寸:DXp=1 NNi =1Dx, i, DYp=1 NNi =1Dy, i,DXpDYp=1 NNi =1Dx, iDy,槡i( 5)式中: Dx, i, Dy, i分别为各楼层 X 向和 Y 向特征尺寸,取投影宽度; N 为楼层总数。等效静力风荷载计算公式如下:fe i( z)= gki( z)Mj =1 mi( z) 2jjij( z) 槡2( 6)式中: fe i( z)为高度 z 处沿方向 i( i = X, Y, z) 的等 效惯性风荷载; g 为峰值因子;ki( z)为沿高度变化的惯性荷载调整系数, 考虑多模态贡献, 根据满足结构各层截面内力或位移动响应(g)
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