高層建筑抗風(fēng)設(shè)計的安全性與經(jīng)濟(jì)性分析

高層建筑抗風(fēng)設(shè)計的安全性與經(jīng)濟(jì)性分析

0風(fēng)洞試驗(yàn)過程中存在的問題與對策隨著城市化進(jìn)程的加快，中國在高層和高層上建造了大量的建筑。建筑技術(shù)的進(jìn)步和新材料的使用，使建筑高度越來越高，風(fēng)荷載逐漸成為主要結(jié)構(gòu)和防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計負(fù)荷。風(fēng)致加速度也是高層建筑設(shè)計中應(yīng)該考慮的一個新問題，尤其是位于中國東南沿海的臺風(fēng)區(qū)的高層建筑。但是高層建筑抗風(fēng)設(shè)計是一門技術(shù)性與試驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科,需要綜合風(fēng)工程知識、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)為了探析高層建筑抗風(fēng)設(shè)計中存在的問題,本文首先對規(guī)范GB50009—2012中遠(yuǎn)場地貌類別、陣風(fēng)風(fēng)速剖面、圍護(hù)結(jié)構(gòu)極值負(fù)壓、風(fēng)速風(fēng)向折減因子與氣動阻尼比等參數(shù)在實(shí)際使用過程中存在的問題進(jìn)行分析,然后通過實(shí)際的項目案例展示風(fēng)洞試驗(yàn)過程中存在的問題,比如測試技術(shù)與分析參數(shù)的選取、設(shè)備故障判斷與第三方獨(dú)立試驗(yàn)等,最后基于筆者多年的項目經(jīng)驗(yàn)給出對策,可為相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)管理與報告結(jié)果校核提供參考。1表中規(guī)定了gb50009-2012的不足規(guī)范GB50009—2012基于已有的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)來指導(dǎo)高層建筑抗風(fēng)設(shè)計,但不能考慮最新的風(fēng)工程知識與風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)1.1國內(nèi)規(guī)范對市場機(jī)制的比較地面粗糙度類別決定了設(shè)計風(fēng)速的沿高分布,是高層建筑抗風(fēng)設(shè)計的重要基本參數(shù)之一,其取值的合理性將會嚴(yán)重影響抗風(fēng)設(shè)計的安全性與經(jīng)濟(jì)性表1為主要國內(nèi)外規(guī)范針對開闊地貌(規(guī)范GB50009—2012中B類地貌)的比較。由表1可以發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外開闊地貌的平均風(fēng)剖面指數(shù)律α指數(shù)范圍為0.14~0.15,對數(shù)律Z表2為主要國內(nèi)外規(guī)范針對市郊地貌與一般城市市區(qū)(規(guī)范GB50009—2012中C類地貌)的比較。由表2可以發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外市郊地貌的平均風(fēng)剖面指數(shù)律α指數(shù)范圍為0.20~0.25,對數(shù)律Z表3為主要國內(nèi)外規(guī)范針對城市中心地貌(規(guī)范GB50009—2012中D類地貌)的比較。由表3可以發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外城市中心地貌的平均風(fēng)剖面指數(shù)律α指數(shù)范圍為0.27~0.40,對數(shù)律Z從上面的比較分析可以看出,規(guī)范GB50009—2012關(guān)于地貌類別的判定標(biāo)準(zhǔn)沒有國外規(guī)范具體,在相同的平均風(fēng)剖面指數(shù)情況下,規(guī)范GB50009—2012中對應(yīng)的實(shí)際建筑布置比同類國際規(guī)范更為粗糙,即在相同的建筑布置下,規(guī)范GB50009—2012采用的平均風(fēng)剖面沿高分布比國外規(guī)范更為保守。在實(shí)際工程應(yīng)用中,建議采用國際通用EngineeringSciencesDataUnit1.2風(fēng)的風(fēng)剖面圖2為規(guī)范GB50009—2012,AIJ20041.3．風(fēng)速設(shè)計偏保守規(guī)范GB50009—2012沒有提供不同區(qū)域的風(fēng)速風(fēng)向折減因子,但是風(fēng)洞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:當(dāng)考慮風(fēng)速風(fēng)向折減時,風(fēng)速風(fēng)向折減因子不應(yīng)小于0.85?；陲L(fēng)工程理論,每個城市不同風(fēng)向的極值風(fēng)速在概率意義上是確定的,即每個城市都存在主導(dǎo)風(fēng)向與非主導(dǎo)風(fēng)向,采用全風(fēng)向設(shè)計(不考慮風(fēng)速風(fēng)向折減)是偏保守的。圖3為我國內(nèi)陸典型城市的風(fēng)速風(fēng)向折減因子。從圖中可以看出,該城市的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。對于風(fēng)荷載,一般與風(fēng)速的平方成正比,對于加速度響應(yīng),一般與風(fēng)速的三次方成正比。圖3說明考慮風(fēng)速風(fēng)向折減因子并沒有減小抗風(fēng)設(shè)計的安全度(即最大風(fēng)速方向沒有折減),但是對其他風(fēng)向的風(fēng)荷載與加速度響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)際工程應(yīng)用中,建議詳細(xì)考慮風(fēng)向效應(yīng)以消除設(shè)計中不必要的保守性,并重點(diǎn)考慮主要風(fēng)向和極限風(fēng)速,從而使項目總體可靠性和安全性得到進(jìn)一步提升。1.4圍護(hù)結(jié)構(gòu)極值風(fēng)壓由于橫風(fēng)向的風(fēng)致振動機(jī)理不符合準(zhǔn)定常理論假定,規(guī)范GB50009—2012增加了矩形截面高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)荷載與加速度響應(yīng)的計算公式,但是依然采用準(zhǔn)定常理論假定計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓,即假定極值風(fēng)壓沿高度的變化規(guī)律與風(fēng)速沿高度的變化趨勢一致1.5氣動阻尼比估算當(dāng)采用規(guī)范GB50009—2012對某些高層建筑進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)荷載與加速度響應(yīng)計算時,有時會出現(xiàn)橫風(fēng)向風(fēng)荷載與加速度響應(yīng)是順風(fēng)向風(fēng)荷載及其加速度響應(yīng)數(shù)倍的情形,主要是由于規(guī)范GB50009—2012給出了氣動阻尼比的估算公式。圖5為當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比在2%時,總阻尼比隨折算周期的變化規(guī)律。當(dāng)折算周期小于1時,氣動阻尼比為正值,最大值約為1%;當(dāng)折算周期超過1時,氣動阻尼比迅速減小,最小為-0.6%,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)總阻尼比從2%降為1.4%、橫風(fēng)向風(fēng)荷載與加速度響應(yīng)成倍增加。在實(shí)際工程項目設(shè)計過程中,若采用規(guī)范GB50009—2012計算得到的橫風(fēng)向風(fēng)荷載與加速度響應(yīng)顯著大于順風(fēng)向風(fēng)荷載及其加速度響應(yīng),建議應(yīng)通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核,以確定氣動阻尼取值的合理性,從而確保項目的安全性與經(jīng)濟(jì)性2風(fēng)壓試驗(yàn)方案對于高層建筑主體結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計,一般采用高頻測力天平試驗(yàn)技術(shù)(HFFB)與高頻壓力積分試驗(yàn)技術(shù)(HFPI)兩種試驗(yàn)方案,若結(jié)構(gòu)風(fēng)致動力響應(yīng)特別顯著,還應(yīng)采用氣動彈性模型試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)下的安全性;對于圍護(hù)結(jié)構(gòu),抗風(fēng)設(shè)計一般采用覆面測壓技術(shù)。下面給出實(shí)際風(fēng)工程項目中出現(xiàn)的問題,以期為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員審核風(fēng)洞試驗(yàn)方案與結(jié)果提供參考。2.1hffb或hfdii試驗(yàn)設(shè)計在項目招標(biāo)工作時,不同試驗(yàn)單位選擇的試驗(yàn)方案是不同的。在國內(nèi)市場,由于測壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯谋阋仔?很多風(fēng)洞試驗(yàn)單位推薦采用HFPI技術(shù)。理論上,只要測壓點(diǎn)足夠多,HFPI技術(shù)可以得到任何高層建筑的風(fēng)荷載。但是若采用的管道長度不符合要求,氣動力譜中高頻部分的能量將不能被捕捉。圖6為兩家不同試驗(yàn)單位的無量綱基底彎矩譜對比,其中一家試驗(yàn)單位的管道長度滿足規(guī)定要求,另外一家的管道長度超過了規(guī)定要求。從圖6可以看出,長管道試驗(yàn)單位的共振響應(yīng)偏小,若管道過長,可能會造成設(shè)計隱患。對于外形不規(guī)整、存在百葉等開口立面的復(fù)雜高層建筑,由于當(dāng)前可同步測點(diǎn)數(shù)量、管道長度、模型制作技術(shù)等限制,不能保證每個測點(diǎn)范圍內(nèi)的風(fēng)壓完全相關(guān),HFPI技術(shù)很難給出準(zhǔn)確的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載,建議采用HFFB技術(shù)。理論上,只要HFFB模型輕質(zhì)高強(qiáng)、頻率較高,HFFB技術(shù)能夠得到安全的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載。若HFFB模型頻率不能滿足要求,將會導(dǎo)致風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)的共振分量過大。圖7為HFFB模型不滿足高頻要求時對氣動力譜的影響,其中縱坐標(biāo)為無量綱基底彎矩譜,橫坐標(biāo)為折減頻率。模型-天平系統(tǒng)自振頻率太低將會導(dǎo)致項目設(shè)計頻率范圍內(nèi)頻譜過大,從而導(dǎo)致風(fēng)振分量過大,特別是加速度響應(yīng)。關(guān)于HFFB技術(shù)與HFPI技術(shù)的選擇問題,還應(yīng)考慮設(shè)計進(jìn)度的影響。由于HFPI試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c覆面測壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话銥橥粋€模型,且覆面測壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰峁﹪o(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計細(xì)節(jié),屬于擴(kuò)初設(shè)計階段或施工圖前期。若基于該階段設(shè)計資料進(jìn)行試驗(yàn),可能不能滿足主體結(jié)構(gòu)的抗震超限審查時間節(jié)點(diǎn)與地基基礎(chǔ)設(shè)計。為了滿足不同階段的設(shè)計要求,建議在方案設(shè)計完成后進(jìn)行HFFB試驗(yàn),為地基基礎(chǔ)設(shè)計與主體結(jié)構(gòu)超限審查提供支持;當(dāng)設(shè)計完成50%擴(kuò)初以后,進(jìn)行覆面測壓試驗(yàn),同時可通過HFPI技術(shù)考慮建筑設(shè)計變更對主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響,從而在最大程度上實(shí)現(xiàn)風(fēng)工程對項目的價值。2.2測力樣設(shè)備故障風(fēng)洞試驗(yàn)作為一門試驗(yàn)技術(shù),在風(fēng)洞試驗(yàn)前應(yīng)確保試驗(yàn)設(shè)備的有效性,同時還應(yīng)基于風(fēng)工程理論知識在處理數(shù)據(jù)階段進(jìn)一步判斷試驗(yàn)設(shè)備的有效性,比如HFFB試驗(yàn)的天平通道是否正常運(yùn)行、測壓試驗(yàn)的測點(diǎn)是否存在壞點(diǎn)等。圖8為某項目測力天平設(shè)備出現(xiàn)故障對風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的影響。從圖中可以看出,基底剪力平均值為零時對應(yīng)的基底彎矩平均值不為零(達(dá)到基底彎矩平均值最大值的40%)。對于不能滿足風(fēng)工程基本理論的試驗(yàn)結(jié)果,要查明原因后才能決定是否應(yīng)基于該風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。2.3結(jié)構(gòu)動力特性風(fēng)振分析方法高層建筑風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)是基于風(fēng)洞試驗(yàn)原始數(shù)據(jù),同時結(jié)合結(jié)構(gòu)動力特性,再選取相應(yīng)的風(fēng)振分析方法計算分析得到。影響參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)動力特性、遠(yuǎn)場地貌類別、風(fēng)速風(fēng)向折減因子、峰值因子等。下面主要對結(jié)構(gòu)動力特性與遠(yuǎn)場地貌類別進(jìn)行說明。(1)結(jié)構(gòu)動力特性的影響高層建筑主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)受結(jié)構(gòu)動力特性影響。很多設(shè)計單位在實(shí)際設(shè)計過程中沒有要求風(fēng)洞試驗(yàn)單位在施工圖階段基于最終的結(jié)構(gòu)動力特性對風(fēng)荷載進(jìn)行更新,主要是設(shè)計人員不了解塔樓風(fēng)荷載是隨結(jié)構(gòu)動力特性變化而改變的。表4為某330m塔樓在施工圖階段的前三階周期從6.6/6.5/2.6s變?yōu)?.6/5.3/2.7s后基底氣動力的變化。從表中可以看出,基底彎矩M(2)覆面測壓試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)的遠(yuǎn)場地貌類別是風(fēng)洞試驗(yàn)的基本輸入資料,若采用過于保守的地貌類別,將會導(dǎo)致過于保守的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。某國外風(fēng)洞試驗(yàn)單位對上海市中心城區(qū)的某200m高層建筑采用類似規(guī)范GB50009—2012中C類地貌進(jìn)行了覆面測壓試驗(yàn)。經(jīng)審核后發(fā)現(xiàn)由于對我國地貌不熟悉,導(dǎo)致地貌類別過于保守。圖9為兩種地貌類別對圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)壓的影響,圖中數(shù)值為風(fēng)壓,kPa。采用調(diào)整后的地貌能夠減小15%以上的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)壓。2.4風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果分析風(fēng)洞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建議對高度大于400m的超高層建筑或高度大于200m的連體建筑進(jìn)行第三方獨(dú)立風(fēng)洞試驗(yàn)。另外,上海市《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(DGJ08-56—2012)若兩家風(fēng)洞試驗(yàn)單位采用相同的輸入?yún)?shù),且采用相同的分析方法,雙方結(jié)果一般比較一致。如果基本輸入?yún)?shù)不同,最終的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可能會相差較大。若試驗(yàn)報告結(jié)果不經(jīng)風(fēng)工程專家進(jìn)行審核,簡單地采用包絡(luò)設(shè)計是不合理的。3hfps試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)分析基于上述分析,建議通過以下策略改善高層建筑抗風(fēng)設(shè)計的安全性與經(jīng)濟(jì)性:(1)通過遠(yuǎn)場地貌分析(ESDU工具)與風(fēng)氣候分析(基于當(dāng)?shù)仫L(fēng)氣候數(shù)據(jù)與臺風(fēng)模擬)來消除規(guī)范GB50009—2012地貌類別的判定(相同遠(yuǎn)場地貌)與全風(fēng)向設(shè)計(不考慮風(fēng)速風(fēng)向折減效應(yīng))中可能存在的保守性。若高長細(xì)比的高層建筑在高風(fēng)速下按照規(guī)范GB50009—2012估算的橫風(fēng)向風(fēng)荷載與順風(fēng)向風(fēng)荷載相差懸殊,建議通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到該項目的風(fēng)荷載,并驗(yàn)證規(guī)范氣動阻尼比取值的合理性。(2)通過ESDU工具消除規(guī)范GB50009—2012陣風(fēng)風(fēng)壓剖面在梯度風(fēng)高度處隨著粗糙度的增大而增大的不合理性,以及基于風(fēng)洞試驗(yàn)消除圍護(hù)結(jié)構(gòu)極值風(fēng)壓準(zhǔn)定常理論假定導(dǎo)致風(fēng)壓分布的不合理性。(3)HFFB技術(shù)可為高層建筑提供安全的設(shè)計風(fēng)荷載,但是應(yīng)校核試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芊駶M足高頻的要求。在同步測點(diǎn)足夠的情況下,HFPI技術(shù)理論上可為所有高層建筑提供合理的設(shè)計風(fēng)荷載,但是應(yīng)校核管道長度與測點(diǎn)布置的影響。由于同步測點(diǎn)數(shù)目的限制與模型制作的精度要求,HFPI技術(shù)不能為復(fù)雜建筑(復(fù)雜開洞與格式頂部塔冠)提供準(zhǔn)確的設(shè)計風(fēng)荷載。設(shè)計人員在試驗(yàn)開始前應(yīng)對試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行校核,也應(yīng)通過風(fēng)工程理論對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。(4)為了滿足不同設(shè)計階段的要求,建議在方案設(shè)計完成后進(jìn)行HFFB試驗(yàn),為地基基礎(chǔ)設(shè)計與主體結(jié)構(gòu)抗震超限審查提供支持;當(dāng)設(shè)計完成50%初步設(shè)計以后,建議進(jìn)行覆面測壓試驗(yàn),同時也可通過HFPI技術(shù)考慮建筑設(shè)計變更對主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響,從而在最大程度