顧明，張正維，2，全涌

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實驗室，上海200092；2.南通大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通226019）

輕質(zhì)高強(qiáng)材料的廣泛應(yīng)用，使得超高層建筑向著高柔、低阻尼方向發(fā)展，對風(fēng)的作用越來越敏感，導(dǎo)致抗風(fēng)設(shè)計成為其結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素.研究表明，隨著建筑高度的提高，超高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)將逐漸超過順風(fēng)向響應(yīng)，成為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的重點(diǎn)關(guān)注問題，特別是強(qiáng)風(fēng)作用下的舒適度問題越來越突出.傳統(tǒng)的通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身剛度與強(qiáng)度的方法越來越難以滿足設(shè)計的要求.因此，風(fēng)工程研究的一個重要方向是：研究強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)控制的空氣動力學(xué)措施（包括被動、半主動和主動控制）的策略和方法，掌握氣動措施控制結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的規(guī)律并解決實際應(yīng)用問題［1］.

目前超高層建筑抗風(fēng)措施主要有氣動措施、結(jié)構(gòu)措施與機(jī)械措施三種方法.氣動措施可進(jìn)一步分為被動控制，半主動控制與主動控制.半主動控制與主動控制需要外界能量，通過改變氣動措施的狀態(tài)或向風(fēng)場中吹氣來改善結(jié)構(gòu)周圍的流場，特別是控制流動分離［2－3］，從而減小流體作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力.但這類措施在近期尚很難用于工程實際，所以本文不予詳細(xì)介紹.本文所指的氣動措施主要是被動氣動控制，即通過改變建筑的外形以減小建筑的風(fēng)荷載與風(fēng)致效應(yīng).這類措施可以與建筑設(shè)計相結(jié)合.比如臺北101大廈的建筑截面進(jìn)行了凹角處理，這使得強(qiáng)風(fēng)作用下建筑的基底彎矩響應(yīng)減小了25%［4］.氣動措施用于建筑的方案設(shè)計階段，基于風(fēng)對超高層建筑的作用機(jī)理，能從根源上減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載與風(fēng)致效應(yīng).結(jié)構(gòu)措施是通過選擇抗側(cè)移能力更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系來提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力，是傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計方法.這種方法造價較高，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計階段.機(jī)械措施是通過在主體結(jié)構(gòu)上添加輔助阻尼系統(tǒng)來減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)，比如臺北101大廈與上海環(huán)球金融中心都在其頂部設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來控制結(jié)構(gòu)頂部的位移與加速度，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與舒適度的要求［4－5］.機(jī)械措施也可以用來提高建筑的抗震性能，但是輔助阻尼系統(tǒng)須要額外的費(fèi)用.有效、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的抗風(fēng)設(shè)計方法是在方案設(shè)計階段采用氣動措施，以改變建筑的氣動力輸入，從而減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和改善結(jié)構(gòu)的舒適性.

本文基于超高層建筑風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的已有研究成果，總結(jié)了減小高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng)的被動氣動措施，并對今后研究及應(yīng)用提出建議.

1 超高層建筑抗風(fēng)的氣動措施

1.1 建筑截面形狀的影響

不同截面形狀的高層建筑，風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng)特性是不一致的.國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究.Davenport［6］對截面形狀不同，高度與動力特性相同的6類建筑的順風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了氣動彈性模型試驗研究，圓形截面的順風(fēng)向位移最小，等邊三角形最大，對于矩形截面，建筑短（弱）軸的位移也很大.Hayashida等［7－8］通過氣彈模型試驗對截面分別為圓形、三角形、Y 形與方形的超高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)致振動進(jìn)行了研究.試驗結(jié)果顯示，三角形截面的橫風(fēng)向位移響應(yīng)最小，Y 形截面次之，方形截面最大，對三角形截面與Y 形截面的角部處理能夠顯著地減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng).Merrick等［9］對RWDI公司20個高層建筑工程實例進(jìn)行了高頻天平測力試驗研究，指出方形截面建筑受高風(fēng)速下的旋渦脫落控制，橢圓形、三角形截面與寬厚比較大的矩形截面可出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載.

顧明等［10－13］對矩形截面、圓形截面、三角形截面、Y 形截面、正多邊形系列模型、復(fù)雜截面模型（扇形、平行四邊形、L 形）高層建筑模型的風(fēng)荷載特性進(jìn)行了大量的風(fēng)洞試驗研究.研究指出，方形截面高層建筑的橫風(fēng)向脈動基底彎矩系數(shù)均比其他截面的大；正多邊形建筑以順風(fēng)向氣動力為主，氣動扭矩可以忽略不計；復(fù)雜截面系列建筑順、橫和扭轉(zhuǎn)三個方向的氣動力分量具有相同的重要性，扭轉(zhuǎn)氣動力的顯著增大是這類建筑的主要特征.Wang 和Cheng等［14］對矩形截面、正多邊形截面、橢圓形截面、L 型截面與較不規(guī)則截面系列模型（門形截面、扇形截面、角隅突出形截面、三角放射形截面）進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，并建立了高層建筑基本截面氣動力特性的數(shù)據(jù)庫.研究結(jié)果表明：正多邊形截面的邊數(shù)越多，所受到的風(fēng)荷載會越小，而圓形截面有較好的氣動力特性；矩形截面模型隨著寬厚比的增大，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載越來越顯著；由于L 型截面幾何外形的不對稱性，扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)荷載比對稱截面模型要大，不規(guī)則截面的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載不容忽視；門形截面模型系列開口處應(yīng)盡量避免過大，使整體截面形狀能接近矩形為最佳；角隅突出物較大的截面能夠同時減小順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載；三角放射形截面的形狀擴(kuò)散越少則越能降低順風(fēng)向設(shè)計風(fēng)荷載，設(shè)計此類高層建筑時，應(yīng)盡量使截面形狀內(nèi)縮；扇形截面的風(fēng)荷載與弧度大小不成規(guī)則性比例，順風(fēng)向設(shè)計風(fēng)荷載略有增大，但是其橫風(fēng)向荷載有較大的降低.

綜上所述，不同截面形狀的高層建筑有不同的氣動特性.方形截面高層建筑的橫風(fēng)向荷載最大；矩形截面高層建筑隨著厚寬比的增大，扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載變得不容忽視；隨著正多邊形截面邊數(shù)的增多，結(jié)構(gòu)的荷載變?。粦?yīng)關(guān)注不規(guī)則復(fù)雜截面的扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載.當(dāng)建筑的初步設(shè)計方案不能滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)要求時，可以和建筑設(shè)計協(xié)調(diào)，通過對基本建筑截面采取適當(dāng)?shù)臍鈩哟胧┨幚?，使建筑結(jié)構(gòu)滿足抗風(fēng)設(shè)計要求.

1.2 矩形截面建筑角部處理措施

1.2.1 角部設(shè)置擾流板

20世紀(jì)80年代，人們開始研究設(shè)置擾流板的效用，主要目的是改變旋渦脫落的規(guī)律性，從而減小超高層建筑橫風(fēng)向響應(yīng).對于圓形截面的結(jié)構(gòu)來說，擾流板一般都纏繞在建筑物的外部；對于矩形截面的高層建筑來說，擾流板一般布置在角部，也有一些建筑在立面沿高度方向間隔地布置豎向肋條［15］.圖1給出了矩形截面高層建筑角部設(shè)置擾流板氣動措施的主要形式.Kwok等［16－18］指出，角部設(shè)置擾流板主要是打亂氣流流經(jīng)建筑截面時產(chǎn)生旋渦脫落的規(guī)律性，能夠減小一定設(shè)計風(fēng)速范圍內(nèi)的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)，但是由于增大了結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積，從而增大了建筑順風(fēng)向的風(fēng)荷載.是否采用角部設(shè)置擾流板的氣動措施，要綜合考慮順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng).

圖1 角部設(shè)置擾流板的主要形式［15－16］Fig.1 Cross－sectional forms of fins and vent fins［15－16］

1.2.2 角部修正

還可以通過切角、凹角、圓角等角部修正措施來改變建筑的旋渦脫落特性，從而減小結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向荷載與響應(yīng).常見的橫截面角部修正的主要形式如圖2所示.

圖2 橫截面角部修正的主要形式［4－5］Fig.2 Cross－sectional forms of corner modifications［4－5］

Kwok等［16－18］研究了切角以及角部開槽對方形截面與典型矩形截面高層建筑風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：這兩種措施能夠?qū)е陆Y(jié)構(gòu)尾流譜與橫風(fēng)向氣動力譜的改變，從而能夠明顯減小高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng).Melbourne等［19］研究了凹角、圓角、切角這三種角部修正形式對典型方形截面高層建筑橫風(fēng)向氣動力的影響，認(rèn)為適中的角部修正率（10%截面寬度）可大大降低橫風(fēng)向氣動力譜的峰值，從而減小臨近渦激共振風(fēng)速下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng).Miyashita等［20］通過高頻天平試驗研究了切角與凹角兩種角部修正措施對方形截面高層建筑在不同風(fēng)向角下氣動力特性的影響.指出，10%的切角率與凹角率能夠有效地減小橫風(fēng)向的氣動力系數(shù)，但是在某些風(fēng)向角下會導(dǎo)致風(fēng)致響應(yīng)的增加.Kawai［21］采用氣彈模型試驗對凹角、切角以及圓角三種氣動修正形式，對方形截面與典型矩形截面高層建筑的氣動不穩(wěn)定性（渦激振動與馳振）進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：5%切角率與凹角率能夠有效地防止方形截面的氣動彈性失穩(wěn)現(xiàn)象；圓角修正能夠增大結(jié)構(gòu)的氣動阻尼，很好地抑制氣動彈性失穩(wěn)；角部修正措施能夠提高建筑在低風(fēng)速下的氣動不穩(wěn)定性；但是對長寬比很大的矩形截面，角部修正措施的效果不明顯.Kareem 等［5］總結(jié)了不同類型氣動措施對方形截面高層建筑氣動力的影響，指出凹角、切角和角部開槽處理均能顯著地減小順風(fēng)向和橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng).Choi等［22］對寬厚比分別為1∶1，1∶1.5，1∶2三種矩形截面模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，給出了在不同切角率下，不同模型的斯托拉哈數(shù)和渦激振動的峰值在不同角度下變化規(guī)律的擬合公式.Wang 和Cheng等［14］對不同切角率的矩形截面進(jìn)行了試驗研究，指出切角措施能夠顯著地減小結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的氣動力.Gu和Quan［11］對6∶1∶1方形截面高層建筑在5%、10%、20%的切角率與凹角率下的氣動力特性進(jìn)行了研究，指出切角與凹角措施基本上都能夠減小結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向基底彎矩譜的峰值，10%的切角率是最優(yōu)的.Irwin［4］、Suresh等［23］對臺北101 大廈的風(fēng)荷載特性進(jìn)行了研究，通過對建筑截面做雙凹角處理，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向氣動力均方根值減小了40%，順風(fēng)向平均風(fēng)荷載減小了20%，結(jié)構(gòu)總基底彎矩減小25%.Tschanz等［24］指出盡管氣動外形的優(yōu)化能有效地減小高層建筑的風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)，但這是以減小使用面積為代價的.通過對總建筑面積相等（角部修正減少的建筑面積通過增加建筑高度來補(bǔ)償），采取不同角部修正率的典型方形截面高層建筑模型進(jìn)行測力試驗研究，結(jié)果表明，切角和凹角仍然均能減小風(fēng)振響應(yīng)、降低造價，凹角模型在減小橫風(fēng)向彎矩方面比切角模型更有效.Mara等［25］對一超高層建筑的氣動力特性進(jìn)行了測力試驗研究，分析了不同切角率與切角布置方式對風(fēng)荷載特性的影響，指出角部處理在不同風(fēng)向角下的影響是不同的，在實際設(shè)計中要注意這一現(xiàn)象.

由前可知，在建筑角部設(shè)置擾流板的氣動措施一般能夠減小建筑的橫風(fēng)向荷載和響應(yīng)，但是由于設(shè)置擾流板增大了建筑順風(fēng)向的迎風(fēng)面積，可能導(dǎo)致建筑物順風(fēng)向荷載增大，所以該類氣動措施要謹(jǐn)慎使用.切角、凹角、圓角等角部修正措施能夠有效地減小結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng)，10%的角部修正率可能是較好的選擇；5%的角部修正率能較有效地防止高層建筑的氣動不穩(wěn)定性.

1.3 建筑截面沿高度改變

由前可知，不同截面形狀以及角部處理可以降低漩渦脫落強(qiáng)度，從而降低建筑物的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng).類似地，改變建筑物沿高度方向的形狀或者尺寸［26］（圖3—4），可以改變漩渦脫落沿建筑物高度方向的分布，也可以達(dá)到同樣的目的.實際建筑中可常見這一類建筑形式，例如韓國的Lotte Super Tower，中國的上海中心，美國的芝加哥螺旋之巔等［27］.

1.3.1 錐度化與階梯縮進(jìn)

Wang和Cheng等［14］對矩形截面高層建筑沿高度階梯收縮進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，指出只有當(dāng)階梯收縮的總高度大于未收縮的高度時，階梯收縮才能顯著地減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載.Cooper等［28］對高度為500m 的超高層建筑進(jìn)行了氣彈模型試驗，該建筑橫截面經(jīng)過切角處理，并采用了錐度化的氣動措施.結(jié)果指出，帶切角沿高度錐度化的氣動措施能夠減小建筑橫風(fēng)向氣動力與氣動阻尼.張建國［29］對分別采用單向階梯縮進(jìn)與雙向階梯縮進(jìn)的典型方形截面高層建筑進(jìn)行了測壓試驗研究，指出立面階梯縮進(jìn)的存在，使迎風(fēng)面縮進(jìn)層高度處的平均風(fēng)壓系數(shù)產(chǎn)生了突變，同時使旋渦脫落的形式發(fā)生改變，從而導(dǎo)致建筑側(cè)面和背面風(fēng)壓特性發(fā)生變化.李波等［30］對不同錐度比的超高層建筑進(jìn)行測壓試驗，結(jié)果表明：錐形化措施延長了來流在建筑物側(cè)風(fēng)面漩渦脫落的卓越頻率，導(dǎo)致橫風(fēng)向力系數(shù)功率譜峰值小幅下降；隨著建筑物錐度比的增加，橫風(fēng)向氣動力譜峰值下降，功率譜帶寬增大，力系數(shù)根方差減小.Kim等［31－35］的研究表明：錐度化與階梯縮進(jìn)能夠顯著地減小橫風(fēng)向的脈動基底彎矩，并且隨著錐度比增大而增大，但是隨著湍流度的增大而降低；錐度化與階梯縮進(jìn)使側(cè)面的風(fēng)壓譜帶變寬，峰值頻率隨著高度而變化，使風(fēng)譜沿高度的相關(guān)性降低；但隨著錐度比的增大，由于建筑頂部剛度逐漸變小，建筑頂部橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)可能增大.

1.3.2 截面沿高度旋轉(zhuǎn)

Bearman等［36］對橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)的某一典型矩形截面高層建筑的風(fēng)致阻力和旋渦脫落性能進(jìn)行了測力天平試驗研究，研究結(jié)果表明：橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)能減小結(jié)構(gòu)30%的阻力，能夠降低橫風(fēng)向振動.Tamura等［37］對31 個高層建筑模型進(jìn)行了測力與測壓試驗研究，研究角部修正、錐度化與階梯縮進(jìn)、截面沿高度旋轉(zhuǎn)、開洞等氣動措施對典型方形截面、矩形截面與橢圓形截面高層建筑氣動力特性的影響，研究結(jié)果表明：階梯縮進(jìn)氣動措施模型的風(fēng)力系數(shù)減小，但放大了建筑頂部的加速度響應(yīng)（由于建筑頂部剛度變小所致）；截面沿高度旋轉(zhuǎn)氣動措施使模型的旋渦脫落沿高度變得不規(guī)則，減小了結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向響應(yīng)，在所有模型中具有最好的氣動特性，但這一氣動措施使模型局部風(fēng)壓增大20%.Kumar等［38］對三角形截面沿高度扭轉(zhuǎn)進(jìn)行測壓試驗研究，試驗?zāi)Ｐ桶ㄑ馗叨刃D(zhuǎn)0°、60°、180°與360°四個模型，結(jié)果表明：橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)能夠顯著地改善三角形截面高層建筑的平均、脈動及峰值風(fēng)壓系數(shù)以及三分力系數(shù)，其中橫截面沿高度旋轉(zhuǎn)360°模型效果最佳.Tanaka等［39］對標(biāo)準(zhǔn)方形截面、方形截面10%凹角修正、階梯縮進(jìn)、錐度化、截面沿高度90°旋轉(zhuǎn)與180°旋轉(zhuǎn)等6個試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了測力試驗與測壓試驗，結(jié)果表明：對于順風(fēng)向最大平均基底彎矩系數(shù)，錐度化與階梯縮進(jìn)氣動措施效果最佳；對于脈動基底彎矩系數(shù)，凹角處理、階梯縮進(jìn)、錐度化模型在順風(fēng)向與橫風(fēng)向都有較好的氣動特性；截面沿高度旋轉(zhuǎn)模型的橫風(fēng)向風(fēng)力較小，特別是180°旋轉(zhuǎn)模型的橫風(fēng)向脈動基底彎矩系數(shù)只有方形截面的三分之一.

錐度化與階梯縮進(jìn)氣動措施能夠有效地減小高層建筑的橫風(fēng)向荷載，但由于剛度縮減，有時可能會導(dǎo)致頂部的加速度響應(yīng)不能滿足舒適度的要求；截面沿高度旋轉(zhuǎn)氣動措施能夠減小橫風(fēng)向的氣動力，但可能增大建筑表面的局部風(fēng)壓.面對實際建筑設(shè)計時，應(yīng)該關(guān)注這些問題.

1.4 建筑立面開洞

在建筑上適當(dāng)位置處開洞，可以顯著地減小建筑的壓差阻力和橫風(fēng)向風(fēng)力.矩形截面高層建筑常見的開洞形式如圖5所示.Kwok 等［18］對立面開洞的CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，開洞位置分別在建筑一半高度與四分之三高度處，水平雙向開洞，開洞率為6%.結(jié)果表明水平雙向開洞能夠顯著減小建筑順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng).Irwin［40］對采取立面開洞措施的某一超高層建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，該建筑沿高層每隔十層設(shè)置一個洞口（原本用于火災(zāi)避難）.研究獲得同樣結(jié)果.Dutton等［41］對中上部不同位置開洞的高寬比為9∶1的方形超高層建筑模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，開洞方式分別為單向開洞與雙向開洞，洞口高度為1.25D（D為方形截面寬度），寬度為D／6，間隔為0.25D.試驗得到如下結(jié)論：開洞減小了順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載以及風(fēng)致響應(yīng)；開洞使方形截面的橫風(fēng)向基底彎矩譜由單峰變?yōu)殡p峰，斯托拉哈數(shù)由0.10變?yōu)?.09與0.18.Okada等［42］對不同開洞方式的建筑的氣彈模型進(jìn)行試驗（該模型為方形截面，高寬比為8∶1，開洞位置在建筑80%高度處，開洞方式有迎風(fēng)面單向開洞、側(cè)面單向開洞以及四面雙向開洞三種方式，開洞面積可以根據(jù)要求改變），結(jié)果表明：當(dāng)建筑四面雙向開洞，開洞率為1.5%時，能夠減小橫風(fēng)向20%～25%的動態(tài)位移；與迎風(fēng)面單向開洞以及側(cè)面單向開洞相比，四面雙向開洞是減小高層建筑動力響應(yīng)的最優(yōu)方式.

Hitomitsu等［43］對不同開洞位置對高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，結(jié)果表明：在建筑0.8～0.9高度處開洞，能夠有效減小建筑橫風(fēng)向的風(fēng)致響應(yīng)；在建筑0.6高度及以下開洞時效果較不明顯.王春剛等［44］對開洞高層建筑模型進(jìn)行了測壓試驗研究，試驗結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)向與開洞方向平行時，結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載降低；將洞口開在建筑物上部對減小風(fēng)荷載最為有利.謝壯寧等［45］對439m 高的深圳京基金融中心進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，考察了利用其頂部設(shè)備和避難層進(jìn)行開敞形成不同的風(fēng)走廊（氣動措施）對結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的影響.試驗結(jié)果表明：在重現(xiàn)期100年風(fēng)速作用下，漩渦脫落頻率明顯低于結(jié)構(gòu)基階固有頻率；氣動措施可顯著抑制和削弱脫落漩渦的強(qiáng)度；不同氣動措施可使100年重現(xiàn)期結(jié)構(gòu)基底彎矩減少8.2%～21.2%，使10年重現(xiàn)期峰值加速度減少5.3%～16.0%.全涌等［46］對一棟立面上有多個開洞的矩形截面超高層建筑進(jìn)行了測壓試驗，分析了矩形截面超高層建筑在長邊立面上不同開洞工況下建筑各表面平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律.試驗結(jié)果表明：當(dāng)建筑長邊迎風(fēng)時，開洞使得背風(fēng)面洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值增大，但迎風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)變化很??；當(dāng)建筑短邊迎風(fēng)時，開洞對洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利正風(fēng)壓系數(shù)均只有微弱影響，但對其最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)卻有很大影響，特別是中部開洞，將使其周圍的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)增大一倍以上；開洞對短邊立面上的最不利風(fēng)壓系數(shù)不產(chǎn)生明顯的影響.

由上文可知，建筑立面開洞通過破壞旋渦脫落強(qiáng)度以及規(guī)律性，同時減小建筑迎風(fēng)面面積，能夠同時減小高層建筑橫風(fēng)向與順風(fēng)向的風(fēng)荷載；開洞方式有迎風(fēng)面單向開洞、側(cè)風(fēng)面單向開洞與四面雙向開洞三種方式，其中四面雙向開洞效果最優(yōu)；在建筑上部開洞效果較好，而在建筑下部開洞效果較差；開洞處局部風(fēng)壓可能會增大，這在建筑設(shè)計時需要注意.

2 實際應(yīng)用

上述的各類抗風(fēng)氣動措施在實踐中也得到了廣泛的應(yīng)用.廣州珠江城（71層，309m 高）利用避難層開洞進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，既減小了風(fēng)荷載，又有效地利用了風(fēng)能［4］.石油雙塔與臺北101大樓等采用角部處理和錐度化氣動措施，上海環(huán)球金融中心在其頂部開洞，韓國的Lotte Super Tower、中國的上海中心與美國的芝加哥螺旋之巔等采用了截面沿高度旋轉(zhuǎn)的氣動措施，能夠顯著地減小了順、橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)［27，40］.日本NEC大廈（44層，196m 高）在距地80 m 高處開有一個約44.6m×12.6m 的洞口（占建筑迎風(fēng)面積的4.5%），當(dāng)風(fēng)垂直作用于迎風(fēng)面時，可較不開洞情況減少總風(fēng)力25%［44］.現(xiàn)世界第一的828 m 高的Burj Khalifa Tower采用沿高度改變截面形狀的氣動措施，使截面形狀沿高度螺旋上升，減小了結(jié)構(gòu)的渦激振動，有很好的抗風(fēng)效果［27，47］.

3 結(jié)論與展望

本文回顧了降低超高層建筑橫風(fēng)向荷載和響應(yīng)氣動措施研究和應(yīng)用的主要進(jìn)展.不同截面形狀的高層建筑具有不同的橫風(fēng)向荷載及響應(yīng)特性.方形截面高層建筑的橫風(fēng)向荷載及效應(yīng)引起關(guān)注；角部處理、截面沿高度改變以及立面開洞這三類氣動措施都能夠很好的抑制方形截面高層建筑橫風(fēng)向響應(yīng).當(dāng)然，這些有效的措施也可能帶來其他一些負(fù)面效應(yīng)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要謹(jǐn)慎對待.為適應(yīng)我國超高層建筑建造的需要，還進(jìn)一步需要以模型風(fēng)洞試驗為主，結(jié)合現(xiàn)場實測以及計算機(jī)數(shù)值模擬方法，開展高層建筑的多向耦合風(fēng)荷載、氣動阻尼、風(fēng)致效應(yīng)以及等效靜力風(fēng)荷載方法、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載計算方法等重要問題的研究，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng).

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