李 勇

(鄭州工業(yè)應用技術(shù)學院建筑工程系，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著社會的科技發(fā)展和城市人口的與日俱增，人們對于城市的容積量有了更高的要求，發(fā)達國家甚至提出了“空中城市”的概念。若想落實這一理念，必須要加大對結(jié)構(gòu)高度和高強材料的分析，從多個角度研究超高層建筑在空中的受力情況，從而設計出有效的控制荷載，確保結(jié)構(gòu)安全和居住的舒適性[1,2]。

在受力方面，超高層建筑與普通建筑有很大的不同，研究它的橫風向氣動性能對于建設抗風性建筑有關(guān)鍵性意義，國內(nèi)外的風工程學家也致力于此方面的研究，不斷提出新的思路和想法，在理論和實踐的基礎上做了大量風洞試驗。超高層建筑橫向風向的氣動性能十分復雜，依靠多種機理形成，與順風向氣動性能有很大的不同，橫風向氣動性能不能依靠常規(guī)理論分析流速，只能通過實驗分析，因此氣動性能分析是建設高層建筑的基礎工作[3]。

目前依舊沒有成熟的方法分析截面超高層建筑橫向風向氣動性能[4]。在上述背景下研究典型截面超高層建筑橫向風向氣動性能，該研究對于以后建筑超高層建筑有一定的幫助。

1 典型截面超高層建筑橫風向氣動力的確定

確定典型截面超高層建筑橫風向氣動力可以通過氣動彈性響應反演、剛性模型表面風壓積分測量和高頻動態(tài)天平測力三個步驟進行研究[5]。

如圖1所示，確定典型截面超高層建筑橫風向氣動力是通過輸入、處理和輸出三步完成的，啟動彈性響應反演可以檢測出超高層建筑典型截面各種受力數(shù)據(jù)，通過剛性模擬表面風壓積分測量處理得到的數(shù)據(jù)，最后使用高頻動態(tài)天平測出風力和氣流，作為輸出結(jié)果顯示出來[6]。

圖1 典型截面超高層建筑橫風向氣動力的確定

1.1 氣動彈性響應反演

使用單自由度氣動彈性模型測試橫風向位移，分析超高層建筑的動力特性參數(shù)，氣動彈性響應反演法可以不考慮超高層建筑的氣動反饋作用。

高層建筑由于形狀不同所以受到的氣流也不同，圓形、方形、凹角形的截面會根據(jù)高度不同受到不同的氣動彈性。設定高層建筑物的基礎狀態(tài)與高度成正比，使用彈力支撐剛性模型，是模型維持在自由度狀態(tài)下。應變平衡系統(tǒng)的頂部在受到橫風向氣流和順風向氣流時會產(chǎn)生不同的位移響應譜，在動力參數(shù)的影響下擴展成風向氣動力譜，根據(jù)氣動力譜可以研究頂部受到的風力[7]。高空中的橫風向氣動力可以分解成兩種：外加氣動力、氣動阻尼力，隨著風速的不同氣動阻尼力的振幅不同，從而帶來超高層建筑結(jié)構(gòu)的共振[8]。超高層建筑受到的橫向氣流和順向氣流如下圖2所示：

圖2中f1、f2、f3、f4分別代表四棟不同的建筑物，x軸代表的是橫向氣流，y軸代表的是順向氣流，Q1、Q2、Q3、Q4分別表示不同建筑物受到的風力。觀察圖2可知，當建筑物與順向氣流維持的位置一致時，Q1和Q4對氣流產(chǎn)生主要影響，當建筑物與橫向氣流維持的位置一致時，Q2和Q3對氣流產(chǎn)生主要影響[9]。氣動力譜分析法多是針對統(tǒng)一風速下的剛度建筑，對于不統(tǒng)一風速下的超高層建筑來說，該方法產(chǎn)生的誤差比較大，取得的結(jié)果精度不足[10]。

1.2 剛性模型表面風壓積分測量

在得到氣動彈性后，對剛性模型表面風壓進行分析，使用外加氣動力和氣動阻尼力計算估計出結(jié)構(gòu)風荷載以及風力振動情況。剛性模型表面的氣動阻尼力大小與建筑物的結(jié)構(gòu)形狀、運動幅度、所受風力和風場特性等多種因素有關(guān)[11]。一般而言，超高層建筑都是盾體結(jié)構(gòu)，對雷諾數(shù)的感應能力很差，氣動力譜既受結(jié)構(gòu)外形影響，又受風場環(huán)境影響，通過對空間的劃分了解建筑物在每個角度受到的風力[12]。

超高層建筑表面受到的風力與風壓無關(guān)，但是由于理論和實際值存在假定帶，所以很容易產(chǎn)生誤差。若想減少這一誤差，應盡可能多地加大測點數(shù)。在測量典型截面超高層建筑時很容易遇到測壓管道幅度和相位失真以及測壓通道有限這兩個問題[13]。解決方案如下表1所示：

表1 超高層建筑截面測壓過程遇到的問題與方案

根據(jù)表1的解決策略計算出高層建筑截面受到的氣壓，得到高階廣義氣動力譜后，根據(jù)顯示數(shù)值驗證橫風向氣動性能。上述方式在解決時剛性模型表面風壓積分測量是一個相對復雜的過程，需要尋找大量測壓點與各個管道連接，而超高層建筑表面通常比較復雜，所以在檢測過程會劃分成多個小區(qū)域測量[14]。

1.3 高頻動態(tài)天平測力

高頻動態(tài)天平測力是一個矯正過程，利用天平的固有頻率計算出中高層建筑受到的橫風向氣動力。橫風向的響應速度和風速成正比，因此利用高頻動態(tài)天平冊立得到的結(jié)果準確率很高[15]。由于橫風向氣動力受到的平均速度難以確定，而且測量點具有離散型，所以必須要進行4-6次的測量，這樣才能確保得到的數(shù)值的準確性。高頻動態(tài)天平是上世紀70年代發(fā)展而成，在測量時值考慮強迫振動作用，不需要考慮阻尼之間的關(guān)系，在鎖定截面面積后，將截面分為正方形、矩形和三角形三種形式，記錄每個形式的脈動風荷載。建筑物所受的風向氣動性能與所處的環(huán)境位置也有關(guān)，即高層建筑是處于海岸地貌、鄉(xiāng)村地貌還是市區(qū)地貌對于測力結(jié)果都會產(chǎn)生不同的影響。橫風向氣動力譜的峰值反應所受風力，如果峰值增高，則表示受到的風力增加；如果峰值降低，則表示受到的風力減少。

2 典型截面超高層建筑橫風向阻尼識別

在確定典型截面超高層建筑橫風向氣動力后，對典型截面超高層建筑橫風向阻尼進行識別。經(jīng)過大量實驗研究可以發(fā)現(xiàn)，當折算風速超過6m/s時，使用氣動力譜得到的響應結(jié)果要遠遠小于橫風向負氣動實驗得到的結(jié)果，這種誤差很容易造成建筑設計上的計算錯誤，甚至會形成危險建筑物。氣動阻尼力隨建筑物高度的增加而逐漸錐度化，如圖3所示：

圖2 典型截面超高層建筑受到的氣流

圖3 氣動阻尼力的錐度化變化過程

對圖3進行具體解釋如下：由于在不同高度下，建筑物受到的風荷載力不同，所以氣動阻尼力也不同，會隨著階梯收縮而收縮。超高層建筑中存在多個切角，如果切角上受到的氣動阻尼力與橫風向力不同，則代表截面建筑高層受多個氣壓影響。立面階梯很容易與方形截面生沖突，形成漩渦脫落，所以分析氣動阻尼力氣動阻尼力的錐度化變化過程可以更好地識別橫風向氣動性能。

計算氣動阻尼時需要將剛性模型和氣動彈性模型放到一起做統(tǒng)一對比，建立出一個模擬風場，在所建立的模擬風場中分離氣動阻尼數(shù)值，借助系數(shù)參數(shù)識別出氣動阻尼的輸出信息值。系數(shù)參數(shù)識別是一種隨機性很強的方法，在高密度的系數(shù)下計算出各個參數(shù)，根據(jù)模擬狀態(tài)分析分辨率，如果分辨率降低，則代表超高層截面的風向氣動性能計算精度降低。

3 典型截面超高層建筑橫風向氣動荷載的計算

在不同模型下荷載因子具備的荷載力不同，剛性模型斷面形式有如下5種：

圖4 剛性模型斷面形式

圖4中的剛性模型皆為矩形，高度都為300m，在同等壓力下測量每個模型的橫風向氣動荷載，模型1的測量點共有150個，模型2的測量點有200個，模型3的測量點有250個。以此類推，在不同的截面面積下荷載因子會產(chǎn)生不同的荷載力，所以受到的橫風向氣動力不同，產(chǎn)生的氣動性能也不同。

超高層建筑的橫風向氣動荷載是通過平均風和紊流導致的，計算時可以設置多個荷載因子，根據(jù)每個荷載因子在動態(tài)和靜態(tài)下的風荷載來判斷氣動荷載，假定風場屬于B類和D類，兩種風場的理論值和實際值完全吻合。在這兩類風場中，典型截面超高層建筑受到的橫風向紊流度和順風向紊流度不同，橫風向紊流度是順風向紊流度的70%，而順風向紊流度能夠與氣動性能譜較好地融合。橫向氣流紊流度與建筑物的實際高度滿足如下關(guān)系：

Gray(rgb(x,y))=(0.1R+0.4G+0.5B)(x,y)

(1)

公式(1)中，R代表建筑物在橫向的風速，G表示在高度風速的平均值，B代表豎向風速的平均指數(shù)，x代表典型截面超高層建筑橫風向氣動力值，y代表順風向氣動力值。通過上述公式計算出典型截面超高層建筑橫風向氣動荷載即Gray。

超高層建筑的截面有多種多樣，鑒于研究的復雜性，只能選取典型截面的超高層建筑進行分析。典型截面的橫風向氣動荷載因子與普通截面的荷載因子相同，換言之，所有普通截面超高層建筑橫風向氣動性能都是在典型截面超高層建筑橫風向氣動性能的延伸，通過研究超高層建筑典型截面的橫風向氣動性能可以分析所有類型超高層進駐橫風向氣動性能。

4 實驗研究

為了檢測對典型截面超高層氣動性能的研究效果，與傳統(tǒng)研究方法進行了對比，針對矩形、正方形和三角形三種截面進行研究，設計了對比實驗。

4.1 實驗參數(shù)設計

實驗參數(shù)如下表1：

表1 實驗參數(shù)

4.2 實驗過程

根據(jù)上述設定的參數(shù)進行實驗，對正方形、矩形和三角形三種典型截面的高層建筑進行橫風向氣動性能研究，分別記錄在不同截面下傳統(tǒng)研究手段和所提方法對氣動性能的研究效果，并與實際效果進行對比。

4.3 實驗結(jié)果與分析

得到的實驗結(jié)果如下所示。

(1)正方形截面超高層建筑橫風向氣動性能研究對比實驗結(jié)果

觀察圖5，在第一次試驗時，超高層建筑正方形截面的實際氣動性能值為50，所提方法得到的氣動性能值48，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值80；在第三次試驗時，實際氣動性能值為22，所提方法得到的氣動性能值19，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值68；在第五次試驗時，實際氣動性能值為20，所提方法得到的氣動性能值20，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值50。

圖5 正方形截面高層建筑氣動性能研究

(2)矩形截面超高層建筑橫風向氣動性能研究對比實驗結(jié)果

對圖6進行分析，在第一次試驗時，超高層建筑矩形形截面的實際氣動性能值為92，所提方法得到的氣動性能值98，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值58；在第三次試驗時，實際氣動性能值為52，所提方法得到的氣動性能值70，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值60；在第五次試驗時，實際氣動性能值為69，所提方法得到的氣動性能值71，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值48。

圖6 矩形截面高層建筑氣動性能研究

(3)三角形截面超高層建筑橫風向氣動性能研究對比實驗結(jié)果

由圖7可知，在第一次試驗時，超高層建筑正三角形截面的實際氣動性能值為58，所提方法得到的氣動性能值51，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值32；在第三次試驗時，實際氣動性能值為52，所提方法得到的氣動性能值48，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值31；在第五次試驗時，實際氣動性能值為54，所提方法得到的氣動性能值54，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動性能值28。

圖7 三角形截面高層建筑氣動性能研究

4.4 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果，得到如下實驗結(jié)論：超高層建筑受到的橫風向性能會隨著建筑外形的改變而發(fā)生變化。目前研究的高層建筑物主要是針對簡單形體的，即標準狀態(tài)的正多邊形，但是在實際工作中，建筑物的橫截面往往比較復雜，而且會隨著高度的增加而不斷收縮，當達到一定高度后，橫截面要進行切角處理、穿洞處理等，這樣導致截面形狀更加復雜。復雜的外形會使建筑物的尾流激勵強度增加，空間相關(guān)性發(fā)生改變。高層建筑物如果缺少深入徹底的研究，很容易出現(xiàn)橫風向氣動力譜錯誤的狀況。所以在研究氣動阻尼時，需要考慮多個因素。如：折算風速、紊流速度、建筑的高度、寬度和長度等，這對于剛性模型和氣動阻尼的要求都很高。系統(tǒng)識別是解決上述問題的有效方法，在頻域分析中得到多個數(shù)據(jù)點，結(jié)合實際情況分析氣動性能。對于不同的響應，荷載能力不同，氣動力大小與分布也不同，需要結(jié)合具體內(nèi)容具體分析。

傳統(tǒng)的氣動性能研究方法缺少成熟度，在測壓檢測等方面花費的精力較少，從而導致理論值和實際值中間有很大的誤差。所提方法針對多種典型截面超高層建筑的氣動性能進行分析，不僅能夠有效提高準確率，同時也能夠降低重現(xiàn)期峰值，確保建筑物的質(zhì)量。雖然傳統(tǒng)氣動性能研究方法在某些時刻與實際值較為貼切，但是就整體而言，所提的氣動性能理論與實際值的相似度更高，對于建筑高層建筑的幫助更大。

5 結(jié) 語

針對上述問題對典型截面超高層建筑橫風向氣動性能進行深入的研究，通過分析超高層橫截面受到的氣流判斷建筑氣動性能，建立多個剛性模型，對每個剛性模型進行具體的分析，給出測量點，根據(jù)測量點判斷橫風向阻尼，最后計算了典型截面超高層建筑橫風向氣動荷載。所提方法屬于理論研究，所提方法對于超高層建筑有積極的促進作用和一定的指導意義，但還缺少實際檢測，需要在實踐中落實研究的可行性。