超高层建筑结构抗风设计综述

由于超高层建筑的高、柔特性,所以结构对风荷载十分敏感,风振效应及舒适度是超高层建筑结构设计中不可忽视的问题。主要介绍超高层建筑抗风设计中的问题,包括风荷载取值、风振效应、结构舒适度指标以及振动控制方法与应用。对于体形规则、质量分布均匀的超高层建筑,我国规范提出了风振效应和舒适度的简化计算方法。对于结构形式复杂的超高层建筑,结构的风振效应和舒适度往往通过风洞试验确定。控制超高层建筑风致振动有两种方法:通过空气动力学优化结构形态;采取结构控制措施,包括被动控制、主动控制、混合控制以及锚索控制等。     

我国高度250 m以上超高层建筑结构现状与分析进展

我国250 m以上超高层建筑数量日益增加，超高层建筑由长三角、珠三角地区逐渐向全国其他区域扩展，其中环渤海地区以及部分二线城市中超高层建筑发展迅速。对不同高度的超高层建筑，其常用的结构体系为：框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑结构。分析表明：随着结构高度的增加，巨型框架和巨型支撑应用较多，混合结构在超高层建筑结构中广泛应用。通过实际工程造价分析，研究了建筑高度、抗震设防烈度、结构材料对超高层建筑工程造价的影响。分别从超高层建筑形态空气动力学优化和长周期响应方面，阐明了超高层建筑结构分析、设计中的关键问题。采用黏滞阻尼器可有效降低超高层建筑结构地震响应，对黏滞阻尼器在实际超高层建筑中的应用现状及发展前景进行了简要介绍。     

某弧形平面超高层建筑结构方案选型与分析

对某弧形平面超高层建筑的结构概念设计、结构选型、结构布置方案及结构优化等过程进行论述,初步揭示弧形平面超高层建筑结构设计时需关注的主要问题。通过对某弧形平面超高层工程结构抗侧力构件布置的不断优化,最终得出了既满足建筑使用要求又符合规范关于侧向刚度、平面抗扭刚度等要求的合理的结构布置方案。     

风洞试验在建筑研究与设计中的应用

对于大跨度建筑、超高层建筑等空间结构,特别是其中柔度较大的结构而言,风荷载的影响十分明显。而由于这类建筑通常具有复杂的空气动力学特性,因此在对其进行研究与设计时风洞试验往往是最有效的方法之一。介绍了风洞试验的方法与特点,总结了风洞试验在这类建筑中的应用,并探讨了风洞试验的未来发展。     

锥形超高层建筑脉动风荷载特性

采用同步测压技术,进行了具有不同锥率的超高层建筑刚性模型风洞试验,对该类建筑物的脉动风荷载特性进行了研究。结果表明：超高层建筑采用锥形轮廓后,延长了来流在建筑物侧风面漩涡脱落的卓越频率,横风向升力系数功率谱谱峰小幅下降,有利于缓解风荷载作用下建筑物横风向风荷载及其风致效应,这对横向风风致效应起控制性作用的超高层建筑十分重要。对比分析表明：随着建筑物锥率的增加,横风向升力系数归一化功率谱谱峰下降,功率谱带宽增大,升力系数根方差减小。但是,超高层建筑锥率的变化对顺风向阻力及扭转向扭矩影响较小。锥形超高层建筑的相关系数、相干函数的变化规律与普通棱柱形超高层建筑基本一致,但其升力以及升力与扭矩之间的相关性有所减弱,相干系数小幅增加。     

基于结构风荷载的超高层建筑体型参数优化研究

风荷载是超高层建筑结构设计的重要控制荷载,在超高层项目的前期方案阶段进行合理的体型比选和优化,有利于合理把控风荷载从而控制方案工程造价。本研究以高宽比、宽厚比和平面外形等因素作为变化参数设计一系列研究工况,借助CFD数值模拟手段进行模拟研究,分析各参数对主体结构的平均风荷载影响,研究表明超高层建筑的体型参数存在一定的合理区间范围,建筑方案设计阶段需要风工程师提前介入辅助开展抗风优化和选型工作。     

太原柳北超高层办公楼核心筒设计探讨

超高层建筑体型大、功能复杂、容纳人员众多，基本上呈现竖向条形态向上伸展的塔楼形态，主塔楼标准层平面小、层数多；超高层建筑核心筒布置的合理与否直接关系到建筑的品质、经济性和使用效率，超高层建筑核心筒在解决好至关重要的建筑结构和消防安全性的同时，还应解决好建筑内部的垂直交通及电梯配置，以便核心筒设计能有效的提高超高层建筑的运行效率和使用效率。     

上海中心大厦结构抗风设计

上海中心大厦为超高层建筑,建筑立面呈三维曲面和旋转形态,合理的抗风设计对结构的安全性、适用性和经济性具有重要意义。通过对上海中心大厦的风气候、建筑外形空气动力学优化以及风洞试验研究,获得了体型系数、斯托罗哈数和地貌类别等计算参数,分析了上海中心大厦风致振动、舒适度以及调谐质量阻尼器对风振舒适度的影响。研究结果表明：采用Vickery风场模型预测得到的梯度风速比采用Georgiou模型预测得到的梯度风速有所增加;风荷载下的结构响应大于多遇地震作用下的结构响应,但小于基本烈度地震作用下的结构响应,合成位移角满足1/500限值的要求。图13表11参14     

复杂地形下超高层双塔建筑风荷载特性研究

处于大气边界层中的建筑,由于流体存在着复杂的涡旋以及流动分离,建筑表面的风荷载十分复杂。对于位于城市中心的超高层双塔建筑,地势高差大,其风荷载特性更是复杂。要对这类建筑进行精细化分析,必须详细研究地形及周边建筑对建筑风荷载的影响。本文以刚性模型测压试验为基础,分别研究了超高层双塔建筑的局部风压体型系数、脉动风压系数、层阻力(升力)系数及层阻力(升力)功率谱。并研究了地形、周边建筑对建筑风荷载特性的影响,以及双塔之间风荷载的干扰作用。为复杂地形下超高层双塔建筑风荷载研究提供了参考。     

风荷载作用下的高层建筑结构设计

分析了风荷载基本特性及高层建筑特性,提出基于风荷载高层建筑物体型的设计方式,加强高层建筑平面设计,采用椭圆形、圆形等流线形平面设计方式,采用复杂平面的设计方式,提高抗侧刚度,采用并联高层楼群设计方式,采用泄风设计方式。以实际工程为研究对象,分析风荷载作用下的结构设计,对超高层建筑结构设计具有一定的参考意义。     

大高宽比方形截面高层建筑的横风向风荷载及风致响应研究

基于一栋高层建筑的刚性模型表面压力测量风洞试验数据,分析了高宽比较大且截面为方形的高层建筑横风向风效应的共同特征。得到如下结论:高层建筑横截面为方形时,其横风向风荷载主要由规则性旋涡脱落导致的尾流激励构成,为窄带随机激励;当高层建筑的高宽比较大时,基阶固有频率相对较低;当高层建筑兼具方形截面和大高宽比这两个特征时,其基阶固有频率可能接近其尾流的旋涡脱落频率,从而发生剧烈的横风向涡激共振。建筑结构截面的小幅增大可使这种剧烈的横风向涡激共振得到有效控制。上部外形的适当处理,也可能有效降低高层建筑的横风向等效风荷载。低矮群楼的出现将在一定程度上影响高层建筑的风荷载。     

高层建筑顺风向脉动荷载相干性研究

在确定高层建筑顺风向风致响应及等效静力风荷载时,顺风向荷载的竖向相干函数是非常重要的因素之一。目前的大多数研究均是以风速的相干函数来代替风压的相干函数,导致计算结果的误差较大。根据多个高层建筑模型表面测压风洞试验结果,详细分析高层建筑脉动阻力在B、D两类风场中的竖向相干特性,给出顺风向阻力竖向相干函数衰减指数CDz的公式,并与有关文献中提出的Davenport、Shiotani、ECCS等三种风速相干函数的表达公式进行比较,指出阻力相干性要明显大于风速相干性。结合准定常理论,计算一栋实际高层建筑的顺风向风致响应。结果表明:利用给出的阻力竖向相干函数得到的结果与根据风洞试验数据计算的结果相吻合,而其他几种表达公式导致的响应误差则较大,最大可达30%。     

哈尔滨点式高层建筑形态对风环境影响的模拟研究

诚然,长期以来,太多的人所关注、赞美、效仿的是高层建筑的辉煌。但对于高层建筑来说也有其危机的一面,恰恰是容易被人忽视的,如高层建筑带来了风环境的恶化和潜在的安全危机问题。从高层建筑周边风环境的安全性、舒适性的角度入手,运用fluent软件对哈尔滨不同形态的点式高层住宅建筑对风环境的影响情况进行模拟分析,从而总结出适合寒地城市点式高层建筑的设计策略。     

拟建高层建筑风环境对周边建筑遗产影响评估——以广州同盛机器厂旧址为例

高层建设项目将对风环境造成严重影响,给遗产保护利用带来新的问题与隐患。于是在城市规划设计早期,评 估拟建高层建筑风环境对周边建筑遗产的影响显得尤为重要。以规划中的广州白鹅潭国际中心商贸区及其中文物建筑 群——同盛机器厂旧址为例,应用 CFD 软件 Phoenics 模拟典型工况下拟建高层建筑风环境的影响。结果显示：①强台 风工况下,屋面风荷载未超过安全限值,由风压分布得出易受破坏部位;②“回南天”工况下,区域通风效果较好,但 风影区影响较大,存在加重生物侵害的隐患;③夏冬季工况下,风廊改善夏季风环境的作用明显,冬季在高层建筑附近 出现下行的高速冷风。依据建筑遗产受影响情况作出预评估,可指导城市高层建筑建设与周边建筑遗产保护协同进行。     

厦门市高层建筑群风场的数值风洞模拟分析

针对高层建筑群的风压、风荷载的分布问题,应用数值风洞方法模拟厦门市高层建筑密集区的风场,并根据数值模拟结果分析高层建筑群静力风效应的一些基本特点。分析结果表明:风场上游的高层建筑对下游的建筑有一定的遮掩效应;当建筑物之间间距较小时,容易产生狭缝效应;在建筑群的外围,迎风面平均风压力较大。同时根据上述分析结果,提出了一些具体的设计建议。     

风洞实验及其在建筑领域应用的研究

近年来,由于建筑工程材料及施工方法的大幅进步,风力成为超高层建筑、体育场馆大跨屋盖、斜拉桥等结构的主要水平荷载。同时随着城市高层及高密度建筑的不断出现,城市空间构成变得非常复杂,由此而产生的各种风环境问题日益受到人们的注意,因此对建筑风环境进行研究很有必要。本文通过探讨风洞实验及其在建筑领域的应用,研究风洞实验在应用于建筑领域的进一步发展中,要注重改进修正的要素及其重要性。     

任意排列两方形断面高层建筑风致干扰机理研究

风致干扰效应是高层建筑群抗风设计中的常见难点问题之一。采用刚性模型测压试验,研究了均匀层流和两种大气边界层风场条件下任意排列两方形断面高层建筑的风致干扰效应,通过平均和脉动基底弯矩系数的干扰因子、风力系数、风压系数分布以及风荷载功率谱的研究,解释了其风致干扰效应的机理。结果表明,任意排列的两方形断面高层建筑风致干扰中,至少存在横风向静力干扰、顺风向静力干扰和横风向动力干扰三个值得注意的干扰区域。 窄道形成的加速效应使受扰结构上形成指向施扰建筑横风向平均吸力和阻塞形成的受扰建筑的横风向平均推力;遮挡效应使得受扰建筑承受指向位于上游的施扰建筑的顺风向风力;漩涡叠加增强位于尾流区受扰建筑上的横风向脉动荷载。不同风场的试验结果表明,提高来流的紊流度有助于减弱上述干扰效应。     

Temperature- and wind-induced air flow patterns in a staircase. Computer modelling and experimental verification

The typical infiltration load for a residential building has been found to range from one-third to one-half of the total space conditioning load. However, most infiltration measurements have been made on single-family houses. Information about the role of infiltration in the energy consumption of large buildings is limited. Furthermore, the prediction of infiltration rates in high-rise buildings is a complex problem. The forces that drive this flow result from the superposition of wind pressure on the faces of the building and the stack effect across the height of the building. Infiltration models have shown the latter effect to be significant in single-family residences, particular in colder climates and, consequently, the stack effect is even greater in high-rise buildings. For this work, we performed tracer gas and fan pressurization measurements on a 30 m tall University of California dormitory in order to determine the importance of both wind and stack effect upon infiltration. Measured pressure and tracer gas distributions were compared with those from a predictive infiltration computer model for high-rise buildings. To study the influence of the air flow pattern around the building, this model uses various wind velocity profiles characteristic of urban areas and different sets of surface pressure coefficients derived from wind tunnel experiments.     

Correction of direction reduction factors of extreme wind speed considering the Ekman spiral in the wind load estimation of super high-rise buildings with heights of 400–800 m

The wind direction in the atmospheric boundary layer (ABL) twists with height due to the Coriolis force; this phenomenon is called the Ekman spiral. However, this phenomenon is generally not considered in the present wind load estimation of super high-rise buildings, which may lead to an incorrect estimation and affect the safety of structures. Therefore, this study considers and analyzes the influence of the Ekman spiral phenomenon in the wind direction reduction effect (WDRE) of the wind load of super high-rise buildings. First, this paper proposes an empirical fitting equation for the twisted wind direction angle for a height of 100–800 m according to the classical Ekman spiral theory model (CE model). Subsequently, on the basis of twisted wind, this paper proposes a method for the correction of the wind direction reduction factors (WDRFs) of strong winds considering the influence of the Ekman spiral phenomenon in the design wind load estimation of super high-rise buildings with heights of 400–800 m. A high-frequency balance force measurement test of a square-section super high-rise building model was performed to analyze the influence of the Ekman spiral phenomenon on the WDRE of the aerodynamic force and wind-induced response. Three Chinese cities (i.e., Beijing, Wuhan, and Kunming) are selected as case studies to illustrate the importance and necessity of the correction method. The results demonstrate that the proposed empirical fitting equation accurately determines the twisted wind direction angle at different latitudes and altitudes. Furthermore, estimating the design wind load while considering the WDRE and neglecting the influence of the Ekman spiral phenomenon may lead to a significant underestimation of the wind load of super high-rise buildings, rendering the designed building structure more dangerous.     

液体黏滞阻尼器在超高层结构上的抗震抗风效果和经济分析

为了保护地震及大风环境下的高层和超高层建筑,加设液体黏滞阻尼器是目前被工程界广泛认同、发展最为迅速、最为有效的结构振动保护方案。综合介绍国内外安装液体黏滞阻尼器的7座高层建筑,对阻尼器的安置方式、减振结构的抗震(振)效果、相关规范以及经济性进行评述。其中墨西哥Mayor大楼、美国波士顿大楼是世界工程界成功应用耗能减震装置的经典案例,银泰中心、盘古大观是我国首批使用阻尼器进行减振控制的超高层建筑,对这些工程采用的计算分析方法,结构抗震设计进行汇总,并提供相关建议和意见,供设计者参考。近期美国几位学者在一座42层钢筋混凝土结构的概念设计中,提出采用阻尼器替代剪力墙体系进行抗震设计的理念,对这一高层建筑工程的抗震新方向进行介绍,引为参考。