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超高层开洞建筑风荷载的研究现状郭攀

发表时间：2020/9/15 来源：《基层建设》2020年第15期作者：郭攀

[导读] 摘要：随着新型建筑材料的广泛使用和工程技术的不断创新，城市中超高层建筑如雨后春笋般拔地而起，多数超高层建筑的特点表现为细长、柔、低阻尼，对风的作用越来越敏感。

        广州大学土木工程学院广东省广州市 510006
        摘要：随着新型建筑材料的广泛使用和工程技术的不断创新，城市中超高层建筑如雨后春笋般拔地而起，多数超高层建筑的特点表现为细长、柔、低阻尼，对风的作用越来越敏感。特别是在台风多发地区，风荷载广受关注，已成为结构安全设计的控制荷载。为了提高结构抵抗水平风力的性能，科研人员做了许多研究工作，提出了一些有效的气动抗风措施，例如立面开洞就是其中一种。
        关键词：新型建筑材料；超高层建筑；风荷载；气动抗风措施
        1.超高层开洞建筑国内研究现状
        立面开洞后会改变建筑外表面的风压分布，而且洞口的几何形状、设置高度和长宽比等这些因素都会对建筑所受到的风荷载和风致响应产生一定影响。国内学者先后对此进行过相关的研究与分析，取得了一些重要成果。
        对于矩形截面超高层建筑来说，比较常见的开洞方式有迎风面单向开洞、侧面单向开洞和四面双向开洞三种[1]（见图1-2），这类建筑风效应的研究主要通过风洞试验和数值模拟技术进行。
        王春刚等[2]通过风洞测压试验，研究了不同开洞率的巨型高层建筑刚性模型各表面风压分布随风向角的变化规律，并通过表面积分方法得到结构总体风荷载。分析表明：设置洞口可以减小建筑总体平均风荷载，在上部开洞对减小基底弯矩非常有利，而在中上部开洞对减小总体平均风荷载更为有效；并非洞口越大减小的风荷载百分比越多，应该存在最优开洞率；风荷载沿建筑高度的变化特点是中上部偏大、两端小。

        图1-2不同开洞方式模型示意图
        张耀春等[3]对不同开洞率、不同开洞工况下（图1-3）的高层建筑刚性模型进行了风洞试验研究，指出开洞建筑表面平均风压减小主要是因为受荷面积减少引起的。根据试验结果，对模型各表面的平均风压系数、风荷载体型系数进行了详细计算，认为风荷载体型系数沿建筑高度分段取值更为合理。
        李永贵等[4-5]对不同开洞率、不同位置开洞的高层建筑刚性模型进行了风洞测压试验，根据试验数据计算得到模型各表面的风压系数、极值风压和平均基底风荷载，分析了基底风荷载系数随风向角的变化情况。研究了风荷载系数相对值与开洞率之间的关系以及层风力随建筑高度的分布特点，深入地考察了洞口对高层建筑风荷载的影响。
        陈伏彬[6]在大气边界层风洞中对0.5H和0.85H高度处设置洞口的高层建筑刚性模型开展了测力试验，通过封堵洞口获得在不同洞口尺寸、高度、位置以及数量的工况下高层建筑风致基底反力，并从基底弯矩系数和基底弯矩功率谱两方面研究了洞口对高层建筑顺风向与横风向风效应的影响。

        图1-3全封闭与不同开洞位置的建筑模型
        针对已建成的开洞建筑有学者也开展过相关的研究，如胡晓依等[7]对某一假日酒店的刚体模型进行了风洞试验，分析表面开洞对建筑局部风荷载的影响以及圆截面结构风荷载分布特点，结果表明开洞会增大局部风压，会对围护结构造成破坏。
        全涌等[8]分析了长边立面上不同开洞工况下建筑各表面平均风压系数和最不利风压系数的变化规律。指出当长边立面迎风时，背风面洞口附近区域的负压系数绝对值增大，迎风面上的平均风压系数减小幅度不大；当短边立面迎风时，侧面洞口附近的平均风压系数没有明显变化；开洞对长边立面最不利负压系数有较大影响，但对短边立面最不利风压系数只产生微弱影响。
        另外，城市地区超高层建筑排列整齐，密集度越来越大，建筑间的群体效应也可以使风速显著增大，这就为将超高层建筑环境中风能转化为电能提供前提条件。如李秋胜等[9-10]围绕广州珠江城大厦项目开展全面的研究，包括风洞试验、数值模拟和有限元分析。根据研究结果，认为利用开洞超高层建筑实施风力发电是可行的。
        以上大多以风洞试验作为研究手段，而王磊等[11]选用RNG-湍流模型对不同开洞位置（数目）的超高层建筑风压特性进行了数值模拟，考虑了湍流度、湍流积分尺度、长宽比、风向角等因素的影响。夏祥忠等[12]采用RNG-湍流模型对不同高度设置洞口的高层建筑进行数值模拟，发现洞口对迎风面和侧面风压以及顺风向基底弯矩都有影响。袁伟斌[13]分别对短边开洞和长边开洞的高层建筑风荷载特性进行了数值模拟研究，得到不同风向角下洞口周边风压系数分布以及风环境变化。李渊博[14]选定SST-湍流模型对超高层开洞建筑进行三维数值模拟，研究了不同开洞工况下建筑表面平均风压分布和洞内风速放大效应，并通过洞口周围的绕流流场解释了开洞对建筑表面风压分布影响的作用机理。
        2.总结
        本文通过对国内超高层开洞建筑的既有研究成果进行了回顾，可知立面开洞减小建筑的受荷面积，削弱强风对超高层建筑的破坏力，最终达到减小建筑风荷载及其风致响应的目的，这在结构抗风方面展现出很大的优势。
        参考文献
        [1]顾明,张正维,全涌.降低超高层建筑横风向响应气动措施研究进展[J].同济大学学报:自然科学版,2013(03):5-11.
        [2]王春刚,张耀春,秦云.巨型高层开洞建筑刚性模型风洞试验研究[J].哈尔滨工业大学学报,2004(11):5-8+100.
        [3]张耀春,倪振华,王春刚,等.高层开洞建筑测压风洞试验[J].建筑结构, 2006,036(002):86-90.
        [4]李永贵,李秋胜.开洞高层建筑风压分布特性试验研究[J].建筑结构, 2015,045(013):79-85.
        [5]李永贵,李秋胜,戴益民.开洞高层建筑风荷载的试验研究[J].振动与冲击,2015,000(011):63-67.
        [6]陈伏彬,李秋胜.大开洞对高层建筑风效应的影响研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2015(3):84-88.
        [7]胡晓依,杨飞,邓洪洲,等.开洞建筑风压分布特性风洞试验研究[J].结构工程师,2008,24(3):102-106.
        [8]全涌,严志威,温川阳,等.开洞矩形截面超高层建筑局部风压风洞试验研究[J].建筑结构,2011,041(004):113-116.
        [9]李秋胜,李永贵,陈伏彬,等.超高层建筑的风荷载及风能发电应用研究[J].土木工程学报,2011(07):37-44.
        [10]李秋胜,陈伏彬,黄生洪,等.超高层建筑上实施风力发电可行性研究[J].土木工程学报,2012(09):19-26.
        [11]王磊,王海澎,王述良,等.开洞高层建筑风压特性数值模拟研究[J].武汉理工大学学报,2012,034(005):122-126.
        [12]夏祥忠,陈锐林,任海龙,等.不同高度开洞对高层建筑风特性影响的数值模拟[J].安徽工业大学学报:自然科学版,2016,33(4):354-359.
        [13]袁伟斌,李泽彬,叶呈敏.局部开洞对高层建筑风荷载特性的研究[J].浙江工业大学学报,2016,044(004):451-455.
        [14]李渊博.超高层开洞建筑风效应研究[D].长沙理工大学,2017.