深圳地王商业大厦结构风荷载效应分析（可编辑）

深圳地王商业大厦结构风荷载效应分析（可编辑） 深圳地王商业大厦结构风荷载效应分析 第 卷 第 期 建 筑 结 构 年 月 !" # $%%" # 深圳地王商业大厦结构风荷载效应分析 王亚勇 罗开海 杨 沈 (中国建筑科学研究院 北京 ) #%%%#! 〔提要〕 根据在深圳地王商业大厦!&’ " 高程处对风速和结构风振动 的多次测试数据，按现行《建筑结构荷 载规范》( ― )、《日本建筑学会对建筑物荷载建议》以及笔 者提出的风速剖面模型确定的风荷载， *+"%%%, $%%# 采用-./$%%%的空间有限元程序对该高层建筑结构进行了风反应计算分析。计算结果与实测结果对比得出 以下结论:在!%% 以上高程，风速剖面不再按指数或对数规律分布，而呈抛物线或多项式曲线规律分布。因 此，在对高度超过!%% 的超高层建筑结构进行风反应分析时，我国现行《建筑结构荷载规范》的风荷载取值可 能偏高，建议进行调整。 〔关键词〕 风荷载 风速剖面 高层建筑结构 风振动分析 位移反应 !"#$&’& *+,-.+-,#$/0& "&0+ 2’"34 #3 ,+50*6&.,#0, *50"750"8’9#" ; 90, % 1 % 1 : : ， ， ( ， ， ) !-+5 ,012 4162 78691:;1: 412 -; 2 ;:21. 1? 6@+8:A?:2 B C ; + ::2 #%%%#! ;:21 3 5 3 3 5 3 E 3 : ! &+,#.+-FD8 F8D1A121AC C6@F; ?:CA1 2FD C62C F6F; H:2?A61?1F1AF:F8? 6@!&’ " 1D 1DD: ?68F@6D 5 G G F; -; 2I; 2J:H12 K6H DLK; H:2?A61?:C? @:2 ?D C F:M AN F; ;:2 C -F12?1D? 3 G 5 5 !"#$%"$& " *&+&,-/ ’ . ( ― )， ’ " 01-2$-/ 3 14 1 &, *+"%%%, $%%# F; O112 C ;:F F8D :1F:62 C5$6-4&" 01-2$-/ !"#$,12? ’ . G ’ . F; 6? A6@H:2?M :F: C :M 2N 18F;6DCL. !PJ @:2:F A 2F 6? A:CN8:AF8 @6DCFD8 F8D1A121AC:CH:F;F; 3 5 G 5 D6D1 -./$%%%LK; 6 8F1F:62 :C 6 1D ?H:F; F; @: A? 1C8D 2F12?F; 62 A8C:62C1C@6AA6HC1D G 3 G G : ?D1H2F; ?:CFD:N8F:626@H:2?M :F: C1A62 F; 1AF:F8? 1N6M !%% :C26A62 D@6AA6H:2 F; Q62 2F:1A6D 3 3 3 G A61D:F; A1H N8FF; 1D1N6A16D;:; 6D? D 6A26 :1AA1HLK; D @6D F; H:2? A61? :C6M DM1A8 ? N 6? 3 G 3 G 5 5 ― *+"%%%, $%%#@6DC8 D;:;PD:C N8:A?:2CH:F;F; ; :;F6@!%% 12?1N6M L G 3 3 3 : ; ; ; ; ; 09 ,3&H:2?A61? H:2?M :F 6? D1 D M:ND1F:2 121AC:C ?:CA1 2FD C62C % 5 5 G 3 5 G G 一、前言 压沿高度的变化规律，都是基于年最大风速的数理统 深圳地王大厦由办公主楼和公寓副楼、两座塔楼 计的结果，以年最大风平均时距为 #% :2连续记录的 和下部四层裙楼组成，主楼 S% %%至大屋面标高为 风速数据为统计样本。由于我国目前对高程 #%% 以 ，至小塔楼屋面标高 ， 层，副楼高约 上的风速测试资料相当缺少，因此，对于 以上的 $,T & !$& ," U, #%% ##U ，裙楼高$# ，总长约 $%% 。主楼和副楼置于裙 超高层建筑沿高度的风荷载分布，仍按指数规律描述 楼东西两端。建筑主体为钢筋混凝土组合结构，主楼 是缺少依据的，会产生不尽合理的结果，国外的风速测 为框筒结构，核心筒采用劲性钢筋混凝土，外框架柱为 试资料和相关研究已经指出这个问题。根据安装在深 钢管混凝土结构。主楼高宽比约为 ，因此主楼结构 圳地王商业大厦!&’ " 高程处测风仪对风速和结构 , 的高度及体型均超过《建筑抗震规范》( ― 风振动的多次测试数据，假定抛物线或多项式曲线风 *+O## ， ― )，《钢筋混凝土高层建筑结构设计 速分布模型，计算 !&’ " 处的风荷载建立空间有限 T, *+"%%## $%%# 与施工规程》( ― )和《高层建筑混凝土结构技术 元结 构分析模型，与按照我国《建筑结构荷载规范》 O*O! ,# 规程》( ― ， ― )的适用范围。由于深 ( ― )以及《日本建筑学会对建筑物荷载 O*O! $%%$ O#TU $%%$ *+"%%%, $%%# 圳位于沿海地区，风荷载对主体结构设计具有十分重 建议》计算的风荷载作用下地王大厦的位移反应进行 要的意义。 对比分析。结果表明，对 !%% 高程以上的风速分布， 根据《建筑结构荷载规范》( ― )，深 采用指数规律描述会导致风荷载取值过大。 *+"%%%, $%%# $ 二、计算模型及风荷载 圳地区的基本风压取值为 , ，对于 以上 % ’"RV #% 高度，按指数规律变化沿高度进行修正，同时再考虑风 结构计算分析与动力特性实测结果 # 振效应及建筑物体型的影响，计算得到设计风荷载。 对地王大厦超高层建筑结构建立空间有限元模 需要指出的是，尽管这种具有思路清晰、概念明 型， 应用 程序对结构的动力特性和风荷载作 -./$%%% 确、易于操作的特点，但是无论是基本风压取值还是风 用 下的位移响应进行计算分析，模型简图如图 所示。 # "" 运用脉动法对结构动力特性(周期和阻 其中， 为 地面( 类)的梯度风高度， $7& 2 $7& . 尼)进行测试。结构动力特性计算分析 ; 为 指定地面的梯度风高度，工程为 类地 ’*&+ $7" 8 与采用脉动测试方法所测得的结构自振 面， 故 ; ， 分别为标准地面( 类) $ .$ . &&+ ! ! 2 7" 78 & 周期比较如表 所示，可以看出，理论计 ! 及指定地面的粗造度指数，工 程中分别为 ， 。 &#!0 &#"" 算与实测结果符合一般规律(脉动法实 将上述参 数代入式()，可得地面粗糙度影响系数: ! 测周期较计算周期略小)。证明此次 计 ! ! &#!0 &#"" $ & !& ’*& !& "# 7& # ( ) ( ) # &#% * 算所采用的计算理论和力学模型比较符 ( ) ( ) !& $ !& && 7" 合结构的实际情况。 即: &#"" &#"" 风荷载模型 " " () "# ! # " ! # &#% * ! " 6 ( ) & ( ) & !& !& 据笔者《深圳地王商业大厦主楼屋 由文〔〕 提供的广东地区的平均风压与平均风速 * 面风速、风向测试( 年度报告)》所提 !$$% " 的关系为 , ， 则: % .! !% & 6 6 供的风速风向测试资料，在 !$$%年度深 " &# ! " 圳地区有两次台风登陆。其中， 号台 & () % # &�!0 # % ’ 6 ( ) & 6 !& # !% & !& 风，风力达 级; 号台风，风力达 图 !! !’ ! 其中， " 为基本风压， , ， 号台风时为 % % .! !% & !& & & & 级。两次台风期间，在深圳地王大厦屋 " " , ， 号台风时为 , ; 为风压 &# 0 9: + !’ &#! 9: + 6 # 顶(标高 )实测 最大平均风速， 号台风 ’ %#*+ !&+,- !& &# 高度变化系数， (, ) ;风荷载的其他修 .�!0 " !& 6 为 ,; 号台风为 # ! ." # *! ’"#’&+ / !’ ! . ’ %#* ’ %#* 正参数按《建筑结构荷载规范》( ― )的规 12*&&&$ "&&! ,。根据风力表中风力与风速的关系， 高 "&#"’+ / !&+ 定取用。 度处 最大平均风速， 级为 ,， !&+,- !! " #*&!’"#0&+ / 工况 :根据 年实测数据推定的矩形风速剖 级为 ,。似乎风速沿高度没有太大 " !$$% !%#"&!"&#%&+ / 变化。《建筑结构荷载规范》( ― )条文说 面确定的风荷载。根据实测数据提供的顶点风速资料 12*&&&$ "&&! 明“在离地面高度为 ’&&!*&&+ 时，风速不再受地面 以及天气预报提供的风速资料可以看出，无论是 !&号 台风还是 号台风，顶点(标高 )实测 粗糙度 的影 响”可 以认 为:地王大 厦顶 点(标 高 !’ ’ %#*+ !&+,- 最大平均风速为 ,。根据风力 )的风速没有受到地面粗糙度的影响，按一 定 ! ." # *!’"#’+ / ’ %#*+ ’ %#* 的风速剖面推算，可以得到对应于标准地面的基本风 表 中风力与风速的关系， 高度处 最大平均 !&+ !&+,- 速。按实测结果取 ,，根据笔者建议的 风速为 ,，似乎风速沿高度没有变化，因 ! .’"#’&+ / " #*!’"#0+ / ’ %#* 风速剖面(工况 )，反算可得 高度处 最大 此，可假 定风速剖面为矩形。又根据文〔〕提供的广东 !&+ !&+,- * 平均风速为 ,，与风力表一致。 " " #**+ / 地区的平均风压与平均风速的关系 , 可 % .! !% & 6 6 以计算出风压。为了便于比较分析，地面粗糙度的影 结构自振周期和阻尼比 表 ! 响取《建筑结构荷载规范》( ― )的规定 12*&&&$ "&&! 周期() 阻尼比( ) / 3 方向 值，即 ，所以高 度 处的设计风速为: 实测 计算 实测 计算 ".&#% * " 东 西 () 4 *#*$ *#$$ #& * ! # "! 6 & 南 北 4 #* *#!* #’ * 根据风压与风速的关系， 高度 处的风压为: " 扭转 ’#’0 ’# 5 5 " , () % # ! !% &&�!0# % * 6 & & 6 # 为了不同风速剖面的合理性，对四种工况进 其中， 为基本风压，同工况 ; 为风压高度变化系 %& ! 6 # 行分析比较，并以 ,作为 号台风( 级)各 " #**+ / !& !! 数， ;风荷载的其他 修正参数按《建筑结构荷 .�!0 6 # 工况的基本风速，按一定的风速剖面确定的风荷载，并 载规范》( ― )的 规定取用。 12*&&&$ "&&! 对风荷载效应进行计算。对 号台风( 级)同样考 !’ 工况 :根据《日本建筑学会对建筑物荷载建议》 ’ 虑四种工况，以同样的方法确定风荷载和计算风荷载 ( )提供的风速剖面确定的风荷载。根据建议，设 !$$0 效应，进一步校验这种比较分析的可靠性。 计风速为: 工况 :按《建筑结构荷载规范》( ― ) ! 12*&&&$ "&&! () ’ # ’ 0 的风速剖面确定风荷载。根据荷载规范 ( ― ; & ; 12*&&&$ 其中， 为标准地面标准高度重现期为 年 )和文〔〕，〔〕，设 高处的基本风速为 ，则 ’& !&& !&+,- "&&! ! " !&+ ! & 平均风速; 为风速剖面系 数， ， 为地形 . 高度 处的风速 为: ; ; " ! 6 ! ! ! 系数，当局部地形条件对风速 没有影响时取 ， 为 !#& $7& & !& " () ! # ! ! 6 ( )( )( ) & 高度变化系数: !& $7" !& *0 ( ) $ #$%# "! # & #+& ’# & 2 # ! " # ! ! 根据文〔〕提供的广东地区的平均风压与平均风 ( , ) % ’$ " # #""! # % & 根据地面分类， ， ， ; 为重现 速的关系有: !"#$*% # "+# # ",%# $ & 期换算系数， ， 为设计重现期(年)， $"#$%-.#$’/0% % ’ + + ( ) & *#$,’,+ ’’ 2 # # 2 取 年。 ’ -# " %# 式中: 为基本风压，同工 况 ; 为风压高度变化系 # ’ 2 根据我国 年设计基准期的要求，本工程的基本 " %# + 风速相当于 , ，因此，设计风速为: 数， "#$,’,+ ; 风荷载的其他修正参数按《建筑结构 2 & "’ $ "’ ! " # # %# 1 1 荷载规范》 ( ― )的规定取用。 () 5%###4 +##’ & ! & 2 2 # 根据《报告》提供的广东地区的平均风压与平均风 速的关系有: + #$ # & # # () *+$34 3 2 ( ) # 2 ’ -# ,%# " 其中， 为基本风压，同工况 ; 为风压高度变化系 # ’ 2 " #$ # 数， (, ) ;风荷载的其他修正参数按 "+$34 # ,%# 2 " 《建筑结构荷载规范》( ― )的规定取用。 5%###4 +##’ 工况 :根据笔者建议的风速剖面确定的风荷载。 图 边界层风速廓线 - * 根据文〔〕，〔〕有关大气边界层的定义及论述可知，大 3 三、计算结果及分析 气边界层的垂直结构如图 所示。其中离地面大约 + 计算二次台风、四种风荷载工况下的结构顶点位 ’##6 的这一层为近地层。在大量观测资料积累的基 移、最大层间位移和层间位移角，并与实测的顶点位移 础上，基于相似理论得出的近地层的风速廓线(剖面) 比较，如表 所示。 + 规律(即指数规律、对数规律等)已经获得了大家的普 遍认可。但是在整个边界层内，由于控制因素众多、高 各工况风荷载作用下计算结果 表! 度范围大，到目前为止还不能用一个成熟的廓线公式 屋顶( ) 最大层间位移 最大层间位移角 , . . 8 +43$*-6 7 7 台风 工况 位移 ( ) 数值( ) 标高( ) 数值( ) 标高( ) 来描述风速的垂直分布。根据文〔〕的风速资料可以 & 66 66 6 !9: 6 , 看出，在整个边界层内风速廓线并不符合指数规律 或 ’ *#4$+ %$4- +43$*- ’,4% +%,$%4 , + 3#$* ’$%’ +43$*- ’+ ++ +%,$%4 对数规律，而是呈抛物线或多项式曲线分布，如图 * ! , ’# * ’,,$4 *$++ +43$*- ’ ’++# +%,$%4 所示。 , - 4*$* ’$ , +43$*- ’+**3 +%+$3- 实测 ,%$,* , ’ ’+’$, +$*- +43$*- ’ ’ ,4 +%,$%4 , + + $-- #$%+ +43$*- ’ 4-# +%,$%4 ! , ’* * -3$% #$44 +43$*- ’* 33 +,-$#4 , - *#$% #$%% +43$*- ’, ,% ++,$%4 实测 +#$-’ 由上述计算结果可知:)由于理论计算所采用的 ’ 图 边界层垂直结构 基本风速、风速剖面、风振系数、体型系数等风荷载参 + 数与实际情况存在差异，各工况风荷载作用下的顶点 据此，笔者依据文〔〕的风速资料假定了一条 位移均大于实测值，说明风荷载取值均偏于安全;)由 ,##6 以下高程风速剖面的多项式曲线: + 于各工况所采用的风速剖面、风振系数等风荷载参数 & & + # 的不同，不同工况风荷载作用下的计算结果存在较大 ’ # - # * () + #$##4+ #$’*4* 4 , ( )- ( ) 的差异。 〔 ’# ’## ’## + 工况 是根据已知的基本风速 ,( 号台 ’ +3$%%6 ;’# # # ,#$ 33# -’$3 ’4 -4$3+#, ( ) ( ) 〕 风)，按《建筑结构荷载规范》( ― )风压沿 ’## ’## 5%###4 +##’ 式中， 为基本风速，当 时，式()的四阶项 高度分布及其他有关规定确定的。按已知基本风速换 & #! *##6 4 # + (括号内第一项)可以忽略不计。 算， 号台风实测基本风压为 , ，只相当于 ’# #$-,3 6 同工况 ，地面粗糙度影响系数取 ，则 规范规定的基本风压 + + #"#$ 3-% , 的 。按实测 #$ % 6 ,+$- 高度 处的设计风速为: 基本风压和规范定义的风压分布计算的结构顶点位移 # % 角和最大层间位移角分别达到了 , 和 , ，远大 的风荷载。虽然计算结果仍然大于实测值，但与工况 !"#$ !#"$ 于实测顶点位移角 , 。如按规范规定的设计风荷 ，相比更为接近实测值。可以认为，风速剖面较其 !%$%# !/ 载(对应基本风压 , 他工况更为合理(见表 , )作用，可以计算出结 构 )。需要说明的是，由于 &’ $ * + / !&&+ 顶点位移角达 , ，大于《钢筋混凝土高层建筑结构 以上的高空风速资料相对缺乏，对整个大气边界层的 !#&, 设计与施工规程》( ― )关于顶点位移角的限值 风速变化还有待进一步观测和研究，本工况的风速剖 -.-/ "! , ;最大层间位移角为 , ，大于《高层建筑混凝 面只 能是对现行规范所规定的风荷载(风速剖面)做一 !"&& !%/% 土结构技术规程》( ― ， ― )关于楼层 种修订。 -.-/ ,&&, -!0# ,&&, 层间位移与层高之比的限值 , 。对照实测的风速 四、结论 !$&& 和结构位移可 以明显看出，《建筑结构荷载规范》 基本风压和风速剖面是决定高层建筑风荷载的两 ( ― )的风荷载取值偏于保守。 个重要因素。 在大量实测数据统计基础上，我国《建筑 .1$&&&" ,&&! 工况 是根据已知的基本风速 ,，假定风 结构荷载规范》( ― )规定建筑风荷载取 , ,0’$$+ 2 .1$&&&" ,&&! 速剖面为矩形，以此推定风荷载。由于实测仅仅提供 值时，规定了各地的基本风压，并假定风速和风压沿建 了顶点风速，没有风速沿高度变化的数据，这种假定明 筑物高度的分布，即风剖面服从指数规律。随着建筑 显不尽合理。因此，尽管按本工况计算的结构位移与 物高度的增加，风速和风压即风荷载迅速增加，特别是 实测值最为接近，但不足为据。 对超高层建筑，当高度超过 !&&+ 以后，风荷载取值偏 工况 是根据已知的基本风速 ,，按《〈日 大，导致 风荷载效应(内力和位移)超出规范限值，给结 / ,0’$$+ 2 本建筑学会对建筑物荷载建议〉有关风荷载的条文和 构设计造成困难。对地王大厦/% ’$+ 高程的风速和 注解( )》提供的风速剖面确定的风荷载。虽然基 风荷载作用下位移响应的测试分析表明，计算风速达 !""# 本风速、基本风压均和工况 一样，但是由于风压(或 到实际风速的两倍，计算位移值为实测结构位移响应 ! 风速)沿高度变化较为平缓(如图 ，)，计算结果比工 的 倍。我国规范取值偏大，有必要进行调整。 % $ %"$ 况 要小得多，接近于实测值。 ()由于在整个边界层内风速剖面不再符合指数 ! ! 规律或对数规律，而是呈抛物线或多项式曲线分布。 各工况风荷载的风速 表! 因此，在进行 !&&+ 以上的超高层结构设计时，有必要 风速( ,) 风力表 + 2 台风 工况 对设计风荷载进行合理的修正或修改。笔者提出，在 风力 风速( ,) !3/% ’$+ !3!&+ + 2 ! 反算 #,’/! 基本,0’$$ !&&"/&&+ 高程范围内，可采用三阶多项式曲线;在 ! , 反算,0’$$ 基本,0’$$ 级 /&&"#&&+ 高程范围内，可采用四阶多项式曲线描述 !& !! ,0’$"/,’# / 反算 /"’&& 基本,0’$$ 风速剖面。 % 实测/,’/& 基本,0’$$ ()由于缺乏足够的实测和试验数据，文中未能就 , ! 反算 /"’&" 基本 ! ’00 , 反算 ! ’00 基本 ! ’00 环境及建筑体型的变 化对风荷载的影响进行分析。实 ! 级 !/ 0 ! ’,",&’ / 反算,%’%! 基本 ! ’00 际上，由于建筑物周边环境及建筑物本身对空气流动 % 实测,&’,/ 基本 ! ’00 的阻碍作用，风荷载在建筑物上的分布是相当复杂的。 这是本文最大的局限性，可能会对笔者所提出的观点 有所影响，欢迎专家同行批评指正。 参 考 文 献 张相庭 高层建筑抗风抗 震设计计算 同济大学出版社， !’ 4 4 !"" 4 黄本才 结构抗风分析原 理及应用 同济大学出版社， ,’ 4 4 ,&&!4 建筑结构荷载规范 ( ― )中国出版社， /’ .1-" 0 4 !"0"4 建筑结构荷载规范 ( ― )中国建筑工业出版社， %’ .1$&&&" ,&&! 4 ,&&,4 王亚勇，张自平等 深圳地 王大厦测振、测风试验研究 建筑结构 $’ 4 4 学报， ， () !""0 !" / 4 高层建筑混凝土结构技术 规程( ― ， ― )中国 #’ -.-/ ,&&, -!0# ,&&, 4 图 各工况风速 图 各工况风压 建筑工业出 版社， % $ ,&&,4 高度分布图 高度分布图 赵 鸣，苗曼倩 大气边界层 气象出版社， ’ 4 4 !"",4 李宗恺，潘云仙，孙润桥 空气污染气象学原理及应用 气象出版 0’ 4 4 工况 是根据已知的基本风速 ,，对应的 % ,0’$$+ 2 社， !"0$4 , 宣 捷 大气扩散的物理模 拟 气象出版社， 基本风压为 , ，按笔者建议的风速剖面确定 "’ 4 4 ,&&&4 &’%#0 * + $0