纤细超高层结构横风效应专题讨论——评估手段1：数值风洞

随着一线城市用地和人口的矛盾激增以及二线城市的高速发展，国内近年来出现了越来越多体型纤细的超高层建筑，高宽比达到1/9~1/12，有些甚至更大。在像深圳，中山这些处于大湾区的沿海地区城市的超高层，风荷载往往成为这类建筑最最关键的设计因素，而且往往是横风向风荷载控制。问题是，在项目很前期的概念和方案阶段，当设计师运用国内风荷载规范进行横风向风荷载计算的时候，得出的结果数值往往十分巨大，达到顺风向的5~6倍甚至更大，根本无法进行设计，实际上也没有那么大。这可能由于这类建筑的高宽比已经超出了规范公式的适用范围，规范条文说明里有注明适用范围，也就是说中国规范对于这种建筑已经不适用，我们需要寻求其他手段去评估纤细超高层的横风效应。这个问题应该在该类超高层建筑设计中较为常见。

图1-1某纤细超高层(图来源于网络)

 

风洞试验当然是最可靠的方法，但在前期阶段，方案体型还没确定，业主也不希望进行多次价格昂贵的风洞试验，而且考虑到试验的时间周期，这时候往往无法进行风洞试验。其实除了风洞试验，还要其他方法可以尝试，如使用相似体型建筑的已有风洞试验数据进行参考，其他国家的规范以及数值风洞的方法。本文结合算例讨论运用数值风洞的方法去评估纤细超高层的横风效应。

 

2.    湍流入口+大涡模拟

 

要进行横风效应的评估，我们需要采用瞬态的数值模拟方法，本文采用“湍流入口+大涡模拟”的方法进行CFD分析。跟风洞试验一样，要求得建筑在大气边界层中的风荷载。在分析之前，为了模拟大气边界层，要定义大涡模拟的湍流入口边界条件。此边界条件需要满足平均风剖面和湍流度以及目标功率谱（常用卡曼谱）的要求。

  图2-1 湍流入口

 

作者曾针对“湍流入口+大涡模拟”的方法进行过校核计算，如下图所示为AIJ标模和某实际项目的横风向基底弯矩功率谱与试验对比情况，结果表明，在峰值一定范围附近，数值模拟结果能够较好地模拟和反映横风效应，与风洞试验结果吻合较好。但由于网格精度的问题，低频段和高频段部分能量有所丢失。由于横风效应明显的建筑在尖峰附近，故此方法应可为横风向计算提供一定的参考。

a) AIJ标模

  b)      某实际项目1

C）某实际项目2

图2-2 大涡模拟计算结果与试验对比

 

3.    项目案例

 

以作者最近的一个项目为例子，讨论以上CFD方法在结构设计中的应用。项目为一座接近500m高的超高层，高宽比约为1：9，结构周期在8s~9s之间。

 

项目开始运用规范方法计算了结构风荷载，发现规范横风向荷载往往过于保守，到5~6倍顺风向风荷载，同时运用了加拿大规范NBCC对风荷载进行了计算，横风向约为顺风向的1.45倍。

 

为对前期横风向风荷载的评估更有把握，对塔楼进行了数值模拟计算。计算网格约1000万，采用32核并行计算，计算时长约120个小时。计算结果如下图所示：

图3-1 网格和流程结果

图3-2 50年(左)和10年(右)重现期下基底弯矩谱

从基底弯矩功率谱看，塔楼的斯托罗哈数约0.125，结合平面来看，判断在合理范围之内。分别计算了不同周期下的风荷载和顶点加速度，并对加速度进行了阻尼比敏感性分析。  

表3-1 加速度

阻尼比	0.015	0.025	0.025
T=7.52s	0.175	0.114	0.078
T=8.60s	0.306	0.189	0.142
T=10.03s	0.401	0.246	0.180

表3-2 横风向基底弯矩(MN.m)

T=8.83s	28448
T=7.36s	32068
加拿大规范	34529

 

结果表明，当周期在峰值处(T=7.36s)时与加拿大计算结果接近。峰值位置的模拟可以为后续结构方案设计提供优化方向，通过谱我们可以看到，结构频率在峰值左边区域，也就是说当结构变柔，结构频率继续往左移动，风荷载将会减小。当然这同时可能会引起加速度的增加，因为10年回归期的峰值位置相对50年谱在更靠左的位置。对于顶点加速度可采用增加阻尼的方法进行抑制，从阻尼敏感性分析看，加速度对阻尼还是挺敏感的。

 

4.    小结

 

通过“湍流入口+大涡模拟”的方法，一方面为纤细超高层结构提供了荷载大小的参考，另一方面通过对基底荷载谱和阻尼敏感性的分析可为结构方案设计方向提供指导，更加合理地推动了结构设计的进行。

 

但是需要注意的是，数值模拟有其局限性，其精度有待考究，要在专业风工程和有经验的结构工程师反复考察后使用。

 

最后，对于纤细体型的超高层横风效应的问题，应该比较常见，大家在遇到此类问题的时候是如何解决的？强烈欢迎留言讨论，想听听大家的意见！