网站原创摘 要：为了研究超高层建筑体型选取时应注意的问题,分析总结了既有超高层建筑的体型特点,对其进行了归类,可将超高层建筑按体型特点大致以350m和600m为界分成3个级别.结合大量超高层建筑抗风设计实例及风洞试验结果,分析高宽比和长宽比对风致响应的影响.结果表明,明显弱轴的出现会显著降低结构效率,并结合工程实际对此给予了解释.对不同高度的超高层建筑体型设置给出了部分建议：当前抗风设计和研究应进一步考虑被分析对象在体型选取方面的现实性和合理性,应合理控制高宽比和长宽比以保证结构效率.
关 键 词：超高层建筑；高宽比；风效应；长宽比；建筑体型
中图分类号：TU312.1；TU972.8文献标识码：A
风荷载和地震作用是高层建筑的两大水平荷载,建筑体型设置显著影响了荷载效应,中国《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]对不同抗震设防烈度下高层建筑的体型设置给出了若干规定,但对风荷载却无此方面条文.随着超高层建筑高度的增加,结构各阶自振频率越来越低,风荷载常常取代地震荷载成为水平控制荷载,“重震轻风”的倾向应该得到纠正[2].
气动外形的合理设置可以降低风敏感结构的风致响应[3-4],对于达到一定高度量级的超高层建筑,建筑体型优化被认为是最有效的气动控制措施,因为通过建筑体型优化来改变风特性是“治本”的行为.某大高宽比方形截面建筑风洞试验表明,该建筑横截面尺寸增大7%,在设计风速下的横风向响应就会减小40%～45%[2,5],足见建筑体型对风荷载的影响之大（本文认为,建筑高宽比和长宽比亦属于广义建筑体型的范畴）.对于一般量级的超高层建筑（如300m）,不同建筑外形也会因风荷载大小产生显著影响,并有大量研究成果见诸报道[2-8].整体来看,既有体型优化研究是围绕两方面展开的,一是以标准层断面形状作为着重点,例如倒角、削角等；二是建筑断面沿竖向的尺寸及形状变化,如锥化、扭转、顶部开洞等.
不足的是,既有体型优化方面的相关研究未能将建筑物高宽比、长宽比等宏观指标考虑在内,事实上,超高层建筑长宽比、高宽比的合理确定是后续工作的前提,因为它是建筑师在设计之初以及研究人员在研究对象选取时首先要考虑的问题.因而,一方面超高层建筑高宽比和长宽比本身有一个合理的选取范围需要专门分析,另一方面,在此取值范围的基础上,是否需要进一步做气动优化,采用何种优化方式及其优化效果也值得探讨.本文有所侧重地提出并初步探讨了这两个问题,以期为超高层建筑初步设计、抗风研究对象选取和体型优化研究的下一步工作等提供参考.
至此,可将200m以上的超高层建筑按体型和高度大致分为I,II,III3类,分别为：200～350m,350～600m,600m以上.具体来说,350m以下的超高层建筑断面形状相对多样化,断面尺寸沿竖向变化不大,没有明显的抗风优化措施；350～600m的超高层建筑断面形状多为近似方形,标准层平面尤其是顶部非标准层平面形状设置都起到了气动优化作用；600m以上的建筑则采取了强有力的气动优化方案,断面形状设置和沿高锥形内收设计都明显考虑了风荷载效应.
2风洞试验及结果分析
2.1建筑断面长宽比影响
选取了若干200m以上实际工程做为分析对象,为增加可比性,所选对象主要为武汉地区的实际高层建筑,分别为：福州宇洋金座、菩提金国际金融中心、武汉证大厦、长江传媒大厦、武汉中华城、武汉永清A1塔楼.各建筑风洞试验布置见图6,相关工程参数见表2.
以武汉永清塔楼为例,进一步分析不同风向角下的风致响应（见图7,风向角与坐标轴定义见图8）.可以看出,强轴向的加速度及位移响应整体较小,弱轴向的风致响应则整体偏大,尤其当弱轴向处于横风向时,风致加速度及位移响应达到最大,且加速度响应和部分层间位移角超过了我国规范规定的最大限值[1].事实上,不论风致响应是否超过了规范阈值,两轴向加速度和内力效应差别如此之大必然会降低结构效率,因而是不尽合理的.
2.2建筑高宽比的影响
以上分析案例是200～400m的超高层建筑,其分析结果证实了结构长宽比选取对风效应有很大影响,但不足以说明高宽比对风效应的影响,因为这些建筑断面形状等参数不尽相同,无法进行对比分析,并且这些建筑高度并不太高,即便建筑高宽比较大,其风致响应也常在容许范围之内.例如：武汉永清塔楼的高宽比（H/B）接近10,其加风致响应也只在很小程度上超过了规范阈值.我团队本世纪初的摆式气弹模型试验研究也证实[9],当高度360m的高层建筑高宽比为9时,在B,D类地貌下都未出现大幅涡激振动响应.但是,当高层建筑的高度更高时,结构的上半部分将处于梯度风高度之上,如果对高宽比不加限制,是否会在设计风速内出现大幅位移就值得考虑了.
基于上述分析,本文进行了多自由气弹模型试验,以对比文献[9]的试验结论.模型设计效果见图9,该模型对应的实际建筑尺寸为600m×60m×60m,对应的实际频率为0.1Hz,可调阻尼范围为ξ等于1%～3%,这些参数与既有建筑比较一致.图10显示了风致位移响应随风速的变化曲线.图中各参数含义为：斯克拉顿数Sc等于2Mξ/（ρD2）；M,ρ,D分别为均匀当量质量、空气密度和迎风面宽度.图中数据是按缩尺比折算到实际后的结果.可以看出,在B类和D类流场中该建筑都出现了大幅涡致位移响应,在梯度风速57m/s（折合基本风压0.70kPa）时,小斯克拉顿数建筑顶部侧移均方根值与高度之比为1/250,大斯克拉顿数建筑顶部侧移均方根值与高度之比也达到了1/410,把均方根位移划算成极值位移后,将严重超过我国规范阈值.
2.3竖向体型的确定
明确建筑的长宽比、高宽比对风效应的影响规律后,就容易得出不同高度建筑长宽比与高宽比的合理取值范围,然后可在此取值范围的基础上,并参考第1节的内容,最终初步确定出建筑在水平向和竖向的体型气动优化方式,如角部处理、锥化处理、顶部开洞等.至于这些优化方式的具体效果如何则需要进行专门的深入研究.3机理分析
对于不同长宽比的矩形断面柱体来说,斯托罗哈数St随着长宽比的增大而减小[10,12],由此可求得漩涡脱落频率（n等于vSt/D,D,v分别为迎风面特征尺寸和平均风速）.矩形断面超高层建筑长宽比较大时,弱轴向的自振频率偏低,当来流垂直于短边作用时,漩涡脱落频率较小,此时的尾流激振效应会造成较大的横风向响应.对于不同高宽比的高层建筑来说,高宽比的增大常常伴随着结构频率的降低和特征尺寸D的相对减小,加之表征漩涡脱落频率的无量纲参数St较小,漩涡脱落频率就更容易接近建筑自振频率,进而造成大幅涡致响应甚至涡激共振现象.另外,当建筑高度较高时,平均风速剖面的沿高变化规律可能带来两方面的结果.一是上部较大的风速会增大漩涡脱落频率,使其更接近结构频率；二是风速达到一定高度后近似保持不变,该高度之上的漩涡发放频率比较一致,使得建筑物的风荷载竖向相关性增大,从而引发大幅涡激振动响应,这也解释了为什么高度越高的建筑高宽比限制越严格.
综上所述,降低结构响应有3种方法：一是在考虑经济成本的前提下合理增大结构刚度和频率；二是通过结构尺寸来改变漩涡发放频率,比如适当控制高宽比,并严格控制长宽比在一定限值内（比如1.5）；三是通过结构的断面形状及竖向外形优化来改变漩涡发放的特性.当然,在考虑适用性和经济性的前提下,使建筑物在不同重现期风速下满足安全性要求是抗风设计的最终目的,因而,是否有必要采取气动控制措施以及采取何种控制措施不是一成不变的,而是对不同基本风压的地区要区别对待.
由于轴力、弯矩、位移与建筑高度分别呈线性、平方和四次方的关系[13],即随高度增加位移增大最快,过大侧向位移可能引发结构性或非结构性破坏,PΔ效应产生的附加弯矩又会加剧结构侧向变形,因而,高层建筑不仅需要较大承载力,而且需要较大的刚度,使结构侧向变形限制在一定范围内.一般来说,增加结构刚度有2种方式：一是改善材料强度或结构构件布置方式（尺寸、体系等）；二是控制结构高宽比和长宽比.第1种方式在增加结构刚度的同时控制了结构受风面积,从而有效抑制了风致静力效应,第2种方式增加了结构刚度和频率,并使迎风面尺寸D增大,降低了漩涡脱落频率,使风致动力效应得到有效控制,长宽比的控制会改善矩形断面建筑承受水平荷载时的剪力滞后现象,进而增加结构效率.显然,对于超高层建筑,采用第2种方法是更为有效的,即控制结构高宽比使结构不至于过柔,并严格限制长宽比避免明显弱轴的出现.
4结论
本文主要研究了高宽比、长宽比对建筑风效应的影响,并概括性地分析了建筑竖向体型选取问题,结论有以下几条：
1）长宽比较大的超高层建筑弱轴向风效应显著大于强轴向,高宽比较大的高层建筑顶部位移较易超过规范阈值,对建筑长宽比和高宽比进行合理控制可显著降低风致响应,在建筑初步设计时应对此有所考虑.比如,在没有有效的气动控制措施时,建筑长宽比不宜大于1.5,并严格控制在2以内,高宽比应控制在10以内,且越高的建筑越对高宽比限制越严格.
2）超高层建筑按体型特点可大致以350m和600m为界限分成3个级别.200～350m高层建筑的断面形状相对灵活多样,一般不必进行专门的抗风优化设计,但要适当控制结构高宽比和长宽比；350～600m高层建筑的标准层平面形状可选择有利于抗风的近似方形,结构顶部应进行适当气动优化；600m以上高层建筑的断面形状和沿高外形设置都应采取强有力的气动优化方案.
3）可对不同体型的高层建筑进行专门分析,确定出不同条件下超高层建筑体型选取的具体规定,以避免建筑师在设计之初和研究人员在对象选取时过于盲目,尤其对低于600m的超高层建筑,其标准层断面通常是矩形、方形等规则形状,更容易形成规范并具有较大的现实意义.