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
编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载
》( ― )、《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
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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
设计规范
民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计
》( ― 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
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
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,尽管这种方法具有思路清晰、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
标准地面( 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
软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载
)》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
评价
LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载
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
( ― )中国计划出版社,
/’ .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 * +
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