CN105069199B - 一种确定高层建筑遇风荷载变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定高层建筑遇风荷载变形的方法，其特征在于，为了解超高层建筑在风荷载作用下变形程度和特征，提出了使用基于颗粒流理论的PFC3D作为平台进行模拟；所构建的超高层建筑为核心筒‑框架结构；为了适应颗粒流理论和符合实际风荷现象，提出了先分段后等效的风荷载设置方法，即风荷载模型；使用该模型对两个正交方向，7~10级风作用下建筑物变形进行模拟；其包括如下步骤：建筑基本模型构建、风荷载模型的建立、模拟结果分析；本发明可用于核心筒‑框架结构超高层建筑遇风荷载后的变形分析。

Description

一种确定高层建筑遇风荷载变形的方法

技术领域

本发明涉及建筑工程，特别是涉及核心筒-框架结构超高层建筑遇风荷载后的变形分析。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，大量人口涌入城市，为解决人口的容纳问题，各城市争相新建高层建筑，甚至超高层建筑用于居住和办公，特别是在城市核心区域，超高层建筑比比皆是。高层建筑的灾害可能源于地震、火灾、爆炸、撞击、风载等现象。根据风险理论，高层建筑遇地震、火灾、爆炸、撞击的后果虽然非常严重，但其事件的发生概率非常小，最典型的就是911事件的世贸大楼双塔。但对于风荷载，虽然不会造成建筑结构的非连续性破坏，但应符合建筑的正常使用极限状态要求。也就是说在频繁的风荷作用下，高层建筑的响应变形要适合于办公和居住，其变形不能过大。特别地，由于超高层建筑高度较高，基础截面尺寸相对于高度较小，即建筑的高宽比较大，所以超高层建筑对于风荷载最为敏感。由于这些原因，风荷载对于超高层建筑的影响成为了相关领域的研究热点。

目前对于建筑风荷载研究主要有两种方式，一是相似模拟，一是计算机模拟。相关的主要研究有：李正农等对不同风场下高层建筑风效应的风洞试验进行了研究；冯宏等研究了超高层建筑风荷载谱试验研究及数学模型；徐枫等研究了超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟；周红波等对高层建筑在极端台风气候下结构及施工安全风险进行了分析及其控制研究；刘程鹏对高层建筑物表面风荷载数值模拟进行了研究；汪大洋等对某超高层建筑结构风致混合减振控制进行了研究；李宏海等对下击暴流作用下建筑物表面风压分布进行了模拟。

方法提出使用基于颗粒流的PFC3D作为模拟平台，建立超高层建筑核心筒-框架结构。构建了影响建筑物的风荷载模型，并使用该模型模拟了一拟建超高层建筑物在7～10级风作用下的结构响应变形。

发明内容

为了解超高层建筑在风荷载作用下变形程度和特征，提出了使用基于颗粒流理论的PFC3D作为平台进行模拟；所构建的超高层建筑为核心筒-框架结构；为了适应颗粒流理论和符合实际风荷现象，提出了先分段后等效的风荷载设置方法，即风荷载模型；使用该模型对两个正交方向，7～10级风作用下建筑物变形进行模拟；其包括如下步骤：建筑基本模型构建、风荷载模型的建立、模拟结果分析；本发明可用于核心筒-框架结构超高层建筑遇风荷载后的变形分析。

其原理基于颗粒流理论，基于PFC3D的该超高层建筑构造，设基本单元颗粒半径R＝1m。

核心筒在某种意义上是存在于建筑物中的增强体，其为建筑物整体提供了较大的强度和刚度，可以说是建筑物的支柱，为了体现其作用，增强空间刚度，将核心筒构造成净空和梁厚均为2m的单元，这样设置的原因在于可体现空间刚度的增强，另一方面也减少了颗粒数量便于计算机模拟，与此同时将标准层设置为净空4m，梁厚2m的单元，在满足实际尺寸的同时也表示了标准层刚度相对较弱的特点。

在水平方向为表示核心筒的特征，将核心筒周围也相应的设置了圈梁和外伸梁；圈梁一方面可以约束核心筒变形，另一方面可以和柱一起组成标准层的框架结构；外伸梁是连接核心筒和外围框架结构的重要构件，根据实际结构特征将其设置为双排梁结构。

首先确定风压沿建筑高程的分布特征；考虑到风在近地作用的特点，即一般情况下接近地面时风速较小，在距地面一定高度范围内逐渐增加，而超过一定高度后风速基本不变。

风作用于建筑的方向分为两种，分别为沿X轴正向，沿Y轴正向；除风的方向外，其余设置两者相同；假设建筑沿高程50m以下无风作用，50m～300m有风作用且风压逐渐增加，300m以上风压最大值P_Max保持不变；风压的作用位置为风最先接触到的建筑物立面，且垂直于建筑物立面，即正视为X＝0，Z＝0～300m及X＝12m，Z＝300m～480m；侧视为Y＝0，Z＝0～420m及Y＝12m，Z＝420m～480m，风压的设置如式1所示；

确定P_Max为风压设置的关键，风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力；

根据伯努利方程得出的风－压关系，风的动压如式(2)所示，

P＝0.5×ρ_空×V_风 ² (2)，

于空气密度ρ_空和重度R的关系为R＝ρ_空×g，因此ρ_空＝R/g，带入式(2)得式(3)，

P＝0.5×R×V_风 ²/g (3)，

在标准状态下，空气重度R＝0.01225kN/m³，g＝9.8m/s²,带入式(3)得式(4)，式(4)即为论文中所使用的风速和风压的关系。

P＝V_风 ²/1600 (4)，

这样在某一状态下的最大风压可表示为P_Max＝V_风 ²/1600kPa，便可以根据公式(1)对沿建筑高程的立面进行风压设置。

根据风级与风速的关系表得7～10级风的风速分别为：13.9～17.1m/s、17.2～20.7m/s、20.8～24.4m/s、24.5～28.4m/s，取最不利风速，即最大风速作为代表风速带入式(4)得到7～10级风的代表风压分别等于0.1828kPa、0.2678kPa、0.3721kPa、0.5041kPa。

确定的风压作用于建筑物立面，而这里构建的是建筑物的框架结构，即应将风压作用于建筑物立面的效果等效为作用于框架的效果；框架由颗粒组成，所以应将代表风压转换为作用于颗粒压应力，进而模拟风作用在建筑上的效果。

建筑物外围框架结构的标准单元结构，即建筑外围框架是多个该标准结构组成的，其迎风面面积为6×12＝72m²，承受这个面积上风压的构件由10个颗粒组成，则每个颗粒所承受的压应力为72×代表风压/10；那么7～10级风的等效到颗粒上的压应力为1.3162kPa、1.9282kPa、2.6791kPa、3.6295kPa，将这些值作为P_Max带入式(1)即可完成不同风级下对建筑的等效风压设置。

附图说明

图1超高层建筑立面图

图2风压分布图

图3建筑标准层结构

具体实施方式

1工程背景

该工程为拟建超高层建筑，主体为一栋80层，高约为480m左右的超高层建筑，标准层高6m，非标准层高8m(独立避难层)。工程重要性等级为一级，场地复杂程度为二级，地基复杂程度为二级。工程场地地形平坦，地面高差在44.74～45.57m之间。场地所处地貌单元为冲积平原，该区属浑河高漫滩。根据岩土勘察报告，场区顶部为近几年回填的杂填土，其下为第四系全新统冲积物(Q42a1)：粉质粘土、粉土、中粗砂、砾砂、圆砾等，下伏基岩为第三系泥砾岩及前震旦系花岗片麻岩。由于主要研究建筑物上部结构，这里对地质条件不做详细介绍。

建筑物基本结构为核心筒-框架结构。核心筒为12×24m长方形钢筋混凝土筒体，核心筒底部翼墙厚2m,随高度增加核心筒墙厚略有减小，且贯穿整个建筑物。依托核心筒，框架向外每侧伸展12m，承重柱和梁截面为2×2m。外轮廓尺寸分别为1-50层，48×36m；50-70层，24×36m；70-80层，24×12m。主体结构材料如表1所示。

表1主体结构材料

根据沈阳地区气候环境特点，处于近海地区，风超过10级的概率很小，确定模拟风的级数为7～10级。

论文主要目的是对该建筑设计后的抗风荷载性能做出评价分析，以便在设计阶段保证其建成后的风性能，并了解其风荷载响应变形特征。

2模型建立

2.1建筑基本模型

根据上述对该超高层建筑几何尺寸的说明，构建的超高层建筑立面图如图1所示。这里规定X方向为正方向(正视)，沿建筑物高度为Z方向。

为说明基于PFC3D的该超高层建筑构造，设基本单元颗粒半径R＝1m，则工程说明中的建筑各部分几何尺寸即可与图1。

核心筒在某种意义上是存在于建筑物中的增强体，其为建筑物整体提供了较大的强度和刚度，可以说是建筑物的支柱。为了体现其作用，增强空间刚度，将核心筒构造成净空和梁厚均为2m的单元。这样设置的原因在于可体现空间刚度的增强，另一方面也在一定程度上减少了颗粒数量便于计算机模拟。与此同时将标准层设置为净空4m，梁厚2m的单元，在满足实际尺寸的同时也表示了标准层刚度相对较弱的特点。

另一方面在水平方向为表示核心筒的特征，将核心筒周围也相应的设置了圈梁和外伸梁。圈梁一方面可以约束核心筒变形，另一方面也可以和柱一起组成标准层的框架结构。外伸梁是连接核心筒和外围框架结构的重要构件，根据实际结构特征将其设置为双排梁结构。

综上，得到了如图1所示的建筑整体模型。根据工程背景介绍，构成建筑的颗粒性质设置如表2所示。

表2基本单元颗粒性质

2.2风荷载模型的建立

首先确定风压沿建筑高程的分布特征。考虑到风在近地作用的特点，即一般情况下接近地面时风速较小，在距地面一定高度范围内逐渐增加，而超过一定高度后风速基本不变。这里假设了如图2的风压分布。

图2中假设，风作用于建筑的方向分为两种，分别为沿X轴正向，如左图所示(建筑为正视图)；沿Y轴正向，如右图所示(建筑为侧视图)。除风的方向外，其余设置两者相同，以左图为例说明其设置。假设建筑沿高程50m以下无风作用，50m～300m有风作用且风压逐渐增加，300m以上风压最大值P_Max保持不变。风压的作用位置为风最先接触到的建筑物立面，且垂直于建筑物立面，即左图为X＝0，Z＝0～300m及X＝12m，Z＝300m～480m；右图为Y＝0，Z＝0～420m及Y＝12m，Z＝420m～480m。综上，风压的设置如式1所示。

式中：p为沿建筑高程某一高度的构建所受到的风压，/kPa；h为建筑的某一高度，/m；P_Max为在某一情况下的最大风压，/kPa。

那么确定P_Max就成为风压设置的关键。风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风－压关系，风的动压如式(2)所示。由于空气密度ρ_空和重度R的关系为R＝ρ_空×g，因此ρ_空＝R/g，带入式(2)得式(3)。

P＝0.5×ρ_空×V_风 ² (2)

其中P为风压，/kPa，ρ_空为空气密度，/kg/m³，V_风为风速，/m/s。

P＝0.5×R×V_风 ²/g (3)

在标准状态下，空气重度R＝0.01225kN/m³，g＝9.8m/s²,带入式(3)得式(4)。式(4)即为论文中所使用的风速和风压的关系。

P＝V_风 ²/1600 (4)

这样在某一状态下的最大风压可表示为P_Max＝V_风 ²/1600kPa，便可以根据公式(1)对沿建筑高程的立面进行风压设置。

这里研究的是7～10级风，根据风级与风速的关系表得7～10级风的风速分别为：13.9～17.1m/s、17.2～20.7m/s、20.8～24.4m/s、24.5～28.4m/s。取最不利风速，即最大风速作为代表风速带入式(4)得到7～10级风的代表风压分别等于0.1828kPa、0.2678kPa、0.3721kPa、0.5041kPa。

上述确定的风压作用于建筑物立面，而这里构建的是建筑物的框架结构，即应将风压作用于建筑物立面的效果等效为作用于框架的效果。框架由颗粒组成，所以应将代表风压转换为作用于颗粒压应力，进而模拟风作用在建筑上的效果。

如图3所示为建筑物外围框架结构的标准单元结构，即建筑外围框架是多个该标准结构组成的。其迎风面面积为6×12＝72m²，承受这个面积上风压的构件由10个颗粒组成，则每个颗粒所承受的压应力为72×代表风压/10。那么7～10级风的等效到颗粒上的压应力为1.3162kPa、1.9282kPa、2.6791kPa、3.6295kPa，将这些值作为P_Max带入式(1)即可完成不同风级下对建筑的等效风压设置。

3模拟结果分析

通过上述方法设置风压，进行模拟后分别得到了两种风向下7～10级风中该建筑结构的压应力、位移和加速度。

风向为沿X轴正向时的结构响应包括了各级风作用下的压应力、位移和加速度的最大值。压应力的最大值出现在建筑物底部，即建筑物底部压强最大，建筑物迎风侧受拉，背风侧受压。位移是指在各级风作用下达到平衡时产生的位移，这时随风摆动的加速度为0。值得注意的是最大位移均出现在建筑物顶部。就其位移量变化而言，随着风级的增加，最大位移量是加速增加的。各级风下建筑变阶处位移约为最大位移的一半，即以变阶处为界的上下两段结构产生的位移相同，这与结构的刚度、几何形态有关。加速度为建筑接受风荷载至出现最大位移过程中的最大加速度。随着风级的增加，建筑的最大位移加速度也随之增加，且是加速的，但是这些最大加速度出现的时间并不相同。变阶处加速度为最大加速度的0.4倍。

风向为Y正向时的结构响应包括位移和加速度随着风级的增加也是加速增加的。最大压应力相同，位移对应风级大约增加5cm，加速度大约增加0.02～0.06m/s²。这是由于建筑Y轴方向的刚度大于X轴方向的刚度造成的。

任意方向的风荷载对建筑产生的变形影响，可通过上述X和Y方向产生的变形影响进行叠加得到。即在不同风级下，将该风向分解为X和Y方向分量，然后按原方向叠加。

通过上述模拟结果的分析，可得其变形规律符合实际高层建筑风荷载下的变形规律，说明模型在定性方面的正确性。另外从文献[3-7]中的类似高层建筑风荷载作用模拟和实测数据可得，本模型模拟得到的定量数值也有一定的精确性。综上结论可以使用该风荷载模型对该拟建超高层建筑进行风荷载下的变形分析，从而为建筑在设计阶段提供有效设计依据。

Claims (1)

1.一种确定高层建筑遇风荷载变形的方法，其特征在于，为了解超高层建筑在风荷载作用下变形程度和特征，提出了使用基于颗粒流理论的PFC3D作为平台进行模拟；所构建的超高层建筑为核心筒-框架结构；为了适应颗粒流理论和符合实际风荷现象，提出了先分段后等效的风荷载设置方法，即风荷载模型；使用该模型对两个正交方向，7～10级风作用下建筑物变形进行模拟；其包括如下步骤：建筑基本模型构建、风荷载模型的建立、模拟结果分析；可用于核心筒-框架结构超高层建筑遇风荷载后的变形分析；风作用于建筑的方向分为两种，分别为沿X轴正向，沿Y轴正向；除风的方向外，其余设置两者相同；假设建筑沿高程50m以下无风作用，50m～300m有风作用且风压逐渐增加，300m以上风压最大值P_Max保持不变；风压的作用位置为风最先接触到的建筑物立面，且垂直于建筑物立面，即正视为X＝0，Z＝0～300m及X＝12m，Z＝300m～480m；侧视为Y＝0，Z＝0～420m及Y＝12m，Z＝420m～480m，风压的设置如式1所示；

风荷载模型建立时，确定P_Max为风压设置的关键，风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力；根据伯努利方程得出的风－压关系，风的动压如式(2)所示，

P＝0.5×ρ_空×V_风 ² (2)，

于空气密度ρ_空和重度R的关系为R＝ρ_空×g，因此ρ_空＝R/g，带入式(2)得式(3)，

P＝0.5×R×V_风 ²/g (3)，

在标准状态下，空气重度R＝0.01225kN/m³，g＝9.8m/s²,带入式(3)得式(4)，式(4)即为使用的风速和风压的关系，

P＝V_风 ²/1600 (4)，

这样在某一状态下的最大风压可表示为P_Max＝V_风 ²/1600kPa，便可以根据公式(1)对沿建筑高程的立面进行风压设置；

根据风级与风速的关系表得7～10级风的风速分别为：13.9～17.1m/s、17.2～20.7m/s、20.8～24.4m/s、24.5～28.4m/s，取最不利风速，即最大风速作为代表风速带入式(4)得到7～10级风的代表风压分别等于0.1828kPa、0.2678kPa、0.3721kPa、0.5041kPa；

确定的风压作用于建筑物立面，而这里构建的是建筑物的框架结构，即应将风压作用于建筑物立面的效果等效为作用于框架的效果；框架由颗粒组成，所以应将代表风压转换为作用于颗粒压应力，进而模拟风作用在建筑上的效果；建筑物外围框架结构的标准单元结构，即建筑外围框架是多个该标准结构组成的，其迎风面面积为6×12＝72m²，承受这个面积上风压的构件由10个颗粒组成，则每个颗粒所承受的压应力为72×代表风压/10；那么7～10级风的等效到颗粒上的压应力为1.3162kPa、1.9282kPa、2.6791kPa、3.6295kPa，将这些值作为P_Max带入式(1)即可完成不同风级下对建筑的等效风压设置。