500m以上级超高层建筑风效应的几个关键问题

在基金项目（51078146）支持下对超高层建筑风效应的若干关键问题开展系统性研究，研究包括以下方面：1). 在边界层风洞中对正方形平面沿高度方向逐渐收缩的楔形外形超高层建筑进行一系列细致的风洞试验，分析其气动荷载和峰值响应特征，研究切角以及局部气动措施(LAS)对结构气动荷载和响应的影响；2). 在对广州西塔(GWT)、深圳京基100(KK100)和天津高银117大楼(TJ 117)的气动荷载特性进行细致对比的基础上，采用LAS对其风振响应和风致荷载进行控制并与调制阻尼器(TMD)方法的结果进行对比；3). 对KK100实施了系列的全气动弹性模型试验，识别该建筑的气动阻尼特性，进行了基于TMD的风振控制试验；4). 完成另外3栋超高层建筑天津周大福滨海中心(530m)、华润深圳湾总部大楼(高400m)和长沙天空之城(838m)的风洞试验研究。项目的主要贡献在于以下几个方面： 通过大量的风洞试验和细致的分析揭示了气动抗风措施的减振机理，总结出LAS的局限性和适应性，明确影响超高建筑横风效应的外形因素，推荐采取LAS位置的取值建议；发现采用LAS在GWT上可以得到接近TMD方法的减振效果，相比TMD实施所需要的高成本，LAS是一种较为为经济易行的方法。此外，提出一种基于谐波激励法(HEM)的超大结构在多TMD在风作用响应的快速算法；研制可用于超高层建筑气动弹性试验的数字化气弹天平(DAEB)，它具有模型结构阻尼和刚度数字化可控、结构质量配置简单等创新点。DAEB已初步用于天空之城的气动弹性试验。 迄今为止发表论文8篇，2篇论文已录用。 2100433B

在强风地区，500m以上高度的超高层建筑的风致响应是结构设计的控制性问题。研究表明，风荷载尤其是横风向荷载的机理十分复杂，它是包括尾流激励、横风向紊流激励及气弹激励共同作用的结果，气动阻尼特性是影响结构风振估计精准度的重要因素。对于此类建筑，采用空气动力学措施(包括采用合适的建筑外形)和阻尼器措施是通常是超高层建筑抗风控制的两大类方法。但在我国由于超限审查等原因，加阻尼器的方法往往难于直接应用在具体的工程实践，故空气动力学措施愈显重要，但目前针对此类建筑特点的相关研究依然偏少，缺乏开展系统性的机理研究，难以获得具有普遍指导意义的理论和方法。因此，提出本研究项目，进一步深入研究复杂超高层建筑抗风研究中尚未很好解决的一些重要基础科学问题，通过研究提出空气动力学抗风的指导性原则、给出一类典型结构外形超高层建筑的气动阻尼特性，为500m以上超高层建筑乃至空中城市的结构设计提供重要科学支撑。

现代城市中超高层建筑常以群体形式出现。群体建筑的风荷载和响应特性和单体建筑情况有很大的不同。目前，对高层建筑的抗风研究主要集中在单体建筑，各国规范中更少有群体建筑间干扰效应的条款。开展本项目的研究，对认识建筑群体尾流抖振规律和干扰机理，以及高层建筑的抗风设计和城市规划均具有重要意义。在已有数年的研究基础上，本课题将更加深入地研究具有不同截面形状的两个和三个超高层建筑之间在不同间距、地貌类型下的结构动力响应荷载和表面风压分布规律，采用定量而非定性的方法和人工神经网络方法对这些规律进行归纳和总结。根据本项目研究总结出群体超高层建筑间的风干扰规律，最终期望能给出反映两个和三个超高层建筑间动力风荷载和表面峰值风压的干扰效应的建议条款；同时针对问题的高度复杂性，在借助于神经网络建模的基础上，采用包括Internet技术在内的方法为城市高层建筑的规划和抗风设计提供正确的设计理论和快捷的精细分析手段。 2100433B

风灾是自然灾害的主要灾种之一。本研究对超高层建筑抗风研究中的几个重要基础问题开展研究。在492米高的上海环球金融中心上实测台风和结构响应，研究风速和结构响应特性；对复杂单体和群体超高层建筑模型在多种模拟条件下进行风洞试验；基于风洞试验和现场实测结果，研究复杂超高层建筑的三维风力分布、效应和等效静力风荷载，以及群体超高层建筑的干扰效应、机制、风力分布特征和理论描述；采用理论和试验方法，研究风雨共同作用下超高层建筑的激励机制和效应；通过现场实测和风洞试验，研究建筑局部风压特性以及围护结构的抗风设计理论和方法；研究建立超高层建筑抗风数据库的几个基本问题；研究超高层建筑风力和气动弹性响应的数值模拟方法；研究超高层建筑风荷载和效应控制的空气动力学措施和阻尼器措施的理论和方法。通过以上研究，推进超高层建筑抗风研究领域的发展，为建造500米以上超高层建筑乃至更高的空中城市提供科学基础和抗风设计方法。 2100433B