某高层多塔连体结构风荷载体型系数研究_杨晓华.pdf

108 Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期 某高层多塔连体结构风荷载体型系数研究杨晓华1张金明2蔡建国3陆波2李仲毅2叶霄鹏2宋朋晓2(1.中国铁建投资集团有限公司,广东珠海519000;2.珠海铁建大厦置业有限公司,广东珠海519030;3.东南大学国家预应力工程技术研究中心,南京210096)摘要:以珠海某高层多塔连体结构工程为例,研究高位连接复杂多塔结构表面的风压特征与体型系数分布,为此类结构的抗风设计提供计算依据,保障结构安全。采用 CFD 方法对高层多塔连体结构及周围干扰建筑进行数值风洞模拟,分析不同风向角工况下结构主表面及局部构造处的体形系数,并与物理风洞试验结果以及规范值进行比较。结构迎风面的体型系数一般呈现中间大两边小的分布,多塔楼之间存在互相干扰作用;裙房处可能存在体型系数绝对值较大的情况,斜向气流在相邻表面易形成较大风压;相比于物理风洞试验结果,数值风洞模拟的结果与荷载规范值更为接近,且分布相对更为均匀;不规则高位连接体凹面处会产生较大的体型系数,但对整体结构的体型系数影响有限。在抗风设计过程中,多塔楼间的干扰作用及不规则高位连接体的影响应予以考虑。关键词:高层;多塔连体结构;风荷载;体型系数;CFD DOI:10.13204/j.gyjzG22042810Research on Shape Coefficients of a High-Rise Multi-TowerInterconnected Structure Under Wind LoadYANG Xiaohua1ZHANG Jinming2CAI Jianguo3LU Bo2LI Zhongyi2YE Xiaopeng2SONG Pengxiao2(1.China Railway Construction Investment Group Corporation Limited,Zhuhai 519000,China;2.Zhuhai CRCCBuilding Estate Co.,Ltd.,Zhuhai 519030,China;3.National Prestress Engineering Research Center,Southeast University,Nanjing 210096,China)Abstract:Taking a high-rise multi-tower interconnected structure in Zhuhai as an example,the surface wind pressure characteristics and shape coefficient distribution of complex high-connected multi-tower structures were studied,which could provide the calculation basis for the wind-resistant design of such structures to ensure the structural safety.CFD method was used to conduct numerical wind tunnel simulation of the high-rise multi-tower interconnected structure and surrounding disturbed buildings.The shape coefficients of main surfaces and local structures under different wind direction angles were analyzed,and compared with the physical wind tunnel test results and standard values of the load code.The shape coefficients of windward side of the structure was generally large in the middle and small on both sides,and there was interaction between multiple towers.On the podium,the larger absolute value of shape coefficients might be exist,and the oblique flow was easy to form larger wind pressure on the adjacent surfaces.Compared with the physical wind tunnel test results,the numerical simulation results were closer to the values of the load code,and the distribution was relatively more uniform.The concave surface of the high-altitude irregular connector produced larger shape coefficients,however,the influence on the whole structure was limited.In the wind-resistant design process,the interference between multiple towers and the influence of high-altitude irregular connectors should be considered.Keywords:high-rise;multi-tower interconnected structure;wind load;shape coefficient;CFD 中国铁建投资集团有限公司 2020 年度科技研发计划课题(2020-A02)。第一作者:杨晓华,男,1976 年出生,正高级工程师。通信作者:蔡建国,教授,j.cai 。收稿日期:2022-04-280引言近年来,随着建筑技术水平的不断提高,建筑功能及造型等方面的多样化需求得以满足。其中,高层连体结构能够实现建筑间的连通,加强整体结构刚度,且造型优美独特,因而其建筑形式得到广泛应用。高层建筑是典型的风敏感结构,风荷载是高层某高层多塔连体结构风荷载体型系数研究 杨晓华,等109 建筑结构设计的主要控制荷载之一1,而高层多塔连体结构的风致响应又因各塔之间的互相干扰而愈加复杂2-3。针对造型复杂的高层结构体系,获得结构表面风压数据的常用手段为物理风洞试验与数值风洞模拟方法。传统物理风洞试验测得的建筑表面风压数据理论上都可通过数值风洞模拟方法获得4。由于物理风洞试验成本较高、耗时长,因此在结构方案或初步设计阶段,对高层多塔连体结构开展数值风洞模拟能够迅速迭代设计,更为经济、便捷。另外,物理风洞试验模型受限于风洞尺寸,往往采用较大的缩尺比例,复杂构造处风压的精确测量存在较大难度。因此,采用计算流体动力学(CFD)方法开展复杂高层建筑结构的风场环境模拟已成为风荷载评估的可靠手段之一。毛璐璐等采用 CFD 方法对不同截面形式的典型超高层建筑进行数值模拟,分析不同截面建筑表面风压规律以进行抗风形体优化5。Jendzelovsky等结合风洞试验和 CFD 方法对三角形高层建筑的外部风压系数进行计算,分析风场对异形高层建筑的影响6。Xing 等利用 CFD 方法研究三栋高层建筑的群 体 影 响,探 究 了 高 层 建 筑 周 围 的 风 场 流动7。现有的研究成果表明 CFD 方法具有分析高层复杂形体的能力,且能够考虑建筑之间的群体效应,因此对于造型复杂的多塔连体结构具有良好的适用性。于丽波等采用了 4 种不同的湍流模型对超高层三塔连体建筑进行了风洞数值模拟分析,发现不同湍流模型下迎风面风压值较为一致,但背风面和侧风面风压数值有稍许波动8。闫渤文等基于计算流体动力学与有限元方法对某高层双塔建筑的风荷载及风振响应问题开展研究9,结果表明该数值模拟方法能够满足高层多塔建筑结构的抗风设计需求。柯世堂等考虑裙房及子楼的干扰作用,针对某超高层三塔连体建筑主楼,基于大涡模拟方法进行数值风洞模拟并分析该建筑风荷载特征及干扰效应10。然而现有针对高层多塔连体结构的风场模拟仍有不足,其主要面向的多塔结构的连接体大多布置于中低层,研究结果难以反映高位连接体对多塔结构整体的风压影响。除此以外,针对高层不规则多塔连体结构的风荷载体型系数的研究也相对较少。本文的高层多塔连体结构地处广东珠海,隶属台风频发地区,易对高层建筑结构造成摧毁性自然灾害。另外,本工程为外形不规则结构,高位连接体之间存在高差,且连接体与塔楼连接处设置多层不规则悬挑结构,本工程的风场环境更加复杂。我国GB 500092012 建 筑 结 构 荷 载 规 范(简 称 规范)11对于此类复杂的建筑缺乏相应的体型系数规定,因此对该高层多塔连体结构进行了物理风洞试验,但由于试验模型为缩尺模型,且受限于受压测点的布置,在高位连接体及不规则悬挑处无法完全反映细部的风压系数,也无法反映风压的整体分布。针对本工程特征,本文采用 CFD 数值模拟技术,对该高层多塔连体结构进行数值风洞模拟仿真,研究建筑表面的风荷载分布以及建筑群周边的风场特征,比较分析 CFD 模拟结果与物理风洞试验结果,得到建筑物的整体及细部体型系数分布情况,为此类高层多塔连体结构的风荷载计算提供建议。1工程概况本文研究对象为珠海横琴铁建广场项目,该项目由 T1 T4 四栋高层主塔楼、低层裙房以及塔楼之间的高位连廊组成了高层多塔连体结构,建筑模型如图 1 所示。其中 T1 塔楼建筑高度为 179.4 m,T2、T3 塔楼建筑高度为 99.7 m,T4 塔楼建筑高度为145.7 m。4 栋塔楼在高空通过钢结构连廊连接,设置高 度 为 84.4,89.3,94.2 m 处。另 外,分 别 在84.40104.6 m 高度处设置了大跨度悬挑楼面,最大悬挑长度约为 13 m。空中高位连廊和悬挑楼面的外形为不规则曲面,如图 2 及图 3 所示。图 1建筑模型示意Fig.1The schematic diagram of the building model图 289.30 m 标高平面示意Fig.2The plane diagram at an elevation of 89.30 meters本工程属于大底盘高层连体结构,各高层之间存在较大高度差异,结构高位处存在多层连廊与不规则悬挑,结构低层处设置不规则裙房结构。此外,项目周边存在多个干扰建筑,因此风场环境较为复杂。为了明确本工程建筑表面风压及风场110 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期图 394.200 m 标高平面示意Fig.3The plane diagram at an elevation of 94.20 meters特征,本文利用 CFD 方法对高层多塔连体结构及周围干扰建筑进行数值风洞模拟,以分析其周边风场环境,探究具有高位连接体的高层多塔连体结构风荷载体型系数分布情况,并与风洞试验结果进行比较。2物理风洞试验该项目在华南理工大学风洞实验室进行了物理风洞试验12,所用风洞是一座闭口单试验段回流低速风洞,试验段宽 5 m、高 3 m、长 24 m。测压系统采用美国 PSI 公司的 Initium 压力精密测量系统。试验模型的几何缩尺比为 1 250,如图 4 所示。物理风洞试验中以 10为间隔,测试了 36 个风向角下建筑物表面的风压分布。根