沿海强风环境下钢结构超高层建筑风侵评估与施工技术研究_张斌.pdf

书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接工程技术优化沿海强风环境下钢结构超高层建筑风侵评估与施工技术研究张斌（中交建筑集团有限公司，北京100007）摘要：沿海建造的超高层建筑经常遭受台风侵袭，需要评估研究沿海强风环境下钢结构超高层建筑风侵情况，便于未来建设改进。考虑到所研究工程所处环境特殊，使用Fluent软件构建模拟分析模型，并在该模型中添加强风荷载，获得超高层建筑极限应力与极限变形规律，并计算建筑各角的风侵位移。玻璃幕墙是超高层建筑的重要组成部分，使用CFD数值模拟该部分的易损性。结果表明，顺风条件下，建筑背风面位移更小；横风条件下则迎风面位移更小。计算后确定该建筑各个面主要承受负风压，强风荷载下，玻璃幕墙的挠度先失效，横梁位置与焊缝位置都易发生损坏，需要从这些方面加强超高层建筑钢结构的性能。关键词：沿海强风环境；钢结构；超高层建筑；风侵评估；Fluent软件；CFD数值模拟中图分类号：TU393.2文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）03-0172-06Study on construction technology and wind invasionassessment of steel super high-rise buildings in coastalstrong wind environmentZHANG Bin（CCCC Construction Group Co.,Ltd.，Beijing 100007,China）Abstract：Coastal super high-rise buildings are often attacked by typhoons，so it is necessary to evaluate and studythe wind invasion of steel structure super high-rise buildings in coastal strong wind environment，so as to facilitatefuture construction and improvement.Considering the special environment of the project under study，Fluent software was used to build a simulation analysis model，and strong wind load was added to the model to obtain the ultimate stress and ultimate deformation law of super high-rise building，and the wind invasion displacement of eachcorner of the building was calculated.Glass curtain wall is an important part of super high-rise building，and the fragility of this part is simulated by CFD.The results show that the displacement of the leeward side of the building issmaller under downwind condition，and the displacement of the windward side is smaller under cross-wind condition.After calculation，it is determined that all sides of the building mainly bear negative wind pressure.Under thestrong wind load，the deflection of the glass curtain wall first fails，and the position of the beam and the position ofthe weld are prone to damage.In the future，it is necessary to strengthen the performance of the super high-rise2023 年 3 月第 50 卷第 3 期doi：10.3969 j.issn.1001-5922.2023.03.041Vol.50 No.03，Mar.2023收稿日期：2022-11-25；修回日期：2023-03-10作者简介：张斌（1987-），男，硕士，高级工程师，研究方向：建筑与土木工程；E-maill：。引文格式：张斌.沿海强风环境下钢结构超高层建筑风侵评估与施工技术研究J.粘接，2023，50（3）：173-177.172学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers工程技术优化经济发展伴随建筑行业的进步，但是受到土地面积的限制，一般通过建造超高层建筑，避免出现土地浪费的现象。以目前建造工艺来看，一般使用高强度且质量较轻的建筑材料实现超高层建筑的建造，这也造成超高层建筑整体结构越来越柔性发展，导致建筑结构的整体阻尼降低并且增加建筑的自振周期，对于强风荷载高度敏感1-3。超高层建筑的目标使用年限一般较长，建筑结构面对长时间环境、气候变化，低温、酸性气体、碱性物质等因素都会严重危害建筑结构的耐久性4，5。超高层建筑在生态环境影响或者人为因素干扰之下，居住的舒适效果与整体结构安全效果一直是相关领域研究者的重点关注内容，有学者针对超高层建筑在风荷载影响下所产生的动力响应作出深入研究6。从目前研究成果来看，较大风荷载会导致建筑结构出现较为严重的变形情况，玻璃幕墙、围护结构、钢结构等组成部分都会在超强风荷载的影响下，发生失稳、变形、破损等现象7-9，这些现象一方面带来极为严重的安全隐患，另一方面还会直接增加政府的维修基金10。超高层建筑从建造到使用也面临诸多问题，因此需要重点评估各种因素对于超高层建筑结构风险的影响11-12。并基于以上各种因素，采用系列模拟算法实现评估以及建筑工程结构的监测13。并结合监测的数据反馈至施工单位对于材料的选择进行分析，如胶黏剂、钢材、幕墙等材料提供理论依据14。根据以上分析，并综合考虑实际施工环境的风荷载影响情况，本文从多个方面出发研究沿海强风环境下钢结构超高层建造风侵评估分析情况。1钢结构超高层建造风侵评估1.1研究目标主体钢结构工程概况本文所研究的超高层建筑施工工程，地理位置处于福建省厦门市集美新城片区，整体建筑共50层，主塔楼位于本项目西北角，主塔楼平面尺寸为44.5 m44.5 m，建筑高度266 m，地下3层，地上47层，单层高度在2.215 m不等。该施工区域由上至下土层结构分别为素填土、杂填土、粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩等，由此可以看出，该区域坚硬杂石较多，施工难度较大。结构体系为钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒+环桁架，钢结构工程包括外框钢管柱、楼层钢梁、核心筒钢骨柱、核心筒钢板墙、三道环桁架及塔冠。塔楼东侧附带有2层裙房，裙房钢结构构件为钢梁，最大跨度27.6 m，分布于2F3F，且2F中间设置有夹层结构，截面形式均为H性钢梁；塔楼结果分解图如图1所示。整体结构 核心筒结构 外框结构+环桁架裙房图1塔楼结构分解图Fig.1Tower structure breakdown1.2评估方法1.2.1基于数值模拟的超高层建筑动力响应分析1）模型构建若想研究在强风荷载之下，超高层建筑所产生的动力响应，需要使用有限元软件构建分析模型，利用数值模拟钢结构超高层建筑在沿海强风影响的模态情况。使用Fluent数值模拟软件构建超高层建筑的结构分析模型，等比例构建超高层建筑的三维几何模型，同时构建风场相关的欧拉体系模型15。使用二类截面：欧拉体单元截面、实体单元截面实现工程算例模型构建，模型简化前后需要注重性质等效所以需要慎重考虑材料参数的取值，确定截面性质后才能将这些截面与实际建筑中相应的建筑部件对应，获得各个部件的数值模拟模型。各个部件分别构建完成后，再依次组装，完成整个超高层建筑的模型构建。2）确定边界条件模型构建过程中，出于模型简化的需求，边界条件是模型底面被施加的固定约束。在软件中选择边界条件管理器，先创建第一个边界条件A-1，分析步类型选择位移与转角，U1-U3以及UR1-UR3均设置为0，使用瞬时赋值。针对本文所研究的工程情况，在软件中创建一个重力荷载，X与Y方向的分量值均为0，Z方向的分量3的值是-9.8，使用瞬时重力荷载幅值16。building steel structure from these aspects.Keywords：coastal strong wind environment；steel structure；super high-rise construction；wind invasion assessment；fluent software；CFD numerical simulation173书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接工程技术优化3）风荷载施加创建构建平均风荷载时先在软件中定义解析场，从X轴正方向出发，风荷载呈现出指数分布规律。构建余弦脉动风荷载时，设置2 s风速周期，频率值则设定为0.5 Hz，圆频率设置为3.14，风荷载带的初始幅值设置为1开始时间设定为0，以此确保风荷载始终超过0，实现1幅值的余弦脉动风。针对所研究的超高层建筑物构建数值模拟模型，并生成风荷载施加模型，具体如图2所示。（a）有限元模型（b）风荷载施加图2数值模拟模型与风荷载施加结果Fig.2Numerical simulation model and wind loadapplication results4）单元选择与网格划分为提升模型计算的效率和较为准确的计算结果，选取合适的单元。使用六面体线性减缩积分实体单元模拟超高层建筑中的混凝土结构，该单元每个个体都具备8个节点，这类单元能够降低单元内积分点数量，提升计算速度，防止计算结果出现剪力锁闭的情况。钢结构超高层建筑中存在较多钢筋结构，针对这类结构，选取三维桁架单元（2节点），这类单元只能承受压缩与拉伸荷载，能够实现加强构件的模拟17。1.2.2风荷载下超高层建筑幕墙易损性分析玻璃幕墙是超高层建筑中的重要组成部分，同时也是超高层建筑的重要围护部分，所以评估沿海强风环境下钢结构超高层建造风侵情况时，需要重点分析玻璃幕墙的易损性18。数值模拟软件之中本身就携带黏性模块，可以直接实现CFD数值模拟，模拟过程中需要利用湍流能、入口风剖面以及湍动能耗散率，所以开展研究之前先需要对这些参数实行计算。计算超高层建筑外风压时参考 建筑结构荷载规范，该规范能够主要用于模拟建筑设计阶段在风荷载影响下出现的易损伤性变化，本文在实际使用过程中需要适当修正该规范内的计算方法19。1）风压系数分析从以往的研究经验来看，风压在建筑表面的分布并没有保证一个统一的形式即使在同一个来流风场影响下仍旧会出现部分建筑位置风压过强的情况，受到沿海强风影响，这些风压过高的位置为出现较为显著的破坏形态。由此可以看出，作用于建筑表面的风压系数并不能够体现出风荷载之下建筑结构出现损坏最严重，危险性最高的位置。这就体现出CFD数值模拟的优势，利用这一模拟方法实现较为科学地分析最不良工况之下建筑结构所承受的力。2）易损性分析通过以上风压系数模拟结果，可以获得各种风向来流下超高层建筑幕墙上的风压系数，将该系数重新代入数值模拟中，能够获得风速不同下超高层建筑幕墙上各构件的失效概率，并根据该结果分析出整个超高层建筑幕墙