1、15第 49 卷 第 5 期2023 年10月四川建筑科学研究Sichuan Building Science非等高连体双塔高层建筑风致效应研究胡希光1，黄 橙1，刘玉石2，张宗岭2，涂佳黄3（1.中交城乡开发建设有限公司，北京 101300；2.湖北中城乡香樾房地产开发有限公司，湖北 武汉 430056；3.湘潭大学土木工程学院，湖南 湘潭 411105）摘 要：基于风洞试验，对某非等高连体双塔高层建筑的风致效应特性进行了研究，得到了各塔楼的平均风压分布及测点的风压时程。然后，对该高层结构的风荷载及其风致动力响应进行了研究，为该类双塔结构抗风设计提供了设计依据。结果表明，风向角、结构高度与重
2、现期风速对结构表面风压分布与动力响应的影响较大。双塔之间的相互影响导致临近表面风场发生变化，从而引起风压发生显著变化。1#塔楼结构的风致动力响应最大值满足中国相关规范的要求。关键词：高层建筑；非等高连体双塔结构；风洞试验；风压分布；动力响应DOI：10.19794 ki.1008-1933.2023.0055中图分类号：TU312+.1 文献标志码：A 文章编号：1008-1933（2023）05-0015-08Studyonwind-inducedeffectofunequalheighttwintowerhigh-risebuildingHU Xiguang1，HUANG Cheng1，L
3、IU Yushi2，ZHANG Zongling2，TU Jiahuang3（1.CCCC Urban-Rural Development Construction Co.，Ltd.，Beijing 101300，China；2.Hubei Zhongchengxiang Xiangyue Real Estate Development Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China；3.College of Civil Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）Abstract：Based on the wind tu
4、nnel experiment，the wind-induced effect of an unequal height twin tower high-rise building was investigated.The average wind pressure distribution of each tower and the wind pressure time history of the measuring points were obtained.Then，the wind load and wind-induced dynamic response of the high-r
5、ise structure were investigated to provide the basis for wind resistance design of this type of twin tower structure.The results show that the three key parameters of wind direction angle，structure height and wind speed for recurrence intervals have great influence on the wind pressure distribution
6、and dynamic response of the structure surface.Due to the interaction of the twin towers，the wind field on the adjacent surface changes，resulting in significant changes in wind pressure.The maximum wind-induced dynamic response of 1#tower structure meets the requirements of chinese relevant codes.Key
7、 words：high-rise building；unequal height twin tower structure；wind tunnel experiment；wind pressure distribution；dynamic response收稿日期：2022-12-08基金项目：湖南省自然科学基金项目（2021JJ50027）第一作者：胡希光（1978），男，硕士，高级工程师，主要从事工程项目管理与结构分析等工作。E-mail：huxg 16第 49 卷四川建筑科学研究0 引 言现阶段，风荷载作为高层建筑设计中重要的水平荷载之一，如何合理、准确获取其大小对高层建筑的结构设计而言
8、，具有非常重要的作用。力求新颖别致的现代高楼，外形越来越独特，复杂连体双塔高层建筑就是其中的一种。目前，国内外学者主要通过风洞试验与数值模拟 2 种方法对 双 多塔高层建筑的风荷载进行研究1-2。中国现行荷载规范3中所提供的基本风速选取的是年最大风速统计样本数据中各方向的年最大风速，忽略了风向变化的影响。胡卫法等4对不同风向下高层建筑的风致动力响应特征进行了细致分析。冯永伟等5对双塔楼超高层建筑风致效应进行了风洞试验研究，研究表明，该结构在某些特定风向角工况下会出现较为强烈的动力响应，这是由于塔楼间的气动互扰而引发的。王腾飞等6对某非对称连体方形双塔建筑进行了风洞试验研究，得出了与常规不同的结
9、论：结构迎风面局部会出现负压区，而在背风面会出现正压区。侯家健等7对截面复杂的连体双塔高层建筑的风荷载特性进行了风洞试验研究。涂佳黄等8采用风洞试验与数值模拟相结合的方法对多塔建筑结构群的风压分布及其风场特性进行了分析，并阐明了塔楼之间风场的互扰机理。王浩等9对复杂环境作用下复杂体型超高层多塔连体建筑的风致响应和等效风荷载进行了研究，得到了结构顶部的动力响应、基底内力和风振系数。吴泽达等10 对复杂周边环境中的非对称双塔高层建筑的风荷载进行了试验研究，得到了该结构的风荷载分布特性。目前，在中国相关规范中没有记载该类复杂双塔高层结构风荷载方面的内容。为了准确获取结构表面风荷载特性，本文运用风洞试
10、验动态风压数据对双塔高层结构风致效应进行分析。本文基于风洞试验，首先，对某非等高复杂连体双塔高层建筑模型的风压分布进行研究；然后，利用风洞试验数据进行耦合风致响应计算，研究非等高连体双塔高层建筑在不同风向角下风致效应的变化情况，并分析不同风向角、结构高度与重现期风速 3 个参数对结构表面风压分布与动力响应的影响。1 风洞试验和数据分析方法1.1 风场模拟在武汉大学 WD-1 风洞实验室中完成本文所有的风洞试验。试验风场参数为：参考处试验风速约为 9.0 m s，B 类地貌（粗糙度系数为 0.15）。通过在试验段内设置挡板、尖塔及粗糙元获得该风场中的平均湍流强度剖面和平均风速剖面，如图 1 所示
11、。同时，将本文模拟风场的风速谱（试验风速谱）与 Von-Karman 谱（目标谱）进行了对比验证，二者的归一化风速功率谱如图 2 所示。由图 2 可知，试验风速谱与目标谱吻合较好，验证了本文中风洞试验所采用风场的正确性。图 1 平均湍流强度剖面和平均风速剖面Fig.1 Averageturbulenceintensityprofileandaveragewindspeedprofile1.2 模型概况本文的研究对象为某非等高连体双塔高层建筑，由 1#、2#塔楼与连廊组成，塔楼层数分别为 33 层和25层，其高度分别为178.0 m和120.8 m（含172023 第 5 期胡希光，等：非等高连
12、体双塔高层建筑风致效应研究图 2 归一化风速功率谱Fig.2 Normalizedwindspeedpowerspectrum和脉动风压。同时，在典型高度处的双塔楼结构表面布置测点，尤其是在连廊部位布置测点。风洞试验中测量模型表面风压的设备选用了美国 PSI 公司生产的 DTCnet 电子扫描阀，依次扫描所有测点的压力信号，采样频率与采样时间分别为331 Hz 与 62 s。图 4 参考坐标系及测点位置Fig.4 Referencecoordinatesystemandmeasuringpoints2 结构风致效应特性分析风洞试验中考虑的测点层数及风向角工况较 多，限于篇幅，下文仅分析部分代表
13、性楼层的数据。塔冠高度）。各单塔平面呈矩形，连廊共 3 层，在1#塔楼高度中部与 2#塔楼相连。另外，1#、2#塔楼的平面尺寸分别为 59.7 m34.1 m 和 35.9 m 34.1 m。风洞试验建筑模型由 ABS 塑料板制作，其缩尺比为 1 250。由于周边建筑的存在会对结构风荷载产生一定的干扰，因此本试验模拟了该双塔高层建筑周边约 400 m 半径内的主要建筑结构，按照规划图中的位置摆放于风洞中，如图 3 所示。为了满足阻塞比小于 5的要求，本文风洞试验的最大阻塞比控制为 3.10。图 3 风洞试验模型Fig.3 Windtunnelexperimentalmodel图 4 给出了本文
14、试验中风压测试的参考坐标系及测点位置。本文研究的风向角每隔 15 取 1 个，共计获得 24 个工况下建筑物表面的平均风压18第 49 卷四川建筑科学研究2.1 双塔楼平均风压系数分析该建筑测点平均风压系数分布如图 5 所示。图 5 双塔高层建筑测点平均风压系数分布Fig.5 Distributionofaveragewindpressurecoefficientatmeasuringpointsoftwintowerhigh-risebuilding从图 5 中可以发现：迎风面以正压为主，沿结构底部向上，塔楼（除塔冠部位）各测点层测点平均风压系数分布大体相同，由于结构受迎风面正压及背风面负压
15、共同作用，因此塔冠部位平均风压系数相对较大；另外，风场经过结构迎风面边缘处会发生分离现象，这使得结构背面和侧面主要会受到风吸力的作用，同时导致该区域的平均风压系数分布较为复杂，呈现出非规则性，亦会影响流场分离的强度。由于该双塔结构的非对称布置与连廊部位的共同影响，因此在 180 风向角下 2 个塔楼第 4 测点层迎风面 c1 与 c2 边缘区域均会出现负压，如图 5（a）、（b）所示，该部位风压分布的特殊情况应在结构抗风设计时予以重视；在 0 和 180 风向角下 2 个塔楼的平均风压系数大体呈对称分布，迎风面风压分布变化较大，背风面与侧风面风压分布较为接近。随着高度的192023 第 5 期
16、胡希光，等：非等高连体双塔高层建筑风致效应研究增加，2 个塔楼临近表面 d1 与 b2 区域的风压变化较大，如图 5（a）（d）所示，这是由于 2 个塔楼高度不一致（2#塔楼高度为 120.8 m），在高度小于 120.8 m 时才会出现塔楼之间的互扰效应，从而改变风场的分布特性。在高度大于 120.8 m 时，由于只存在 1#塔楼，其表面风压分布较为规则，如图 5（e）所示。连廊把 2 个塔楼连接成一个整体，消除了塔楼之间的相互影响，导致在这个部位结构表面风压的分布较为规则，如图 5（f）所示。表 1 给出了不同重现期风速下 1#塔楼 结构极值风压。由表 1 可知，与规范方法相比，本文所得到
17、的极值风压变化趋势相同，但本文方法结果的绝对值会更大，可以满足设计的要求。表 1 1#塔楼结构极值风压Table1 Theextremewindpressureof1#towerstructurekPa重现期 年本文方法规范方法最大值最小值最大值最小值501.76-2.751.25-2.041002.01-3.141.42-2.342.2 1#塔楼风致动力响应分析2.2.1 计算理论与模型参数1）计算理论结构发生的最大位移（Dmax）为在设计风压下产生的静态位移（ds）和最大动态位移（dd）的矢量和。一方面，静态位移通过结构静力学计算可以得到。另一方面，该高层结构是多振型耦合振动，可采用耦合风
18、振响应分析方法计算结构的风振响应，得到其动态位移与加速度。第 m 层结构中心点最大动态位移和加速度 表达式如下：（1）（2）式中：为峰值因子，一般取 2.5；x、y与ax、ay分别为结构中心点在 X、Y 方向的位移方差与加速度方差。x、y与ax、ay的表达式如下：（3）（4）（5）（6）式中：n为结构层数，i与ai分别为结构第i振型 位移均方根与加速度均方根，i为结构第 i 振型。i与ai的表达式如下：（7）（8）式中：Hi、Si*与 Mi*分别为结构第 i 振型的传递系数、广义荷载谱与广义质量，n*为结构频率。2）模型参数在国内相关规范中，钢结构与钢筋混凝土结构的各阶振型阻尼比取值分别为 1
19、与 5%。本文研究的双塔结构为钢-混凝土组合结构，其各阶振型阻尼比取 411。通过有限元建模计算得到该连体双塔高层结 构中 1#塔楼结构前 6 阶固有频率，见表 2。本文建立多自由度结构模型，得到结构各阶振型，并取前 6 阶振型作为主振型对结构的风致效应进行分析。对复杂连体双塔高层结构不同风向角下的动力响应进行计算，然后分析风向角对结构顶层位移与加速度的影响。2.2.2 结构顶层位移响应图 6 给出了不同重现期风速下 1#塔楼结构顶层最大位移响应。从图 6 中可以发现，结构顶层发生的最大位移会随着重现期风速的增大而增加。另一方面，1#塔楼结构顶层 X 轴向位移响应在 60 120（为风向角）范
20、围内会出20第 49 卷四川建筑科学研究表 2 1#塔楼结构前 6 阶固有频率Table2 Thefirstsixnaturalfrequenciesof1#towerstructure振型频率 Hz周期 s10.290 33.320 120.303 22.976 630.414 52.390 740.772 11.203 850.809 01.142 961.035 40.959 1现较大值，并在=315 时达到最大。除了 X 轴向，其他结构顶层位移随的变化规律基本一致，曲线均会呈现出“W”形状，且最大值均发生在=195 工况。图 6 1#塔楼结构顶层最大位移响应Fig.6 Themaxim
21、umdisplacementresponseoftopfloorof1#towerstructure表 3 给出了 1#塔楼在不同重现期风速下结构顶层最大位移值。由表 3 可知：100 年重现期风 速下，1#塔楼结构顶层 X 轴向最大位移响应会出现在=315 时，其值为 0.061 2 m；Y 轴向最大位移响应会出现在=195 时，其值为 0.097 4 m，比 X 轴向增大了 59.1；中心点与角点 最大位移响应分别为0.101 0 m与0.124 0 m。另外，100 年重现期风速下，1#塔楼结构的最大层间位移角为1 1 107，小于规范要求的1 65012，见表4。度变化规律会呈现出较大
22、的波动性。另外，在=0 与 240 工况下加速度相应地均会出现 2个峰值，=60 附近的结构顶层加速度较小。表 5 给出了 1#塔楼在不同重现期风速下结构顶层最大加速度值。由表 5 可知，100 年重现期风速下，结构顶层角点的加速度响应最为显著，其值达到了 0.207 0 m s2（=240），其次为 Y、X 轴向的加速度响应，其值分别为 0.150 3 m s22.2.3 结构顶层加速度响应1#塔楼结构顶层最大加速度响应如图 7 所示。从图 7 中可以发现，结构不同部位的加速212023 第 5 期胡希光，等：非等高连体双塔高层建筑风致效应研究表 3 1#塔楼在不同重现期风速下结构顶层最大位
23、移值Table3 Themaximumdisplacementoftopfloorof1#towerstructureunderdifferentwindspeedsforrecurrenceintervals位置50 年重现期100 年重现期最大位移值 m风向角（）最大位移值 m风向角（）X 轴0.052 63150.061 2315Y 轴0.084 51950.097 4195中心点0.087 21950.101 0195角点0.107 01950.124 0195（=0）与 0.147 3 m s2（=240），然而结构表 4 1#塔楼在不同重现期风速下结构最大层间位移角Table4 T
24、hemaximuminterstoreydisplacementangleof1#towerstructureunderdifferentwindspeedsforrecurrenceintervals重现期 年最大层间位移角 501 1 2781001 1 107中心点产生的加速度较小。100 年重现期风速下，1#塔楼结构顶层的最大加速度小于规范的加速度界限值12，说明该结构在舒适度方面能满足规范要求。图 7 1#塔楼结构顶层最大加速度响应Fig.7 Themaximumaccelerationresponseoftopfloorof1#towerstructure3 结 论基于风洞试验，本
25、文对某非等高连体双塔高层建筑的风致效应进行了深入研究，并重点分析了风向角、结构高度与重现期风速 3 个关键参数对该结构表面风压分布与动力响应的影响。同时，对 1#塔楼结构抗风性能进行了初步评价，说明该结构能够满足相关要求。主要结论如下：22第 49 卷四川建筑科学研究表 5 1#塔楼在不同重现期风速下结构顶层最大加速度值Table5 Themaximumaccelerationoftopfloorof1#towerstructureunderdifferentwindspeedsforrecurrenceintervals位置50 年重现期100 年重现期最大加速度值（ms-2）风向角（）最大
26、加速度值 （ms-2）风向角（）X 轴0.123 72400.147 3240Y 轴0.124 5 00.150 3 0中心点0.004 0 00.005 0 0角点0.172 92400.207 0240筑工业出版社，2017.2 CLUNI F，GUSELLA V，SPENCE S M J，et al.Wind action on regular and irregular tall buildings：Higher order moment statistical analysis by HFFB and SMPSS measurements J.Journal of Wind Engi
27、neering&Industrial Aerodynamics，2011，99（6 7）：682-690.3 建筑结构荷载规范：GB 500092012 S.北京：中国建筑工业出版社，2012.4 胡卫法，张录，瞿革.基于风洞试验的超高层建筑风振响应研究：第五届全国建筑结构技术交流会论文集C.北京：建筑结构 编辑部，2015.5 冯永伟，吴小平，杨学林，等.基于风洞试验的双塔楼超高层建筑风荷载与风致响应 J.建筑结构，2012，42（8）：65-68，49.6 王腾飞，邹良浩，孙艳.非对称连体双塔高层建筑的风荷载分布特征风洞试验研究 J.四川建筑科学研究，2017，43（4）：27-32.7
28、侯家健，韩小雷，谢壮宁.复杂连体双塔高层建筑的风荷载特性 J.华南理工大学学报（自然科学版），2008，36（3）：121-127.8 涂佳黄，梁经群，黄橙，等.多塔高层建筑风荷载互扰效应研究 J.湘潭大学学报（自然科学版），2015，37（2）：38-44.9 王浩，柯世堂.基于风洞试验超高层多塔连体建筑风致响应及等效静风荷载研究 J.建筑结构，2018，48（21）：103-108.10 吴泽达，刘欣鹏，熊辉，等.复杂周边非对称双塔高层建筑风荷载研究 J.四川建筑科学研究，2018，44（5）：43-47.11 组合结构设计规范：JGJ 1382016 S.北京：中国建筑工业出版社，201
29、6.12 高层民用建筑混凝土结构技术规程：JGJ 32010 S.北京：中国建筑工业出版社，2010.1）风压分布方面，随着高度与风向角的改变，该双塔楼之间存在强烈的互扰影响，导致表面的风压系数会发生显著的变化。另外，通过风洞试验得到的结构极值风压的绝对值会大于规范方法的结果。2）结构变形方面，在不同重现期风速下，1#塔楼结构的最大层间位移角分别为 1 1 278（50 年重现期）和 1 1 107（100 年重现期），均满足 高层民用建筑混凝土结构技术规程（JGJ 32010）12中结构变形方面的相关要求。3）舒适度方面，在 100 年重现期风速下，1#塔楼结构顶层的加速度未超过规范中的最大加速度限值，说明该结构能满足舒适度设计方面的相关要求。参 考 文 献：1 沈蒲生.高层建筑结构设计 M.3 版.北京：中国建
