一、风洞试验对超高型幕墙外立面风荷载取值的重要性

　　在中国，许多现代化建筑结构设计成超高层，近几年来在全国许多地方陆续出现塔型建筑物，例如：电视塔、高级写字楼，等设计高度一般在200m-500m；据说正在设计论证的某塔型建筑物高达888m；现在已经设计并施工的广州电视塔H=465m，广州高级写字楼西塔大厦H=432m，至于200-300m之间的建筑就更多了，几乎60%以上省份都会有2-5座这种建筑物。我们更为关注的是在这些建筑物外立面设计上，几乎全是玻璃幕墙或组合式幕墙围护结构。作用在这种超高层幕墙的风荷载的取值，完全不可利用荷载规范GB50009-2001（2006年版）和玻璃幕墙技术规范JGJ-102-2003进行计算，上述规范一般只在高度150m以下可以参照计算，风荷载标准值和设计值取值是有效的，但作者认为取值是十分保守的，往往风荷载比真实建筑实际上所受抗风值偏大，到高层这种偏大更加突出。当然，超高层建筑物的风荷载只是一些异型曲面和屋面、顶部转角处弧形处可能负风压很大，但它所占据受抗风的面积对整个建筑物抗风面积要小得多，综合评价风洞试验70-80%抗风面积的风荷载要比GB50009-2001（2006年版）和JGJ-102-2003规范计算风荷载要偏小（可以从风洞试验中的体型系数、最大正风压值和最小负风压值分布清楚看出来）。

　　二、超高层建筑幕墙结构的风振响应和抗风洞试验的必要性

　　（一）大家知道，现行幕墙风荷载计算主要依据GB50009-2001（2006年版）和JGJ-102-2003，它仅仅是抗风等效静力风荷载计算上，例如：大部分各个幕墙公司接到幕墙设计时，往往利用上述荷载规范确定一个安全保守的设计风荷载的标准值：WK=βZμZμSWo和WK设=1.4βZμZμSWo（设计值）

　　一般选用设计点为幕墙最高处的正风荷载和转角弧形，只有体型系数上取值-2即可按上述公式计算出风荷载，然后利用结构的支撑类型做计算模型，例如：简支撑梁，3-4跨铰支连续梁，多点跨铰接静定力学模型进行计算强度和刚度，满足要求就可以了。实际这二个规范所讨论幕墙结构的静力学问题。

　　我们惊奇发现，GB50009-2001（2006年版）和JGJ-102-2003规范仅在静力学响应抗风计算，这种计算并不完善，而且大部分不能反映起初建筑物在各个段上抗风面上的荷载，往往偏大，造成使用材料的大大浪费，原因第一：不是风荷载（H=150m以下），按高度分成计算，在结构设计应分几个高度段分层计算风荷载更加合理和节约（国外一般都是这种计算）；第二：我们因不习惯做风洞试验，不明白用风洞试验给出的最大正风压、最小负风压及给出分层分片的抗风面积上的体型系数；第三：有些业主不明白做风洞试验会给业主带来经济上更大的好处；第四：运用好超高层幕墙的动态力学和结构振动响应计算方法，是全面描述超高层塔型建筑物幕墙的真正运动特性和变形位移、地震惯性力对结构影响。

　　（二）作者认为中国目前用常规的方法取风荷载（忽略风洞试验数据使用）在高层幕墙上，平均使用材料费至少浪费10-15%，我们会在另一个实际工程用风洞数据和用现行规范对比计算实例来证明作者的看法：同一高层建筑幕墙风洞试验风荷载取值与荷载规范取值对比，显然前者计算结果是最接近实际荷载。

　　当然，风洞试验中对于高层转角、屋面檐口、各种曲面处，负风压非常之大有的可在-4～-6，但一般作用部分区域，抗风面积比较小（规范上规定我国为抗风周边面积占整个抗风面积1/10），这种情况在结构设计时可以局部补强办法，解决结构具有足够的强度和刚度。

　　（三）超高层作用在幕墙表面的风荷载，主要以动态非线性风振响应和等效静力风荷载组合形式，在设计抗风计算时一定要考虑风振影响。例如：广州电视塔高度465m，它的高宽比即H/D比大于10-20，必然产生风振位移和结构振荡，这座塔会存在固有自振频率，而且在塔2/3处以上部分，它的阻尼较小，因此将会以接近这种固有频率进行振动，往往这种振动频率接近阵风频率，这种风作用椭圆形的位移轨迹不停的振摆，一般为长周期低频振摆，如不加阻尼系统，只要有风存在这种振摆不会停下来。

　　从空气动力学角度分析，像广州电视塔的风振荡属于风致振动类型，其特点是它的高度与当量直径比太大，并属于单支点结构（外加钢结构起到一定阻尼作用，这种设计是必要的），在垂直于风的方向上塔会出现以上说的的固有频率振动，从理论上广州电视塔这种振动是由脱落旋涡引起的，最靠近塔的脱落涡影响为最明显，并在电视塔周围诱导出一个不对称的气流见下图，并产生侧力使电视塔在Va方向侧面弯曲，当第一批脱落涡流向后运动时，它对电视塔的诱导作用逐渐消失，但新的一轮脱落涡已靠近塔体会产生上述重复现象，当然可能风向角变化了，塔体向另一个方向倾斜弯曲，风以风向角0-360°之侧面倾斜产生由风致振动引起不规则的无数椭圆型位移的轨迹，这些轨迹大小方向无穷的变化着，永远不停，如果不在结构设计上采取有效的阻尼系统设计，长期近百万、千万亿次的振摆会产生结构某部分受力构件的疲劳破坏，尤其玻璃幕墙部分，好在广州电视塔在建筑设计上，在外套左旋的钢结构本身和加了阻尼措施，这个非常重要的设计，它大大降低了振幅，并不同使用振摆轨迹渐渐减小到很小范围。但对塔层在300m以上的内涵的玻璃幕墙，这种风振摆动仍然存在，作者估计在塔顶端不加阻尼最大振摆幅度为2-3.5m，加阻尼可降到0.8-1.5m，这种数据是安全的。

　　广州电视台和广州西塔的外围玻璃幕墙设计一定要考虑弹性变型及风动态作用下的振动，尤其玻璃对接参数设计，要经严格计算，它绝不是JGJ-102-2003规范计算的参数，并且使用密封硅酮胶也应采用低模数、大位移的硅酮特种胶。它可以吸收部分振动的能量，也从某种程度直到阻尼效果，应引起高度重视。

　　图A

　　上图A中由旋涡引起的向下分量Va大于较远的旋涡b引起的风向是Vb，在共振时，下一个脱落涡的诱导气流，促使其返回，经塔中心轴线，继续运动，因此电视塔在典型情况是振荡频率继续增大，直到超过临界速度，但当激振频率远远大于固有频率时，振荡既到达一个极限，然后接近零。这种振摆荡称作风致振动，当固有振频率较高（20-100周/秒）时，位移比较小的情况，例如：电线在阵风作用下，产生嗡鸣声就属于风致振动，当然电视塔自振频率属于比较低，因此不产生这种嗡鸣声，消除或降低电视塔的风致振荡办法，一般认为是在塔外表面加上螺旋干扰流器（箍条）这种干拢器可能使风致振摆现象降低很大，出现最大值或不影响结构的疲劳破坏。这们实际上在广州电视塔外周围用螺旋钢结构进行这种阻尼措施，起到扰流器的作用。

　　（四）广州电视塔玻璃幕墙结构体系风振响应和抗风设计

　　我们仍然担心，没有有效风洞模拟试验的情况下，对电视塔内侧玻璃幕墙体系风振响应产生的非定场风场中的变形位移，仍然存在，它和等效静力风荷载作用下会发生0-360°的变位移出现，当然是低频振动，可是位移定量不清楚，研究或确定这种风致振动引起玻璃幕墙本身结构体系之变形和玻璃板块本身之间的互相运动位移，是由振摆影响的很值得注意；因为一旦阻尼很小情况，加上塔上部的建筑质量轻，柔性大，可能会产生振动，尤其风荷载和结构振动是结构设计的控制因素之一。所以必须对如此大的长宽比的塔型电视塔，进行风致振动响应和等效静力风荷载作用加以计算或试验，并给出研究或试验报告，我们建议进行计算，利用专用风致振动软件计算并给出初步的说明和结论。

　　对本工程应从下面工作进行研究或计算：

　　（1）在风洞试验中作用在电视塔（幕墙外表面）上的风压分布和风荷载对两种结构体系，风致振动的振频与振位移进行分析。

　　（2）利用非定常动力谱的相拟结构准则，进行对风速、压力、几何尺寸，利用动相拟准则方法，进行全面模拟试验模型与实体，具有动态质量相似，求出它们相似的转动惯量，进行计算机模拟计算。以便得知塔的振摆中的电视塔上部（尖）的0-360°摆动位移速度、加速度分布特性。

　　（3）必要时进行平稳激励下线性分流的随机振动，即设法将非线性运动特征利用有限元软件用线性矩阵，求n阵的阻尼，n阶质量、刚度位移等参数的线性求解，即将下面的二阶偏微分振动方程，对结构进行风致振摆变化分析，对计算得到的结构各层的位移，和各层的速度、加速度的变化率（一阶导数）加以分析，得到安全的结论。

　　

　　则位移y值上式（1）（2）代入方程A中即可求出n位移值。

　　（4）对于广州电视塔应在风洞试验取值对动态求出等效静态力风荷载计算模拟计算

　　式中g为峰值因子，按表1取。 为平均风力荷载， 平均扭转荷载。

　　表1 参数取值

参数名称	参数取值
地貌类型	C
基本风压 10年重现期（用于舒适度计算）            （100年重现期）	0.30kPa 0.50kPa
阻尼比	0.05
峰值因子	2.5

　　三、广州电视塔的结构顶点位移、加速度及舒适度判据、等效静力风荷载计算

　　1、结构动力特性

　　结构各层的集中质量、转动惯量以及模态频率和振型均由设计院提供，给出了结构的前3阶振型和频率，其中第一、二阶模态以侧向振动为主，第三阶模态以扭转振动为主。

　　2、顶点位移加速度

　　根据风洞试验结果和前述方法，对结构进行风致抖振响应计算，得到结构顶点位移的平均值、根方差和峰值，根据设计院要求，按设定x-y或x1-y1轴两面三刀套坐标系统给出。

　　同时，根据位移响应，按公式化（1）-（2），可计算得到加速度响应。合线加速度响应要方差 按以下公式计算：

　　

　　式中， 为X向平动加速度与绕Z向扭转加速度的互协方差， 为Y向平动加速度与绕Z向扭转加速度的互协方差。结构顶点的总加速度响应峰值模拟计算或风洞试验给出峰值数据表（表2）。

　　从表中可知，在360度风向角下（C类地貌，10年重现期）给出结构顶点加速度的最大值，满足结构顶点最大加速度限值的要求，即（0.15-0.2m/s2）。按下表2，做风洞试验时，将真实按10年重现期，100年重现期测出0°-345°区域顶点总加速度填入表中。

　　表2

 

风 向 角	顶点总加速度 （单位：米/秒2）
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
105°
120°
135°
150°
165°
180°
195°
210°
225°
240°
255°
270°
285°
300°
315°
330°
345°

　　四、通过对广州电视塔和广州西塔的超高层建筑结构风致振动及等效静力风荷载的分析，应给出动态位移、扭转角位移及项部最大加速度。

　　1、 给出了不同风向角下的结构顶点位移，和给出了在各个风向角下的结构顶点最大加速度。在360度风向角下（C类地貌，10年重现期）出现结构顶点加速度的最大值，满足结构顶点最大加速度限值的要求。（风洞试验可以给出）

　　2、 风洞试验给出了结构在24个风向角下的层间等效静力风荷载，可用于整体结构设计。

　　3、 作者认为：周边建筑群对建筑上的风荷载影响应主要考虑，因为干扰是互相的，一种是周围建筑物干扰了塔建筑物，甚至有可能塔的空气干扰对周围群体建筑物影响会更大。因此严格地讲，本报告提供的风荷载只在此情况下才是正确的。当周边环境有较大改变时，对广州电视塔上的风荷载分布也将发生变化，在设计时应考虑这两种潜在因素可能产生的影响。

　　4、 也许若干年之后在广州电视塔周围会有更多更高建筑物出现，它的群体运动干扰的不可忽视，必要时补作群体干扰动态风洞试验，得出数据是否会有坏的影响，再做保护性措施是十分必要的。

　　参考文献

　　[1] 莫英光,风洞试验在建筑幕墙设计中的应用, 2004.
　　[2] 张相庭, 结构振动力学, 同济大学出版社, 2000.
　　[3] 建筑结构荷载规范GB50009-2001（2006年版）.
　　[4] 同济大学，北京大学，风洞试验文件.