某超高层建筑风位移角控制张海强

某超高层建筑风位移角控制张海强

张海强

上海东屹建筑设计有限公司

摘要：通过对某超高层建筑进行了风振作用下层间位移角的动力分析和结构的有害层间位移角分析，结合了文献[2]中所提出的允许放松层间位移角限值的相关条件，对该结构进行了适当放宽风荷载作用下的层间位移角限值。并进行了中、大震抗震性能设计，确保地震作用下弹塑性层间位移角满足现行规范要求。对同类工程具有借鉴及参考意义。

关键词：超高层结构；层间位移角；风振动力分析；舒适度

1引言

随着社会经济技术的发展，高层建筑结构的高度不断增加，涌现出较多的超高层建筑。此类建筑往往高宽比较大，阻尼小，水平方向的抗侧刚度小，属于柔性结构体系。风荷载是作用在此类高柔结构上的重要荷载，结构的风荷载成为控制高层结构安全、舒适性的主要因素之一。有时甚至起到决定性作用，在风荷载作用下会出现结构位移角不满足设计要求的现象。如果采用传统的通过增加结构强度、刚度的方法来减小位移角来满足要求，使得结构不具备自我调节能力或增加造价不满足经济性要求。

2工程概况

本项目地块位于佛山新城，建筑用地面积为18128.22平方米，总建筑面积为126916.89平方米。设有2层地下室，地面以上为7栋超高层住宅，1-4号楼为48层超高层住宅，属于超限高层建筑结构，本文以1-4号楼为分析对象。1-4号楼地面以上的建筑高度为144.6米，标准层层高3.0米，17、33避难层层高3.15米，塔楼两向的高宽比分别为5.65、10.26。结构标准层平面示意图如图1所示。

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）及广东省标准《建筑结构荷载规范》（DBJ15-101-2014），本工程用于舒适度验算的10年一遇基本风压取0.30kN/m2，用于水平位移计算的50年一遇基本风压取0.6kN/m2，用于承载力设计的风压取基本风压1.1倍为0.66kN/m2，地面粗糙度为B类，建筑体形系数μs=1.40。

根据《建筑抗震设计规范》规定，本工程抗震设防烈度为7度（0.1g），第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s，取规范反应谱作为小震计算分析的参数。

图1结构标准层平面示意图

3结构风位移角控制分析

本工程在小震作用下，地震下最大层间位移角为X向1/1272，Y向1/1323，均能满足省《高规》[1]第3.7.3条“不宜大于1/800”的要求。采用风洞试验数据计算的最大层间位移角为X向1/1999，Y向1/747，Y向位移角未能满足省《高规》第3.7.3条“不宜大于1/800”的要求，但考虑本工程的结构特点及以下相关分析后，拟参照文献[2]的规定将层间位移角限值放宽至1/600。

3.1允许放松层间位移角的条件

本工程已进行中、大震的抗震性能设计，采用采用Perform-3D软件进行动力弹塑性分析，满足①-⑤条件的要求，故可相应放松，按规范近似公式计算的顶点风振加速度及按风洞试验计算所得的顶点风振加速度，分别列出如表2所示，可见均能满足规范要求。其中风洞试验分析表明结构Y向顶点最大加速度为0.127m/s2<0.15m/s2，发生在105度方向角的风荷载时程作用。

表1大震弹塑性时程分析的主要指标（包络值）

3.2结构的有害层间位移角分析

真正对结构产生内力和较不利影响的是剔除下一层整体弯曲转角影响后的有害层间位移角，为满足结构因高宽比过大而对侧向刚度的高要求，本工程Y向几乎满布剪力墙，Y向的侧向变形曲线呈明显的整体弯曲特征，小震作用下Y向的结构位移见图2所示，因此真正的有害层间位移角是不大的，按YJK软件提供的有害位移占比数据计算各层有害层间位移角，其曲线如图3所示，可见有害位移角最大区域位于底部，最大有害层间位移角为1/7158，远小于规范限值1/800。根据《抗规》[3]第5.5.1条规定，以弯曲变形为主的高层建筑可扣除结构整体弯曲变形（P329条文说明：……如未扣除，位移角限值可有所放宽），则扣除后的有害层间位移角亦是远小于《抗规》限值1/1000。

图2小震作用下Y向的结构位移图3Y向风荷载作用下的有害位移角

3.3风振时程下位移角计算

为了研究本工程结构在脉动风作用下的风位移角，需要计算结构在50年一遇的风荷载激励下的结构层间位移角。采用风洞试验提供的对应基本参数的脉动风荷载时程数据，将风载分别施加于结构迎风面不同高度的相关节点上，以对结构进行风振时程分析。

采用风洞试验的风荷载时程进行风振分析风洞试验本身采用实测的多条多角度风荷载时程对结构进行动力分析来取得等效静力风荷载，根据等效静力风荷载的计算结果可知，其中120度方向角的风荷载时程在结构Y向引起的层间位移角最大，120度风向角工况结构顶层的Y向风荷载时程曲线详见图4所示，该风荷载时程已同时包含了平均风与脉动风的成分。

4结论

该工程采用美国CSI公司的大型结构分析与设计软件ETABS建立三维有限元模型，剪力墙采用壳单元，梁、柱采用空间杆单元。将该风荷载时程输入ETABS模型相应计算，可得结构在风振时程作用下的最大层间位移角为1/864，发生在37层，其包络曲线如图5所示，可见在风振时程作用下层间位移角是能满足省《高规》要求的。

综上所述，由上述分析所得到的主要结论为：

（1）将结构层间位移角限值放松至1/600是安全的，同时也是满足正常使用和舒适度要求的，结构按风洞试验计算的静力层间位移角最大值为1/747，满足要求。

（2）放松层间位移角应以满足文献[2]中所提出的允许放松层间位移角限值的相关条件为前提。

（3）建议进行风振作用下动力时程分析，对风荷载作用下的层间位移角进行复核计算。

参考文献：

[1]DBJ15-92-2013《高层建筑混凝土结构技术规程》[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.