超高层建筑抗风设计的现状与展望

降低横风向 激励的大小
截面优化
• 楼角柔化 • 开孔 • 干扰装置
降低横风向 激励的相关 性
立面优化
• 宽度收缩 • 扭转 • 变截面
楼角柔化
开孔
干扰装置
均匀收缩 阶梯收缩
截面收缩
扭转
变截面
各种空气动力学优化策略的综合应用
151 Tower, Inchon, Korea
Plan view witLeabharlann Baiduout slots
极地高压
大气环流风(Primary circulation) 60E
30E 10E
季风(Monsoon)
寒带低压
W E
W W 副热带高压
E W 热带低压
中尺度
台风(Typhoon/Hurricane) 海陆风(Sea/land breeze)
山谷风(Mountain/valley breeze)
小尺度
近地风 记录 出现率 （%）
NCAR数据
出现率 （%）
近地风记录
NCAR/NCEP数据
顺风向与横风向荷载示例
基底倾覆力矩随风向角的变化曲线
基底倾覆力矩
0O风向 倾覆力矩方向
风向
顺风向 横风向 荷载 荷载
最大值 平均值 最小值
9
高层建筑的风响应问题
Normaliz正ed规化Wi荷nd载 S谱pectra
Plan view with slots
Crosswind motion
Wind
Wind
空气动力学优化的基本原则
综合考虑、平衡利弊
原设计
风
改进后
风
RWDI的多学科工程咨询
风环境舒适度
风
风能 幕墙风压
结构风力
空气 废气排放与废气再进入
风险评估
质量 环境评估
太阳能负荷
日照 遮阳
眩光
通风
自然通风 烟囱效应 中庭防排烟 热舒适度
雷暴(Sound Storm)
不同类型风暴的典型风剖面
6
近地风资料的局限性
台风风向统计分布随高度的变化
N 40
30
N 60
20
45
30 10
15
W
0
E
W
0
E
S
10米高度
S
500米高度
7
气候资料：
• 近地风记录 • 台风的数值模拟 • 高层风记录（探空气球、雷达等） • 全球气候再分析数据库
风速 （km/s）
* 香港城市大学实测结果
雷诺数问题
模型尺度 Re < 1.3×105
足尺 Re > 1×108
雷诺数影响
❖ 阻力系数 ❖ 动态升力系数 ❖ 斯脱罗哈数 ❖ 横风向激励的相关长度 ❖ 表面压力分布 ❖ 来流紊流度影响
实际工程问题：
11
与横风向动力响应有关的抗风设计 可靠性问题
基底倾覆力矩
6.0E+10 5.0E+10 4.0E+10 3.0E+10 2.0E+10 1.0E+10 0.0E+00
30
荷载系数不足 设计风速
横风向控制 顺风向控制
荷载系数足够 极限状态
35
40
45
50
55
60
65
70
参考风速 (m/s)
12
超高层建筑空气动力学优化的一般策略
P e a k峰 a值c加c e速le度r（a tmiilolin-g (）m illi- g ) P e a k峰a c值c e加 l速e r度a t（iomilnli-(gm）illi- g )
TyphoonXH方agu向pi加t: 速X-d度ir. acceleration
TyphoonYH方ag向up加it: 速Y-d度ir. acceleration
顺风向与横风向响应比较
1.0E+00 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04
0.001
Across-wind Along-wind
0.01
0.1
1
Redu约ced化F频re率quefnDc/yUfD/V
顺风向荷载谱 与风的紊流特 性接近。
横风向荷载谱 主要由气流在 建筑物上的分 离造成。
10
超高层建筑固有频率 一般高层建筑固有频率
10
与涡漩脱落有关的横风向风振
由于超高层建 筑的自振周期 较长，涡激振 动临界风速较 接近设计风速， 造成横风向风 振成为主要问 题。
Critical speed (m/s)
120
涡 100 激 80 临 界 60 风 40 速 20
(m/s)
0
4
超高层建筑
7
7
6
6
5
5
4
Measu4red
实Mea测sur值ed
3
3
WT
风WT洞值
2
2
1
1
0 14 16 18 20 22 24 26 28 Refere参nc考e w风in速d s（pemed/s(）m/s)
0 14 16 18 20 22 24 26 28 Referenc参e考win风d速sp（eedm(/ms）/s)
噪音 振动
雪
环境噪音模式 环境噪音监测 室内声学设计 室内机械噪音
室内机械振动 结构振动 环境激振 减振阻尼器
地面雪的迁移与堆积 雪荷载 屋顶冰雪的堆积与滑落
可持续 设计咨
询
太阳能利用 建筑节能模式 节能措施 采光
风洞试验结果的可靠性
1:3000 缩尺地貌模型试验
1:400 缩尺高频测力天平试验
实测楼顶加速度与风洞结果比较*
高度 Height (m)
中国部分建造中的超高层建筑
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100
0
主要内容
风场 风气候
外风压 外风力
风致振动 惯性力
▪ 高层风气候研究与应用
▪ 超高层建筑风响应的特点 ▪ 超高层建筑的空气动力学优化
结构设计风荷载 风致振动舒适性
St =0.2
St =0.1
6 8 10 12 14 16 18 20
Buildin结g n构at自ua振l p周er期iod (sec.)
涡漩脱落频率
f
St
U b
St = Strouhal 数 （一般介于0.1与0.2之间）
U = 风速 （取大楼2/3至3/4高度的典型值）
b = 建筑物宽度（一般为50米至70米）
▪ 风洞试验的可靠性与雷诺数问题
高层风气候
规范风剖面
参考风速高度
风剖面： 近地风记录与高层风气候的相 关性。
•近地强风是否能完全反映高 层强风的统计特性？ •近地强风的风向分布是否能 完全反映高层强风的风向特征？
风速比（V600m/V10m）风速比（V600m/V10m）
风速比=1.774 10米高度风速（m/s）
600米高度风速（m/s）
• 近地强风时，风剖面基本满足 Harris与Deaves的大气边界层 理论。
• 近地强风记录不能完全包括高 层强风事件。高层强风时，其 风剖面不满足传统假设。
• 高层强风的风向特性与近地强 风不完全相同。
• 超高层建筑的风响应主要受高 层风的影响。
控制抗风设计的极端风
大尺度