２００８年第２９卷第５期 武汉某超高层建筑静动力风荷载分析 周新伟，曾学敏 （武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉４３００７０） 摘 要： 以武汉一幢超高层钢筋混凝土剪力墙结构为研究对象，利用ＳＡＰ２０００结构分析软件，建立该结构的分析 模型，分析了结构的动力特性以及结构在设计风荷载作用下的反应，并根据随机振动理沦分析结构的风振响应。 关键词： 超高层建筑；ＳＡＰ２０００； 风荷载； 风振响应 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｏａｄ ｏｆ Ｗｉｎｄ ｉｎ Ｏｎｅ Ｓｕｐｅｒ—ｈｉｇｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｆ Ｗｕｈａｎ ＺＨｏＵ Ｘｉｎ—ｗｅｉ。ＺＥＮＧ Ｘｕｅ－＂ｌｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｏｎｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｈｅａｒ ｗａｌｌｓ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｗｕｈａｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ￣ｆｔｗａｒｅ ＳＡＰ２０００，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｄｅｄ，ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｎｄ ｌｏｕｄ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｌｓｏ ｗｉｎｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｂａｓｅｄ Ｏｎ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ．ｈｉｇｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＳＡＰ２０００；ｗｉｎｄ ｌｏｕｄ；ｗｉｎｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ 高层建筑结构的显著特点之一是侧向荷载在 筑地下２层，地上５５层，建筑总高度１７５．５５ ｍ，建 结构设计中起着决定性的作用，除了地震作用外，主 筑总面积达５５ ２０９．３ Ｉｌｌ 。该建筑系钢筋混凝土剪 要的侧向荷载是风荷载，随着高强轻质材料的应用 力墙结构，上部结构的嵌固部位为地下１层顶板，剪 和设计水平的不断提高，使得现代高层建筑向更高、 力墙加强高度为地下２层楼板至６层楼板。底层层 更柔的方向发展，建筑结构的固有频率更加接近强 高为５ ５００ １１￣－ＩＤ－，板厚２００ ＩｌｌＩＹｔ，２层层高为３ １００ 风的卓越频率，风荷载作用下的结构响应进～步加 ｍｍ，板厚１５０ Ｉｌｌ＿Ｉｌ，４层～３Ｏ层层高３ １００ ｎ１ｎ１，板厚 剧，风荷载己成为高层结构的主要设计荷载之一。 １２０ ｒｉｌｌ＇Ｄ＿，３１层～５５层层高３ ２００ １２ｌｌｌ，板厚１２０ 在２０世纪６０年代奠基的结构风载和风振理论的基 ＩＴｌＩｌ，平面两边凸出部位（包括电梯间、楼梯问、管道 础上，经过世界各地的专家、学者通过不懈努力，目 井和过道）为现浇剪力墙简体。基础埋深８．４ ｍ，基 前结构顺风向风荷载和风振理论已比较成熟，研究 础形式为钻孔灌注桩筏形基础，地下室外墙厚为 成果已反映在各国规范当中；横风向风振影响因素 ５５０ ｍｉｌｏ 较多机理比较复杂，目前主要结合风洞试验进行研 究 。利用ＳＡＰ２０００有限元分析软件，建立结构的 ２结构ＳＡＰ２０００有限元模型 有限元模型，分析结构顺风向静动力风荷载反应，并 ＳＡＰ２０００是由美国Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ 根据随机振动理论计算结构顺风向风振响应。 Ｉｎｃ公司开发研制的通用结构分析与设计软件，是 １工程概况 美国乃至全球公认的结构分析计算程序，在世界范 围内广泛应用 。按照该超高层建筑的实际尺寸和 该超高层建筑于汉阳濒临长江，交通方便，地理 受力状态，建立该超高层建筑的ＳＡＰ２０００分析模 位置优越，环境优雅。建筑占地１４９１．８８ ｍ ，该建 型。 ６３ ２００８年２．１边界条件 第２９卷第５期 率、质量参与系数等信息，是结构静动力风荷载和风 振分析的基础。 在处理上部结构的边界条件时。不考虑地下室 和基础对上部结构的作用，将士０．０００以下部分视 为固结于地面，因而在ＳＡＰ２０００中结构力学模型的 底部支座选用固定支座，嵌固与地下１层顶板。在 建立结构的分析模型过程中，只考虑基本结构层，５５ 层以上附属结构层不予考虑。 ２．２单元模拟 表１单元类型 《高层建筑混凝土结构技术规程》 中规定，为 了控制结构扭转效应的潜在破坏力，规范规定了结 构扭转效应的上限，结构扭转为主的第１周期～ ～～＿Ｊ ．丁， 手三 兰 善 与平动为主的第１周期Ｔ 之比，Ａ级高度的建筑 不应大于０．９；Ｂ级高度的建筑、混合结构高层建筑 及复杂高层建筑不应大于０．８５。在计算时，用 ＳＡＰ２０００计算了结构前１５阶振型。结构周期和相 ． Ｆ暑 一 ≯’ ｊ ： 。ｌ 图１结构ＳＡＰ２０００模型 ３ 结构模态及静动力风荷载分析 该结构按武汉市１００年一遇基本风压作为设计 风压，取值０．４ ｋＮ／ｍ 。按《建筑结构荷载规范》 ］ 的规定，对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较 敏感的其他结构，基本风压应提高１０％，所以修正 后的风压值为０．４４ ｋＮ／ｍ２，风荷载体型系数取１．３， Ｃ类地貌。 ３．１模态分析 对结构进行模态分析，主要得出结构的周期、频 ６４ 关方向的质量参与比见表３。 表３结构周期及质量参与比 模态结果分析，结构的平扭振型主要是比较 ＵＸ，ＵＹ，ＵＺ ３个自由度的质量参与情况，从表３中 数据来看，第ｌ振型属于ｙ方向的平动，第２振型 属于ｘ方向的平动，略代扭转，第３振型属于扭转 振动，第４振型属于弯曲振动，第４振型之后一般是 比较复杂的平扭耦合振动；结构扭转为主的第１周 期与平动为主的第１周期之比为０．６满足规范要 求；对于ＵＺ方向平动质量参与系数，前几个振型都 是零，实际上对于一般的结构体系，是不需要考虑 ＵＺ方向的动力效应的。ＵＺ方向的质量参与系数 是判断结构竖向振动的主要依据。对于长悬臂结构 和大跨结构，结构可能会存在竖向振动。 ３．２总风荷载作用下结构侧移、相对层间位移以及 风振位移响应 在ｙ向和ｘ向风荷载作用下，结构位移等值线 如图２，图３所示。 从ＳＡＰ２０００位移分析结果可以来看，结构ｙ 方向的刚度小于ｘ方向的刚度，在风荷载作用下ｙ 方的最大位移为７２．６ ｍｍ，Ｘ方向的最大位移为 １５．７ ｍｍ，Ｙ向位移明显大于ｘ方向的位移；由随 机振动理论，计算结构在设计基本风压下，结构顺风 向ｙ向的风振位移为１２．４ ｍｍ，与ｙ向总最大位 移７２．６ ＹＯ＿ｎｌ相比占１７．１％，结构风振位移不可忽 略，并且随着风速加大，由脉动风引起的结构动力位 移逐渐加大。《高层建筑混凝土结构技术规程 ２００８年第２９卷第５期 表６结构ｌｒ向由脉动风引起的风振响应 一在设计风压下，结构在脉动风荷载作用下在结构 ０誓 黪 一 一 张 图２结构在ｘ向风荷载作用下位移等值线 图３结构在ｙ向风荷载作用下位移等值线 ＪＧＪ３—２０Ｏ２》 规定了高度不大于１５０ ｍ高的框支 层、筒中筒和剪力墙的楼层层间最大位移与层高之 比△“ 的限值为１／１ ０００，高度等于或大于２５０ Ｉｎ 的高层建筑楼层层间最大位移与层高之比△“ 的 限值为１／５００，高１５０～２５０ ｍ之间的高层建筑按线 性插入去用，故本高层建筑Ａｕ／ｈ的限值为１／８ｏｏ， 结构ｙ向最大楼层层间位移与层高之比为 １／１５ ６２５，结构ｘ向最大楼层层间位移与层高之比 为１／１１ ７６４，满足规范的要求。 ３．３ 总风荷载作用下结构基础反力以及风振响应 计算 由ＳＡＰ２０００分析结果得到结构基础反力如下： 表４结构在Ｙ向总风荷载作用下的基础反力 ｙ向剪力／ｋＮ 绕坐标轴Ｘ轴弯矩／（ｋＮ・ｍ） 绕坐标轴ｚ轴弯矩／（ｋＮ・ｒＩ１） 表５结构在ｘ向总风荷载作用下的基础反力 ｘ向剪力／ｋＮ ４ ８２４．４６ 绕坐标轴Ｙ轴弯矩／（ｋＮ・ｍ） ４９７ ０００ 绕坐标轴Ｚ轴弯矩／（ｋＮ・ｍ） ５９ ５８０ 由随机振动理论计算结构顺风向ｙ向在脉动 风作用下的风振响应 ，如表６所示。 底部产生的弯矩为２６７ ４７６．４ｋＮ・ｍ，和总风荷载在底部 产生的弯矩１ １８９ ０００ ｋＮ・ｍ相比，脉动风产生的弯矩 作用占２２．５％；结构在脉动风荷载作用下在结构底部 产生的剪力为２ ７８３．６ ｋＮ，和总风荷载在底部产生的 剪力１１ ５７７．６ ｋＮ相比，脉动风产生的剪力占２４％，从 分析结果来看，虽说脉动风荷载引起的结构响应不起 主要作用，但是其影响不可忽略。 ３．４风荷载作用下结构舒适度验算 高度超过１５０ ｍ的高层建筑结构，应具有良好 的使用条件，满足舒适度要求，按现行国家标准《建 筑结构荷载规范》 ＧＢ５０００９规定的十年一遇的风 荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速 度住宅、公寓不超过Ｏ．１５ ｍ／ｓ２，办公、旅馆不超过 ０．２５ ｍ／ｓ２。该结构在十年一遇风荷载作用下，Ｙ向 顺风向加速度为０．０３ ｍ厂ｓ２，横风向加速度为０．０１５ ｍ ，满足规范限值要求。 ４ 结 语 风荷载是建筑物的主要荷载之一，虽其作用幅 度比地震作用小，但其作用频度却较地震作用高得 多。随着结构高度的增加，风荷载变得越来越重要， 对结构抗风设计都提出了更高的要求。通过分析， 可以看出风荷载在结构设计荷载中的作用，并且在 高层建筑中风振响应不可忽略，本例可以为工程设 计提供参考。 参考文献 ［１］ 葛 楠．高层建筑风振问题的研究［Ｄ］．北京：中国建 筑科学研究院，２００６． ［２］ 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研 究院．ＳＡＰ２０００中文版使用指南［Ｍ］．北京：人民交通 出版社，２００６． ［３］ＧＢ ５０００９－－２００１．建筑结构荷载规范［Ｓ］．北京：中华人 民共和国建设部，２００２． ［４］ＪＧＪ３—２ＯＯ２．高层钢筋混凝土结构技术规程［Ｓ］．北京： 中华人民共和国建设部，２００２． ［５］黄本才．结构抗风分析原理及应用［Ｍ］．上海：同济大 学出版社，２００１． 收稿日期：２００８ ０３—３１． 作者简介：周新伟（１９８２ ），硕士生 Ｅ．ｍａｉｌ：ｘｉｎｗｅｉｚ＠１２６．ｔｏｍ ６５
