广州西塔风荷载研究

1 工程概况 广州西塔位 于广州 城市 中轴线 的珠 江新 城, 为集
商业、办公及酒店为一体的超高层建筑, 是广州双塔的 西塔楼, 遥对广州新电视塔, 地面以上 103 层, 高 432m, 仅低于上海环球金融中心, 为华南地区 第一高楼, 将与 东塔一起成为 广州市的新地 标, 效果图及 立面见图 1。 其层 73 以下主要为办公楼, 层高 4 5m; 层 73 以上主要 为酒店, 层高 3 375m, 标准层平面见图 2。
风压 kN m2
0 18 0 24 0 38 0 46
表3
200 29 3 0 54
除利用广州、番禺地 面气 象观测 站历 史资料 推算 出西塔工程位 置各重 现期 风压计 算值外, 报告 中还以 珠海、深圳、惠东 气象 站的台 风实 测资料 为基 础, 根据 风速从海岸向 内陆的 衰减 规律, 推 算出 广州市 西塔工 程位置各重现期台风风速计算值, 如表 3 所示。
广州西塔建筑造型修 长挺拔, 高宽 比超过 6 5, 对 位于广州这一 台风多 发地 区的超 高层建 筑来 说, 风荷
图 2 标准层平面
载为结构设 计的控 制荷 载。而且西 塔建 筑外型 独特, 并处在密集的高 层建 筑群中, 特别 是即将 在毗 邻兴建 的东塔也将对其 产生 影响, 这 都使 西塔的 风反 应相当 复杂, 因此须 对设计 风荷载 进行 深入的 研究。通 过风 气候分析确定了 本区 域的风 况及 设计风 参数, 并通过 模型风洞试验确定大楼的等效风荷载取值 并对大楼舒 适度进行判别。 2 结构选型
因此报告中 提供了 两种 建议的 风压 剖面 线: 包括
台风及雷暴的 100 年 一遇 风剖 面线 A, 仅 考 虑台 风的 100 年一 遇风 剖 面线 B。风 剖面 线 A, B 与规 范 w0 = 0 60kPa、地面粗糙度 C 类的风剖面线对比如图 3 所示。
图 3 剖面线对比图
风荷载是工程 结构 设计的 控制 荷载, 风 剖面 线是 设计工作的基本 条件, 风剖面 线选 择的合 适与 否将对 结 构的 安 全性 和经 济性 起 到决 定性 的作 用。图 3 显 示: 1) 风速随着高度的增加而增大, 但包括 台风及风暴 的风剖面线 A 略大于仅考虑台 风的风剖面 线 B。广州 属台风及雷暴多发地区, 台风是强风天气 的主要原因, 但结构设计中仍采用包括台 风及雷暴的 风压剖面线 A 来确定风荷载, 这是较为 保守的作法。2) 在 220m 高度 以下, 气象中心提供的风 速大于规范 风速, 而在此高度 以上, 气象中心提供的风 速则明显小 于规范风速, 风剖 面线在约 220m 处有交点, 交 点以上气象 中心提供的风 速基本不变。采用气象中心 提供的风剖 面线计算得到 的倾覆力矩将小于规范风剖面线计算得到的倾覆力矩。 4 与风响应有关的结构参数的选用
西塔模型用 有机玻 璃材 料制成, 几何 外形与 建筑 原型相似, 几何缩尺比为 1#500。为考虑周围的高层建 筑群体形成的局部风环境, 将周围 600m 半径范围内已 建、在建和将建 的高层 建筑 也等比 例制 作后放 置于风 洞试验段内 2 4m 直 径的 转盘上。模 型还 分无东 塔和 有东塔两种工况, 试验模型如图 4 所示。
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规范, 在风荷 载分 析及 风 致加 速度 分析 中 可采 用 4% 的阻尼比。考虑到工程 高度达到 432m, 可参 考的经验 不多, 故在风荷载分析中 采用 3 5% 的阻 尼比, 同时对 重要构件采用由 2 0% 阻尼 比计算 得到 的风荷 载进行 强度校核。 对于 结构 舒适 度, 采用 1% 的阻 尼比 计算 结构风致加速度。 5 风洞试验
第 39 卷 第 4 期
建筑结构
2009 年 4 月
广州西塔风荷载研究
江 毅, 方小丹, 韦 宏, 赖洪涛
( 华南理工大学建筑设计研究院, 广州 510641)
[ 摘要] 广州西塔是广州双塔的西塔楼, 目前为 华南地 区第一 高楼, 高宽比 超过 6 5, 主塔楼 结构采 用钢管 混凝土 斜交网格外筒+ 钢筋混凝土内筒的筒中筒体系。由于广州为台风多发地区, 风荷载为其结构设计的控制荷载, 故对 其抗风设计进行了详尽的介绍。通过风气候分析确定了区域风况和设计风参数, 以及与风响应有关的结构参数, 并 通过模型风洞试验确定了大楼的等效风荷载取值, 并对大楼舒适度进行了判别。 [ 关键词] 超高层建筑; 设计风荷载; 风气候分析; 风洞试验; 阻尼比
主塔楼结构采用巨型钢管混凝土斜交 网格外筒+ 钢筋混凝土内筒的筒中筒体系, 至层 69, 由于建筑使用 功能的需要, 取消了核心筒的内墙, 仅保留 部分核心筒
图 1 广州珠江新城双塔效果图及西塔立面图
1 08
作者简介: 江毅, 一级注册结构工程师, Email : kionjy 163@ 163 com。
外墙并向中心倾斜, 电梯井道移至核心 筒外, 形成巨型 钢管混凝土斜交网格外筒+ 剪力墙结 构体系。水平荷 载( 包括风荷载和地震作用) 产生的倾覆 力矩大部分由 斜交网格柱外 筒斜柱 承担, 基底剪 力大 部分由 钢筋混 凝土内筒承担。
钢管混凝土 斜交网 格外 筒从基 底开 始, 钢管 直径 1 800mm, 壁 厚 35mm, 每 一 个 节 点 层 直 径 缩 小 50 或 100mm, 至顶层钢管直径 700mm, 壁厚 20mm。核心筒外 墙厚度地面以下为1 200mm, 地 面以上 由1 100mm 沿高 度方 向 逐 渐 减 薄 至 层 69 的 500mm, 层 69 以 上 4 层 350mm, 其余 300mm; 核心筒内墙厚 500mm。 3 风气候分析
图 4 风洞试验模型
为测得西塔 的表面 静压 力, 在模 型表 面沿不 同高 度布置了 27 个测点层, 每个测点层沿平面周边 布置 21 个测压点。 5 2 风场模拟
西塔风洞试 验中 以建筑 原型地 貌的 400m 作 为参 考高 度, 风洞中对 应的参考高 度为 0 80m, 该高度模型 上游基本未受干扰处的试验 风速选择为 12 0m s, 以此 作为参考风速得到的速度风压即参考 风压。试验段内 以二元尖塔、挡板及粗糙元模拟出 C 类地貌的风剖面, 参照日本 AIJ1996 的建议值模拟湍流度分布, 测出的平
振型 X 向平动 Y 向平动 扭转
结构自振周期 s
一阶
二阶
三阶
7 57
2 20
1 18
7 51
2 17
1 16
2 76
1 21
0 77
表4
四阶 0 74 0 72 0 57
4 2 阻尼比 高层建筑阻尼 比的 影响因 素众 多, 各国 规范 规定
的高层建筑设计采用的阻尼比差别也较 大。这主要是 因为建筑结构本 身的 动力性 质复 杂, 而目 前对 超高层 建筑的阻尼机理 缺乏 深入研 究, 也 缺少结 构在 大振幅 条件下的阻尼特性实测数据。工程为斜交 网格钢管混 凝土柱外筒+ 钢 筋混 凝土内 筒的 组合结 构, 根 据我国
西塔 10m 高各重现期风速、风压计算值
重现期 年 风速 m s 风压 kN m2
5
10
50
100
ຫໍສະໝຸດ Baidu
15 8 18 6 24 7 27 3
0 15 0 20 0 36 0 44
表1
200 29 9 0 53
根据西塔工程 场地周 边环 境, 该区 域较 符合 C 类 下地面环境 特 征, 根 据 荷载 规 范 GB50009 ! 2001 规定 的各类地面粗 糙度 换算系 数, 将表 1 中工 程场地 实际 风压计算值换算 为 B 类 条件下 的基本 风压, 如表 2 所 示。可见, 场地实际基本风压略小于规范值。
工程设计风荷载采用风洞试验结果。 风洞试验单 位根据气象中心提供的区域风剖面线及设 计单位提供 的与风响应有关 的结 构参数, 通过 对试验 实测 数据进 行计算分析, 得到设 计风荷 载。与风 响应有 关的 结构 参数的选取对最终设计风荷载的大小影响巨大。 4 1 结构基本周期
对风响应影响 较大 的一般 为结 构的前 几个 周期, 工程平面较为规则, ETABS 计算结果如表 4 所示。
西塔 10m 高各重现期基本风压值
重现期 年 风速 m s 风压 kN m2
5
10
50
100
17 9 20 8 28 0 30 7
0 20 0 27 0 49 0 59
表2
200 33 9 0 72
西塔 10m 高各重现期台风风速计算值
重现期 年 风速 m s
5
10
50
100
17 1 19 4 24 8 27 1
为了确定广州西塔区域风况、设计 风参数, 确保项 目设计的基础 参数正 确可 靠, 广东 省气 候与农 业气象 中心进行了风气候分析, 并提交了 广州 市西塔工程气 象参数分析、计算 报告 。报 告中利 用广 州、番禺 地面 气象观测站历史资料进行各类气象要 素的统计、计算。 根据现有观测 条件, 筛 选出 与工程 场地 风环境 比较类 似的广州市天河区三防办自动气象站作为西塔工程场 地的主要参考观测 站, 并在 合理 性检验、订正、延 长的 基础上, 按照规范规定的方法, 推算出广 州市西塔工程 位置各重现期风压计算值, 如表 1 所示。
Study on design wind loads of Guangzhou West tower Jiang Yi, Fang Xiaodan, Wei Hong, Lai Hongtao
( Arch. Design & Research Inst. South China Univ. of T ech. , Guangzhou 510641, China) Abstract: Guangzhou West tower is the west tower of Guangzhou Twin Towers. Now it is the tallest building in South China, and its ratio of height and width is beyond 6 5. The structure system is tube in tube system with CFT diagrid outside and reinforced concrete core inside. Guangzhou is a typhoon climate region, wind loads will be the controlling load when designing the structure of West tower, so study on wind resistance design is detail introduced. The wind condition of local reg ion and wind profile by wind climate analysis are defined, the parameters affecting the reaction of building against wind loads are chosen, and the equivalent static wind loads and acceleration of the peak of the building are gained by wind tunnel tests. Keywords: super tall building; design wind loads; wind climate analysis; wind tunnel tests; damping ratio
风洞试验以 10∀为间 隔, 通 过测 压、测 力及风 环境 试验获得 36 个 风向 角下建 筑物 平均 风压 分布与 峰值 风压分布; 再通过提供的结构参数进行 风分析, 得到各 楼层和基础的平均风荷载与等效静力风荷载及楼顶加 速度响应, 评估 居住者 舒适 性以及 建筑 周围行 人高度 风环境。0∀风方向如图 2 所示。
工程风洞试验分别由汕头大学风洞实验室与美国 CPP 风工程顾问 公司 独立 进行, 并 对两 个试 验结 果进 行对照。结果显示, 在采用相同结构参 数的前提下, 两 个风洞试验 结果 基本一 致。因此, 可 以认 为风洞 试验 结果是合理的, 结构设 计主 要根据 汕头 大学风 洞实验 室结果进行。 5 1 试验模型和测点布置