超强台风“山竹”过境期间珠三角地区超高层建筑的 风效应实测研究 1.
超强台风“山竹”过境期间珠三角地区超高层建筑的 风效应实测研究
1.
研究背景
超高层建筑风效应的原型实测是结构风工程领域中极为重要的基础性研究工作。基于实测可准确判断真实结构的动力特性，识别的结构模态参数亦可验证模型风洞试验结果。随着超高层建筑的兴建以及结构监测手段的进步，大量原型建筑的实测数据得以累积，能为超高层建筑的抗风设计提供依据。
华南理工大学风洞实验室构建的足尺结构风效应实测基地，涵盖了深圳、广州、珠海、上海等数栋典型超高层建筑，图1为系统组成框图。其中主要设备为自主研发的超低频高精度无线加速传感系统(LAC-II)，近年配置了激光测风雷达。
(a)测试系统组成框图
(b)T7顶部测风设备
图1 测试系统组成框图及山竹后期安装的T7顶部测风设备
超强台风“山竹”（No.20180522）是近50年来影响华南沿海地区最为严重的热带风暴，相应阵风等级可达16～17级。依托上述监测平台，对台风期间珠三角地区的数栋超高层建筑的实测结果进行分析，探索强风振下超高层建筑的风振响应规律。在实测研究进程中，同次台风激励下11栋建筑的实测风致响应对比，其规模之大尚属首次。
另外，当采用实际结构的模态参数识别结果结合风洞试验数据进行结构风振响应计算时，对原型结构在真实环境中的参考风速往往关注较少，常以近似值代替真实值。因此开展了内伶仃岛的模型风洞试验，用于订正该处的气象观测数据，为“山竹”作用下实测建筑的风振响应计算提供准确的参考风压。
所有实测建筑中，深圳湾壹号7号塔楼( T7)的实测最大峰值加速度最小，即使在超越重现期基本风压的作用下，依然表现出良好的抗风性能；结合实测和风洞试验分析和评价T7的抗风性能，从建筑规划的角度提出考虑风气候特征进行建筑朝向优化布置的抗风优化策略。
2.
实测风速订正
位于珠江口内伶仃岛东南海边（图2）的风速仪（海拔高度65 m）有效记录了台风“山竹”过境时的风况，记录时段为2018年9月16日0：00—24：00（图3）。虽然内伶仃岛处于开阔的珠江水域，但海岛周边存在确定的干扰影响，为获得相应平坦地貌的测点风速，采用内伶仃岛模型的风洞试验方法对测点的气象风速进行订正，得到对应开阔地貌下的10 m高度最大10 min平均风速约为29.24 m/s、相应速压为0.53 kPa。
图 2 气象站点和被测建筑T7位置
图3 超强台风“山竹”10 min平均风速和平均风向
3.
超高层建筑风效应实测的主要结果
台风“山竹”发展期间，珠三角地区9栋受监测的建筑以及深圳市其他2栋超高层建筑（图4）的实测最大峰值加速度响应见图5。所列11栋建筑以商业建筑居多，高度分布在160~600 m之间，实测峰值加速度均超过了10 cm/s 2 。其中高度342 m的T7实测最大峰值加速度最小，仅13.2 cm/s 2 ；而另一矩形平面高度200 m的住宅建筑SZ B4的最大实测加速度则高达43.0 cm/s 2 。从图5所列不同建筑的最大峰值加速度和建筑的高度之间的关系来看，由于结构体系的差别、外形和建筑布局等因素的影响，超高层建筑风致加速度响应和建筑高度不存在相关性，较矮的超高层住宅建筑的风致加速度响应相较商业办公类建筑的更高，应引起关注和重视。
图4 被测建筑的平面和测试设备安装位置
图5 超高层实测最大峰值加速度
图6给出部分建筑在峰值加速度最大时段的加速度迹线。由图可见，所列建筑的最大振动均出现在南北向或其附近方向。考虑到强风作用下超高层建筑的风致加速度的横风向控制效应，可知发生最大峰值加速度的风向应该是东风(或者是东南、东北风)；本文作者研究团队在近12年对这些建筑在其他台风作用下的监测结果也基本和此次台风的观测结果一致。因此珠三角地区超高层建筑抗风设计的关注风向应该是东南~东北的风向。
图6 测量加速度迹线
4.
T7实测结果分析
4.1 参数识别结果
T7作为超高层综合体，塔楼建筑高度342 m，采用了“缩进和切角”的气动外形方案：其南北立面沿高度连续缩进，其东西立面为等宽度；建筑平面角部采用了切角处理方式。为评估T7的实际风振舒适性，在顶部商业会所楼层（F68）安装一台LAC-II，系统平面安装位置如图4k所示。台风“山竹”中记录的关于 x 和 y 两个方向含最大峰值加速度响应在内的2 h加速度响应时程信号见图7 (具体时间为2018年9月16日13:30:15~15:30:15，对应于山竹发展过程中的最大风速时段)。该记录时段的风向基本都是东风(偏南或偏北)，结构横风向振动强于顺风向振动。
图7 T7加速度时程
图8为加速度响应的功率谱密度，其中前2阶模态响应占主导地位。前7阶固有频率与前期有限元结果回归分析结果见图9。由图可见，自振频率的有限元结果和实测结果具有很强的相关性,从统计规律上实测值比有限元分析值高21%。实测中关于该差别的原因有待深入研究。
图8 加速度响应功率谱密度
图 9 T7 实测频率和有限元频率的对比
采用二阶盲源分离方法以及贝叶斯谱密度方法，对特定时段(2018/9/15 23:51:17到2018/9/17 17:20:54)的实测时程信号进行前2阶模态频率和阻尼比的识别结果见图10。由图可见，结构前两阶模态频率在最大风速时段前随时间变化逐渐变小，在最大风速时段达到最小值，随后随时间变化逐步增大；模态阻尼比变化呈现一定离散性、规律性不如频率，在整体上随时间的增加而增加，在最大风速时段达到最大值，两阶模态阻尼比由开始的1%附近分别增大到1.7%和2.1%，随后随时间逐步减小。识别结果采用时变描述形式可有效避免采用模态参数-峰值加速度幅值的表述方式中出现的多值性问题。
图10 模态参数的时变规律
4.2 现场实测和风洞试验结果的验证
根据最大风速时段识别得到的模态参数识别结果和相应的10 m高度速压对原有风洞试验(图11)数据进行重分析，计算测试设备所安装的F68层峰值加速度 a x 和 a y 随气象风向角变化并和实测结果进行比较规律见图12。由图可见，实测结果与风洞试验结果吻合较好；同时由风洞试验结果显示在结构窄边迎风(0°和180°风向角)时的峰值加速度值要显著高于宽封边迎风的峰值加速度值，作者在对深圳京基100(图4a)和卓越世纪(图4e)的风洞试验分析同样得到与图12相似的结果，而这两栋建筑均为窄边朝东，这是这两栋建筑在山竹台风作用下的峰值加速度高于T7的原因之一。因此，让建筑的宽边面向强风主导的东风方向是一个对结构抗风较为有利的建筑平面布置方案。
图11 T7风洞试验模型
图12 建筑68层峰值加速度风洞试验和实测结果对比
5.
结语
由超高层建筑实测结果可知，其风振响应和高度不存在相关性；较矮的住宅类超高层建筑的风致响应高于更高商业办公类建筑的风致响应，应引起关注和重视。优化的气动外形和合理的朝向是T7抗风性能优良的主要原因，对于一般矩形平面的超高层建筑应避免使其窄边面向所在地的强风主导风向；采用订正后的风速值和参数识别结果对T7风洞数据进行重分析，其计算值和实测值吻合较好，验证了前期风洞试验的可靠性。
