摘要
[引用本文]羅赤宇，林景華，謝一可，等. 粵港澳地區(qū)超高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2020，50(10)：12-22.
LUO Chiyu,LIN Jinghua,XIE Yike,et al. Some issues about wind-resistant design for super high-rise building structures in Guangdong,Hong Kong and Macao Area[J]. Building Structure，2020，50(10)：12-22.
0 引言
粵港澳大灣區(qū)是我國(guó)開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，該區(qū)域特大以上規(guī)模的城市匯聚、超高層建筑項(xiàng)目眾多，同時(shí)又是臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，基本風(fēng)壓不小于0.5kPa的區(qū)域占了很大比例[1-2]，其中的深港珠澳四城市均處于珠江口兩岸的高風(fēng)壓區(qū)(圖1)，近幾年連續(xù)受到多個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)或超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)吹襲。由于歷史原因，香港、澳門兩個(gè)特別行政區(qū)各自有著當(dāng)?shù)氐慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，并未執(zhí)行全國(guó)性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而形成了在抗風(fēng)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，粵港澳三地在風(fēng)荷載計(jì)算、位移角控制等多個(gè)方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)存在較顯著的差異。
有鑒于此，為了給粵港澳地區(qū)的超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供借鑒，增進(jìn)三地之間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)交流及促進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)融合，本文擬通過(guò)對(duì)三地規(guī)范中涉及抗風(fēng)設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行梳理與對(duì)比，再結(jié)合典型假想工程以及真實(shí)案例，進(jìn)一步對(duì)比三地規(guī)范應(yīng)用于抗風(fēng)設(shè)計(jì)的差異，并闡述改善風(fēng)振舒適度的有效措施。
為簡(jiǎn)化表達(dá)，本文按以下簡(jiǎn)稱作為規(guī)范指代，“粵規(guī)范”為中國(guó)規(guī)范[1,3-4]及廣東規(guī)程[2,5];“港規(guī)范”為香港相關(guān)作業(yè)守則[6-11];“新港規(guī)”為香港最新頒布的2019年版風(fēng)效應(yīng)作業(yè)守則[12-13];“澳規(guī)范”為澳門相關(guān)規(guī)章[14-16]。
1粵港澳規(guī)范抗風(fēng)規(guī)定對(duì)比及解讀
1.1風(fēng)荷載及抗風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比概述
將三地規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載取值及抗風(fēng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容提煉匯總，如表1所示。
1.2風(fēng)荷載計(jì)算方式及風(fēng)壓取值
粵港澳三地均以等效靜風(fēng)壓乘以有效迎風(fēng)投影面積的形式確定樓層等效靜風(fēng)荷載，其中的等效靜風(fēng)壓均考慮高度變化以及建筑體型的影響。不同的是，粵規(guī)范、港規(guī)范均需對(duì)風(fēng)敏感的高層建筑考慮風(fēng)振系數(shù);而澳規(guī)范則采用陣風(fēng)風(fēng)壓，與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性無(wú)關(guān)，基本上等同于港規(guī)范中靜力結(jié)構(gòu)的算法。對(duì)于風(fēng)敏感的超高層結(jié)構(gòu)而言，澳規(guī)范這一做法在力學(xué)概念上欠妥，但因其采用的200年一遇的陣風(fēng)風(fēng)壓值較大，按時(shí)距換算關(guān)系[17]，3s風(fēng)壓與10min風(fēng)壓的比值為1.422^2≈2.02，基本都大于常規(guī)結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)，因此，實(shí)際計(jì)算結(jié)果一般不存在安全問(wèn)題。
同時(shí)，三地均采用當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)歷年錄得的年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，按照極值Ⅰ型分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)得相應(yīng)重現(xiàn)期下的最大風(fēng)速，再按貝努利公式(w=0.5ρv^2)計(jì)算對(duì)應(yīng)風(fēng)壓值。不同的是：
(1)粵規(guī)范按10min時(shí)距的自記平均風(fēng)速;港規(guī)范對(duì)靜力結(jié)構(gòu)采用3s時(shí)距的陣風(fēng)風(fēng)速、對(duì)動(dòng)力結(jié)構(gòu)采用1h時(shí)距的平均風(fēng)速，但新港規(guī)則不再區(qū)分而統(tǒng)一采用“參考風(fēng)壓”(實(shí)即陣風(fēng)風(fēng)壓);澳規(guī)范則采用3s時(shí)距的陣風(fēng)風(fēng)速。
(2)粵規(guī)范先統(tǒng)一換算為標(biāo)準(zhǔn)高度(離地10m)的基本風(fēng)壓，再乘以不同粗糙度上的高度變化系數(shù)，以體現(xiàn)風(fēng)剖面情況;而港規(guī)范、澳規(guī)范則直接給出不同高度的風(fēng)壓值。
為了橫向?qū)Ρ热貙?duì)基本風(fēng)壓取值的大小，將港澳的風(fēng)壓取值換算為等效基本風(fēng)壓，與粵規(guī)范中相應(yīng)地區(qū)的基本風(fēng)壓值進(jìn)行比較，見表2。
表2中港規(guī)范按其時(shí)均風(fēng)壓值參照粵規(guī)范中AB類粗糙度在10m高度的比例(1.28)，計(jì)入時(shí)距換算，得等效基本風(fēng)壓0.80kPa;澳規(guī)范按第一類粗糙度10m高度的陣風(fēng)風(fēng)壓，參照A-B類粗糙度的比例，計(jì)入時(shí)距換算關(guān)系及200年與50年重現(xiàn)期換算關(guān)系[6]，得等效基本風(fēng)壓0.75kPa。
可見，我國(guó)荷載規(guī)范及廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本風(fēng)壓取值并不低，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)的論述[16]，建議廣東沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)抗風(fēng)設(shè)計(jì)不必再人為提高基本風(fēng)壓取值。
1.3風(fēng)振系數(shù)βz
粵規(guī)范、港規(guī)范均采用乘以動(dòng)力系數(shù)(即粵規(guī)范的風(fēng)振系數(shù)βz、港規(guī)范的動(dòng)力放大系數(shù)G)的方式考慮脈動(dòng)風(fēng)引起的放大效應(yīng)，動(dòng)力系數(shù)的確定是計(jì)算等效靜風(fēng)荷載的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是粵規(guī)范、港規(guī)范在風(fēng)荷載計(jì)算方面的最大差別之體現(xiàn)，其差異主要源于兩者基于不同的計(jì)算方法——粵規(guī)范基于慣性風(fēng)荷載(IWL)法，而港規(guī)范則基于位移陣風(fēng)荷載因子(DGLF)法。
IWL法從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，嚴(yán)格遵循隨機(jī)振動(dòng)理論，以慣性力形式來(lái)表示等效靜風(fēng)荷載，并認(rèn)為可僅考慮第一階振型的影響，其求得的風(fēng)振系數(shù)βz與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和動(dòng)力特性有關(guān)，是隨高度變化的變量;DGLF法是大部分國(guó)家采用的主流方法，它將等效靜風(fēng)荷載分為平均荷載、背景等效荷載和共振等效荷載三部分，其求得的動(dòng)力放大系數(shù)G是沿高度不變的常量[18]。
兩種方法在理論與應(yīng)用上均各有優(yōu)缺點(diǎn)，業(yè)內(nèi)對(duì)其適用性與合理性也有著不同的評(píng)價(jià)[18-20]。根據(jù)文獻(xiàn)[20]的論述，可認(rèn)為在超高層建筑結(jié)構(gòu)上IWL法相對(duì)具有更高的合理性。
鑒于港規(guī)范G值的算法對(duì)高層建筑上部樓層算得的風(fēng)壓值明顯偏于不安全[13]，新港規(guī)改為采用沿高度線性變化的“尺寸與動(dòng)力系數(shù)Sq,Z”，該系數(shù)的計(jì)算公式中仍包含平均、背景、共振三個(gè)分量，只是其計(jì)算取值改為與新的風(fēng)荷載計(jì)算公式中采用陣風(fēng)風(fēng)壓值的做法相匹配。
1.4體型系數(shù)μs
(1)港規(guī)范、澳規(guī)范中體型系數(shù)由高度狀況系數(shù)Ch與形狀因數(shù)Cs相乘而得，體現(xiàn)了高寬比、長(zhǎng)寬比的影響，其取值的變化幅度也比粵規(guī)范的要大;但對(duì)超高層建筑較常見的體型狀況(H/B=4～6，D/B=1～3)而言，港規(guī)范、澳規(guī)范為1.05～1.43，而粵規(guī)范為1.10～1.40，基本相當(dāng)，但變化規(guī)律不同;新港規(guī)約為1.13～1.53，略大。
(2)粵規(guī)范區(qū)分迎風(fēng)面、背風(fēng)面與側(cè)面而給定體型系數(shù)，更為全面，也便于在分縫緊挨的多塔結(jié)構(gòu)中考慮風(fēng)遮擋的影響。
(3)對(duì)于其他形狀，粵規(guī)范有針對(duì)性地提供了多種常見房屋形狀的體型系數(shù)，港規(guī)范、澳規(guī)范則按包絡(luò)矩形考慮，新港規(guī)進(jìn)一步給出了各類形狀轉(zhuǎn)化為矩形的規(guī)則。
1.5風(fēng)剖面及地面粗糙度
根據(jù)表1中三地風(fēng)剖面計(jì)算公式，通過(guò)曲線作形象化對(duì)比：三地均取其A類(澳規(guī)范的第一類)粗糙度風(fēng)壓值，并均參照粵規(guī)范A，B類粗糙度10m高處之比例(1. 28)為基準(zhǔn)，換算為等效風(fēng)壓高度變化曲線，見圖2。
可見，在相同粗糙度條件下，粵規(guī)范、港規(guī)范的風(fēng)剖面變化規(guī)律基本一致，其高度變化系數(shù)差異在±7%以內(nèi);而澳規(guī)范的高度變化系數(shù)則明顯偏低。
另外，粵規(guī)范根據(jù)周邊房屋高度與密集度，將粗糙度類別分為A～D四類，其中國(guó)標(biāo)[1]采用R=2km半圓范圍內(nèi)加權(quán)平均高度作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，而省標(biāo)[2]則采用R=3km的45°扇形區(qū)域內(nèi)的平均建筑密度作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。從工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)而言，認(rèn)為省標(biāo)更能合理體現(xiàn)近場(chǎng)建筑物的各類情況。
研究顯示，地面粗糙度的改變通常會(huì)有過(guò)渡區(qū)，對(duì)影響到大多數(shù)建筑物的高度范圍內(nèi)，氣流一般需要若干公里的距離才能由一種粗糙度過(guò)渡到另一種粗糙度。由于香港是一個(gè)近海城市，大部分高樓大廈密集的地區(qū)均位于受復(fù)雜地形特征和各種地面粗糙度影響的過(guò)渡區(qū)內(nèi)，發(fā)展高度與風(fēng)浪區(qū)的關(guān)系十分復(fù)雜。因此，鑒于香港地形獨(dú)特、面積細(xì)小，一種粗糙度(即開闊海洋狀況)已經(jīng)足夠[7]。同樣地，澳門也采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的粗糙度劃分：為第一類(直接臨海)及第二類(其他)。
另外，新港規(guī)增加了對(duì)遮掩效應(yīng)的考慮，允許計(jì)入上風(fēng)向90°、半徑為6H扇區(qū)內(nèi)各建筑物阻擋的影響，將高度Z折減為有效高度Ze，用于計(jì)算參考風(fēng)壓、湍流強(qiáng)度和體型系數(shù)，以考慮周邊環(huán)境對(duì)風(fēng)荷載的有利影響;并在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)乘以風(fēng)向因子(0.80～0.85)作折減，以考慮風(fēng)氣候因素。
1.6阻尼比ζ
在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，阻尼比取值主要影響到結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)(風(fēng)振系數(shù)或動(dòng)力系數(shù))的計(jì)算�；浺�(guī)范對(duì)阻尼比的取值原則為：風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)樓層位移和承載力驗(yàn)算時(shí)，ζ=0.02(鋼)，0.05(混凝土);結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)致加速度驗(yàn)算時(shí)，ζ=0.01～0.015(鋼)，0.02(混凝土)。港規(guī)范的取值原為0.015(鋼)，0.02(混凝土);而新港規(guī)則改為0.005～0.015(鋼)，0.01～0.03(混凝土)，隨高寬比而變化。澳規(guī)范因不考慮風(fēng)振效應(yīng)，故未提及阻尼比取值。
實(shí)際上，結(jié)構(gòu)阻尼比受到眾多因素影響，難以準(zhǔn)確確定。試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐表明，一般帶填充墻的高層建筑的阻尼比約為0.02(鋼)，0.05(混凝土)，且隨著建筑高度的增加而減小。另外，風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的塑性變形一般較設(shè)防烈度地震作用下的小，故抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)的阻尼比應(yīng)比抗震設(shè)計(jì)時(shí)的小，阻尼比可根據(jù)建筑高度和結(jié)構(gòu)形式選取不同的值[4]。同時(shí)，采用的風(fēng)荷載重現(xiàn)期越短，其阻尼比取值越小。
1.7彈性模量Ec
三地規(guī)范對(duì)彈性模量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系采用了各不相同的相關(guān)性公式，列舉典型強(qiáng)度等級(jí)各自的Ec值進(jìn)行對(duì)比，見表3。
表3中三地規(guī)范的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均基于相同試件相同保證率的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可見港規(guī)范的Ec取值明顯較低，約為粵規(guī)范、澳規(guī)范的79%～92%。該差異主要在于港規(guī)范針對(duì)混凝土的材料特性，認(rèn)為需要考慮一定的非線性而取其有效剛度;而粵規(guī)范、澳規(guī)范則直接取彈性剛度。實(shí)際上，在結(jié)構(gòu)的風(fēng)致側(cè)向變形較大時(shí)，宜適當(dāng)考慮構(gòu)件開裂引起的剛度退化，如取0.85Ec[21]，則與港規(guī)范取值基本相當(dāng)。
1.8關(guān)于橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振
對(duì)于橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振效應(yīng)，港規(guī)范、澳規(guī)范均作了提醒:“或有明顯側(cè)風(fēng)共振反應(yīng)/扭力共振反應(yīng)的建筑物，其共振動(dòng)力效應(yīng)須根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)的建議及/或透過(guò)進(jìn)行動(dòng)力風(fēng)洞模型研究予以測(cè)定”[6-7]，但并未明確界定標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法;而粵規(guī)范則給出了圓形和矩形截面的橫風(fēng)向風(fēng)振、規(guī)則矩形截面扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的等效風(fēng)荷載之計(jì)算方法，但需特別注意其適用范圍。新港規(guī)也增加了考慮橫風(fēng)影響和計(jì)算風(fēng)力扭矩的內(nèi)容，但其處理方式不同于粵規(guī)范，對(duì)順風(fēng)、橫風(fēng)、風(fēng)扭轉(zhuǎn)三者的組合原則也與粵規(guī)范不一樣[12]。
1.9位移角限值
側(cè)向位移控制雖屬正常使用極限狀態(tài)范疇，但它作為結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度的一項(xiàng)宏觀指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面與剛度合理性的一個(gè)綜合表征，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到高度重視。三地規(guī)范關(guān)于該指標(biāo)限值的規(guī)定存在非常大的差異，這也是三者在抗風(fēng)設(shè)計(jì)方面區(qū)別最大的地方。具體如下：
(1)粵規(guī)范未對(duì)總體位移角θZ作限制，主要控制層間位移角θ1，并按結(jié)構(gòu)材料、形式與高度給出不同限值[4]：混凝土結(jié)構(gòu)(1/800，1/650，1/500)～1/500((1/800，1/650，1/500)為高度不大于150m時(shí)各類型結(jié)構(gòu)的限值;后者1/500為高度大于250m時(shí)的限值(不區(qū)分類型);中間高度線性插值);鋼結(jié)構(gòu)1/250。
(2)港規(guī)范主要控制總體位移角限值為1/500;而對(duì)層間位移角限值，混凝土結(jié)構(gòu)并未作規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)則規(guī)定為1/400。此外，另允許通過(guò)動(dòng)力分析驗(yàn)算或基于正常使用性能的設(shè)計(jì)，以證明建筑物符合正常使用狀態(tài)的需求。
(3)澳規(guī)范也主要控制總體位移角，限值為n/40 000(n為層數(shù))，但需要采用基本組合(粵規(guī)范、港規(guī)范均為風(fēng)荷載單工況);對(duì)于層間位移角，混凝土結(jié)構(gòu)亦未作規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)則為1/300。
1.10風(fēng)致加速度限值
對(duì)于結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)致峰值加速度的控制，港規(guī)范的限值為0.15，0.25m/s2;澳規(guī)范未作規(guī)定，據(jù)了解一般參照港規(guī)范;而粵規(guī)范則區(qū)分兩類結(jié)構(gòu)分別給出限值：混凝土結(jié)構(gòu)為0.15，0.25m/s2;鋼結(jié)構(gòu)為0.20，0.28m/s2。
控制峰值加速度的出發(fā)點(diǎn)在于降低高樓內(nèi)使用者對(duì)風(fēng)致振動(dòng)感到的不舒適程度[4]，舒適度控制指標(biāo)應(yīng)與結(jié)構(gòu)形式無(wú)關(guān)，應(yīng)與建筑使用功能有關(guān)，建議該限值統(tǒng)一取0.15，0.25m/s2。新港規(guī)則提供了相對(duì)更為科學(xué)的限值標(biāo)準(zhǔn)：0.04～0.60m/s2，隨結(jié)構(gòu)頻率、重現(xiàn)期、建筑功能變化而變化。
對(duì)于風(fēng)致加速度的確定方式，港規(guī)范、澳規(guī)范均需通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行加速度驗(yàn)算;粵規(guī)范雖然提供了簡(jiǎn)化計(jì)算公式，但有一定的適用條件，且其橫風(fēng)向風(fēng)振加速度公式經(jīng)實(shí)際工程檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果有一定的差別;新港規(guī)也提供了簡(jiǎn)化估算公式，其適用性有待驗(yàn)證。目前，對(duì)高風(fēng)壓區(qū)的高柔建筑一般仍提倡通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行舒適度驗(yàn)算。
通過(guò)逐項(xiàng)對(duì)比，可見三地規(guī)范在抗風(fēng)設(shè)計(jì)方面既有共通之處，又存在顯著差異。風(fēng)剖面、體型系數(shù)、加速度限值等方面基本相近;混凝土彈性模量、阻尼比、粗糙度分類等雖不相同，但各具針對(duì)性與合理性;主要的差別體現(xiàn)在風(fēng)壓取值、風(fēng)振系數(shù)計(jì)算、位移角限值。
港規(guī)范中的風(fēng)力效應(yīng)作業(yè)守則由2004版更新為2019版，增補(bǔ)了遮掩效應(yīng)、風(fēng)向因子、橫風(fēng)、風(fēng)力扭矩、風(fēng)振舒適度等內(nèi)容;其風(fēng)荷載計(jì)算過(guò)程更是發(fā)生了重大調(diào)整，實(shí)際計(jì)算結(jié)果總體變化不大，但更趨合理。
2 粵港澳地區(qū)高層建筑風(fēng)控指標(biāo)寬嚴(yán)程度對(duì)比分析
粵港澳雖同處大灣區(qū)珠江口的強(qiáng)風(fēng)環(huán)境，但因規(guī)范體系各異，三地抗風(fēng)設(shè)計(jì)有著不同的控制標(biāo)準(zhǔn)。不少學(xué)者為探討國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異進(jìn)行了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究工作，分析我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度及關(guān)鍵控制指標(biāo)的合理性，其中文獻(xiàn)[22]以基于相同條件的一棟高層建筑，采用不同國(guó)家或地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了以層間位移角控制寬嚴(yán)程度為指標(biāo)的對(duì)比分析方法。為了給粵港澳三地相同抗風(fēng)設(shè)計(jì)條件下高層建筑設(shè)計(jì)的安全度分析提供對(duì)比參考，本文參照上述方式，基于同一高層建筑，取三個(gè)典型高度，分別假設(shè)其位于香港或澳門，應(yīng)用當(dāng)?shù)匾?guī)范和粵規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)比粵-港、粵-澳兩地規(guī)范的計(jì)算結(jié)果及控制寬嚴(yán)程度的差異，采用限值比反映當(dāng)?shù)匾?guī)范對(duì)于風(fēng)致位移響應(yīng)(層間位移角、整體位移角)控制的寬嚴(yán)程度[22]。限值比的定義如下：
式中：θli為當(dāng)?shù)匾?guī)范規(guī)定的位移角限值;θdi為按相應(yīng)規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算所得的位移角;θlG為粵規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值;θdG為按粵規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算所得的層間位移角。
可見，rd表征了港規(guī)范、澳規(guī)范風(fēng)致位移角控制標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于粵規(guī)范的寬嚴(yán)程度，rd值越大越寬松、越小越嚴(yán)格，等于1表示持平。為統(tǒng)一對(duì)比條件及簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)比中并未納入橫風(fēng)、風(fēng)扭轉(zhuǎn)、遮掩效應(yīng)、地形起伏、角度形狀等因素的影響。
2.1假想案例概況
對(duì)比采用的假想案例對(duì)應(yīng)于文獻(xiàn)[22]的鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)平面布置見圖3，分別虛擬了141.5m(40層)(即編號(hào)②)，211.5m(60層)(即編號(hào)③)和281.5m(80層)(即編號(hào)④)三個(gè)典型高度的結(jié)構(gòu)，首層層高為5.0m，其余各層層高為3.5m。
2.2粵規(guī)范與港規(guī)范對(duì)比
先假設(shè)項(xiàng)目位于香港，對(duì)同一建筑分別按粵規(guī)范、港規(guī)范、新港規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要抗風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)果匯總對(duì)比見表4;以其中項(xiàng)目③為例，X向抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要結(jié)果曲線對(duì)比見圖4。
可見，與粵規(guī)范相比，港規(guī)范算得的風(fēng)荷載及傾覆力矩明顯偏小;但因港規(guī)范彈性模量取值較低，其風(fēng)致位移及位移角反而略大于粵規(guī)范;然而，又因港規(guī)范的位移角限值較大，故最后算得其限值比大于1(更寬松)。
另外，新港規(guī)因采用了更合理的動(dòng)力系數(shù)，其算得的風(fēng)荷載與原港規(guī)范有較大區(qū)別，其沿高度的分布趨勢(shì)則與粵規(guī)范相似。
2.3粵規(guī)范與澳規(guī)范對(duì)比
再假設(shè)項(xiàng)目位于澳門，對(duì)同一建筑分別按粵規(guī)范、澳規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。主要抗風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)果匯總對(duì)比見表5。以其中項(xiàng)目③為例，X向抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要結(jié)果曲線對(duì)比見圖5。
可見，與粵規(guī)范相比，澳規(guī)范算得的風(fēng)荷載下部偏大、上部偏小，而傾覆力矩則通高均略偏小;但因澳規(guī)范要求按基本組合進(jìn)行位移控制，故其風(fēng)致位移及位移角反而明顯大于粵規(guī)范;又因澳規(guī)范的總體位移角限值較嚴(yán)，故最后算得其限值比小于1(更嚴(yán)格)。
2.4粵規(guī)范、港規(guī)范與澳規(guī)范對(duì)比
雖然港規(guī)范與澳規(guī)范因采用了不同的固定的風(fēng)壓值而無(wú)法進(jìn)行直接對(duì)比，但通過(guò)上述分別與粵規(guī)范的對(duì)比，借助圖中兩者與粵規(guī)范結(jié)果的相對(duì)關(guān)系分析，基于相同條件下，港規(guī)范、澳規(guī)范算得的風(fēng)荷載及傾覆力矩將較為接近，但對(duì)于風(fēng)致位移響應(yīng)則是澳規(guī)范的結(jié)果明顯大于港規(guī)范;再加上澳規(guī)范的限值更低，從而可推斷澳規(guī)范比港規(guī)范更為嚴(yán)格(這也直接體現(xiàn)在限值比上)。
通過(guò)典型假想案例的試算對(duì)比，并引入限值比作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，可見對(duì)于風(fēng)荷載作用水平，港規(guī)范、澳規(guī)范在建筑下部大于粵規(guī)范，在建筑上部小于粵規(guī)范，在同等條件下港規(guī)范、澳規(guī)范相近。對(duì)于風(fēng)致位移響應(yīng)控制的寬嚴(yán)程度，澳規(guī)范最嚴(yán)格、港規(guī)范最寬松、粵規(guī)范居中，且三者隨高度的增加而逐漸接近。同處粵港澳大灣區(qū)的三地，風(fēng)致位移響應(yīng)控制的寬嚴(yán)程度存在一定差異，但多年來(lái)這三地的結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷了臺(tái)風(fēng)高風(fēng)壓的考驗(yàn)，表現(xiàn)良好。表明各自設(shè)計(jì)控制原則基本可靠，寬嚴(yán)程度處于中游的粵規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)基本合理。
3 風(fēng)致層間位移角突破規(guī)范限值的可行性探討
如前所述，目前我國(guó)對(duì)于風(fēng)荷載作用下超高層建筑層間位移角限值的控制標(biāo)準(zhǔn)基本合理，除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)超高層建筑根據(jù)各自結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)均有不同的控制標(biāo)準(zhǔn)，《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)為1/250，廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T15 128—2017)為1/400(250m以上)。目前廣東省200m以上超高層建筑采用鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)或下部樓層設(shè)置局部組合構(gòu)件的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)居多，其中不少以鋼管混凝土柱、型鋼混凝土柱或鋼管混凝土疊合柱作為外框架柱。位于深圳、珠海等沿海高風(fēng)壓區(qū)的這類結(jié)構(gòu)，其整體水平變形及主要構(gòu)件承載力一般為抗風(fēng)控制，結(jié)構(gòu)高度超過(guò)250m或高寬比超過(guò)規(guī)范適宜范圍時(shí)往往需要考慮設(shè)置加強(qiáng)層、配置阻尼器等增加結(jié)構(gòu)剛度或提高結(jié)構(gòu)阻尼的措施。
我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范控制層間位移角主要是要確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，并保證填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好、機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行，確保風(fēng)振舒適度滿足使用需求[4]。以下針對(duì)某強(qiáng)風(fēng)區(qū)鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)實(shí)際工程案例，在滿足我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)承載力及結(jié)構(gòu)舒適度要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)參照港規(guī)范中基于正常使用性能的設(shè)計(jì)理念和原則，從各方面的性能需求對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度進(jìn)行評(píng)估，并探討風(fēng)致層間位移角適度超限的可行性。
3.1工程案例項(xiàng)目概況
該案例位于珠海市橫琴島，與澳門隔海相望，塔樓地上總共49層(頂部另設(shè)3層構(gòu)架)，地下共3層，結(jié)構(gòu)高度249.3m，總高度為261m，主要層高4.9m和5.5m(避難層)，建筑功能為公寓。塔樓采用矩形鋼管混凝土柱|鋼筋混凝土核心筒|鋼梁樓蓋混合結(jié)構(gòu)體系。由于風(fēng)壓較大，弱軸方向風(fēng)荷載作用下的層間位移角較大，故結(jié)合建筑避難層，在20，30，40層設(shè)置三道單向腰桁架加強(qiáng)層。核心筒主要墻厚為500～1 450mm，外框柱截面為2 800×800×35～900×600×20，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C35。圖6為整體模型和單向腰桁架加強(qiáng)層示意。
該案例所在地基本風(fēng)壓為0.85kPa，地面粗糙度類別為B類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，場(chǎng)地為Ⅲ類。經(jīng)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，在滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)承載力及抗震性能目標(biāo)的前提下，平面弱軸方向在增設(shè)三道腰桁架后所有樓層在X，Y向風(fēng)荷載作用下最大層間位移角為1/442(37層)(表6)，超出粵規(guī)范的限值(1/500)，但滿足廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T15 128—2017)的限值(1/400)。
3.2對(duì)于風(fēng)致層間位移角超限的分析
3.2.1結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性
結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析數(shù)據(jù)表明，彈性計(jì)算的剛重比結(jié)果為1.73(X向)、2.73(Y向)，均大于1.40，滿足規(guī)范相關(guān)要求;同時(shí)，采用1.2恒荷載+1.4活荷載的組合對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的彈性屈曲分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)23(>10)，滿足要求。因此，可認(rèn)為塔樓主體結(jié)構(gòu)具有較高的整體穩(wěn)定性。
3.2.2風(fēng)荷載及地震作用下層間位移角
我國(guó)規(guī)范以結(jié)構(gòu)按彈性方法計(jì)算的層間位移角作為衡量結(jié)構(gòu)變形能力的指標(biāo)，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)(簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)的有關(guān)規(guī)定，層間位移角作為剛度控制指標(biāo)，不扣除整體彎曲轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的側(cè)移;《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)有關(guān)條文說(shuō)明則指出高度超過(guò)150m高層建筑整體彎曲所產(chǎn)生的水平位移在計(jì)算的層間位移中加以扣除比較合理，如未扣除，位移角限值可有所放寬。作為反映結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度的綜合指標(biāo)，層間位移角是一個(gè)簡(jiǎn)便而宏觀的參數(shù);但對(duì)于超高層建筑中最常見的彎剪型結(jié)構(gòu), 層間位移角與剪力墻、柱、梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件及填充墻、隔墻、幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)的相關(guān)性較差[23]。若從水平作用下抗側(cè)豎向構(gòu)件的彎曲變形與內(nèi)力狀態(tài)的角度，則有害層間位移角更具有代表性。
從分析結(jié)果(圖7)可見，盡管X向?qū)娱g位移角較大，但對(duì)應(yīng)樓層有害位移角很小。雖然塔樓風(fēng)致層間位移角超出規(guī)范限值，對(duì)結(jié)構(gòu)存在實(shí)質(zhì)性不利影響的“有害位移角”仍處于較低的水平。
該案例抗震性能化設(shè)計(jì)性能目標(biāo)為C級(jí)，塔樓在小震作用下層間位移角滿足規(guī)范限值要求，其中X向?yàn)?/649，Y向?yàn)?/810;大震彈塑性分析所得的層間位移角滿足1/125限值要求，各地震水準(zhǔn)下主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度滿足要求。結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力以風(fēng)荷載作用組合與性能設(shè)計(jì)中震作用下構(gòu)件承載力包絡(luò)控制。
3.2.3填充墻及幕墻等非承重構(gòu)件的變形需求
文獻(xiàn)[24]針對(duì)砌塊填充墻的平面內(nèi)變形內(nèi)力進(jìn)行了原型試件的擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)表明實(shí)體砌塊填充墻在很小的層間位移角(1/1700)下就已經(jīng)開始出現(xiàn)微裂縫;但這并不表示墻體因此而損壞或影響正常使用，文獻(xiàn)[25]中的有限元模擬分析結(jié)果表明，填充墻裂縫寬度為0.2mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角大部分為1/205～1/170�？梢�，若參照混凝土構(gòu)件室內(nèi)正常環(huán)境下的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)(裂縫寬度限值為0.3mm)，可認(rèn)為填充墻的正常使用極限狀態(tài)允許的層間位移角應(yīng)可大于1/400。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)行《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 102—2013)中相關(guān)條文及說(shuō)明的解讀，結(jié)合幕墻行業(yè)的相關(guān)信息，可對(duì)幕墻變形需求作如下理解：
1)玻璃幕墻平面內(nèi)變形性能(位移角限值)為θC=max(3θE，θW)，其中θC為幕墻平面內(nèi)變形性能;θE為小震作用下最大層間位移角;θW為風(fēng)致最大層間位移角。而該案例的計(jì)算結(jié)果為θE=1/649，θW=1/442，可見實(shí)際上還是受3θE所控制，而不受θW控制;2)一般而言，應(yīng)該是幕墻的變形控制指標(biāo)適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際側(cè)向剛度狀況，而不是主體結(jié)構(gòu)適應(yīng)幕墻的變形需求。
3.2.4電梯及管線對(duì)變形的需求
超高層建筑電梯系統(tǒng)變形控制指標(biāo)應(yīng)適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際側(cè)向剛度狀況，而不是主體結(jié)構(gòu)適應(yīng)電梯的變形需求。若確有需要，可采用對(duì)建筑物搖擺幅度進(jìn)行感應(yīng)的方式對(duì)電梯運(yùn)行作控制與保護(hù)。對(duì)于層間位移角限值為1/250的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，其電梯系統(tǒng)屬于常規(guī)控制范疇，而該案例層間位移角1/442的情況，對(duì)電梯而言屬于正常范圍，可不必采取特殊措施。
關(guān)于超高層建筑因主體結(jié)構(gòu)側(cè)向變形對(duì)機(jī)電豎向管線影響，由于機(jī)電豎向管線或節(jié)段間接頭柔韌性均比較好，一般的機(jī)電管線對(duì)樓層側(cè)向變形的適應(yīng)性優(yōu)于鋼筋混凝土構(gòu)件，故只要確保小震及風(fēng)荷載作用下主體結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，則機(jī)電管線在對(duì)應(yīng)的層間位移角下也不會(huì)發(fā)生損壞。
3.2.5填充墻對(duì)剛度的貢獻(xiàn)
層間位移角及頂點(diǎn)加速度均是基于單純主體結(jié)構(gòu)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，而實(shí)際上該案例的標(biāo)準(zhǔn)層辦公空間采用小開間分隔，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量砌體填充墻。這些填充墻在分析中被作為荷載(質(zhì)量)而考慮了其不利影響。但實(shí)際上這些密集布置、滿層高填充的內(nèi)隔墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度有著不可小覷的有利影響。文獻(xiàn)[26]中的相關(guān)試驗(yàn)與分析結(jié)果表明，高層鋼結(jié)構(gòu)中的填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)的周期與阻尼有著顯著的影響，工程實(shí)測(cè)周期會(huì)小于其計(jì)算周期。
綜上所述，可認(rèn)為該案例的風(fēng)致層間位移角雖突破了粵規(guī)范的限值，但結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、抗震性能、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)電設(shè)備等方面均滿足相關(guān)需求(風(fēng)振舒適度問(wèn)題將在下文闡述)。同時(shí)，填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度實(shí)際上存在一定有利影響，但目前暫難以定量評(píng)估。
3.3采用港規(guī)范進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要結(jié)果
為進(jìn)一步對(duì)比粵港澳地區(qū)關(guān)于超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)的異同，對(duì)本案例補(bǔ)充采用港規(guī)范及新港規(guī)分別進(jìn)行風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)分析。雖然工程所在地(珠海市橫琴島)的基本風(fēng)壓低于香港，但為了形成對(duì)比，仍偏保守地直接應(yīng)用港規(guī)范進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)(包括風(fēng)壓取值、風(fēng)振系數(shù)、體型系數(shù)、風(fēng)荷載計(jì)算規(guī)則，以及混凝土彈性模量取值等，均完全依照港規(guī)范執(zhí)行)，主要計(jì)算結(jié)果如圖8所示。
從分析結(jié)果可見：建筑物中、下段的風(fēng)荷載港規(guī)范最大、粵規(guī)范居中、新港規(guī)最小，而上段風(fēng)荷載則粵規(guī)范與新港規(guī)基本相近并明顯大于港規(guī)范;三者的傾覆力矩較為接近;樓層位移與位移角則是新港規(guī)最大、港規(guī)范居中、粵規(guī)范略偏小。其中的頂點(diǎn)位移與最大層間位移角，港規(guī)范為522mm，1/417;而新港規(guī)為524mm，1/396，超出粵規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)，但基本可滿足港規(guī)范的限值要求。至于風(fēng)振舒適度的控制，則需進(jìn)一步分析。
3.4改善風(fēng)振舒適度的方案比選
強(qiáng)風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)舒適度是需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)，近年在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)侵襲粵港澳地區(qū)時(shí)常有超高層建筑住戶感到不適的情況出現(xiàn)。該案例在層間位移角超出粵規(guī)范限值的情況下風(fēng)振加速度amax也會(huì)隨之偏大，同時(shí)即使控制層間位移角滿足規(guī)范，amax仍難滿足，為確保風(fēng)振舒適度而進(jìn)行控制風(fēng)致加速度的多方案比選，五個(gè)候選方案(a,b,c,d,e)的概況及應(yīng)用于該案例的優(yōu)缺點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。
綜合考慮建筑功能影響、結(jié)構(gòu)影響、造價(jià)控制、施工便捷等方面因素，最終選定了采用TSD減振的方案e進(jìn)行落實(shí)推進(jìn)。
3.5TSD減振方案
3.5.1調(diào)諧液體阻尼器
作為超高層建筑最高效的風(fēng)振控制措施，近20年來(lái)，消能減振系統(tǒng)(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD、調(diào)諧液體阻尼器TSD等)在實(shí)際工程中得到了大量的應(yīng)用。消能減振是將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量傳遞到與結(jié)構(gòu)相連的附加慣性系統(tǒng)中，該慣性系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)某一振型產(chǎn)生有相位差的共振并反饋結(jié)構(gòu)控制力。吸能減振系統(tǒng)由質(zhì)量單元、剛度單元和阻尼單元三部分構(gòu)成，通常置于控制模態(tài)的振型最大位置，對(duì)于超高層建筑一般設(shè)置于頂部。
超高層建筑的高位消防水箱通常有數(shù)百立方米，由于水量長(zhǎng)期保持恒定，因此可將其改造成調(diào)諧液體阻尼器，實(shí)現(xiàn)一物兩用。調(diào)諧液體阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)，亦稱調(diào)諧晃動(dòng)液體阻尼器(Tuned Sloshing Damper，TSD)，利用晃動(dòng)的液體吸收并耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的箱體尺寸和液體深度，可將液體晃動(dòng)頻率“調(diào)諧”至結(jié)構(gòu)的自振頻率。由于共振響應(yīng)，TSD箱體內(nèi)液體將開始晃動(dòng)，振動(dòng)能量通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞給TSD，該能量進(jìn)而由箱體的阻尼裝置耗散。TSD系統(tǒng)的質(zhì)量由水箱內(nèi)的液體提供，剛度由水箱池壁提供，阻尼則一般由格柵、槳柱等提供。
TSD系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：1)可與消防水箱合二為一，節(jié)省空間;2)被動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)需外部能源;3)無(wú)需人為控制，無(wú)TMD限制過(guò)大位移的問(wèn)題，安全可靠;4)幾乎沒有系統(tǒng)摩擦力，在微小建筑振動(dòng)下即可啟動(dòng)，減振靈敏度高;5)構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于安裝、調(diào)節(jié)與維護(hù);6)造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用低。
在常規(guī)設(shè)計(jì)情況下，TSD的等效質(zhì)量約為總水量的70%～80%，即等效于總水量70%～80%質(zhì)量的TMD。根據(jù)TSD等效質(zhì)量，需要以TMD的參數(shù)優(yōu)化理論對(duì)TSD進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的TSD，在風(fēng)振的寬帶激勵(lì)條件下，其附加等效阻尼比ζd為[27]：
設(shè)置TSD后，對(duì)結(jié)構(gòu)受控模態(tài)的風(fēng)致加速度減振率Ra約為：
式中ζs為結(jié)構(gòu)受控模態(tài)的固有阻尼比。
3.5.2 TSD在本案例中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
本案例塔樓的最高使用層在10年重現(xiàn)期下的風(fēng)致加速度為0.238m/s2，超過(guò)粵規(guī)范對(duì)住宅的舒適度限值0.15m/s2，需要采取措施改善其舒適度。由于超高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)譜能量分布在低頻區(qū)域，因此結(jié)構(gòu)的風(fēng)致加速度主要由兩個(gè)主軸方向的一階模態(tài)引起，這兩個(gè)模態(tài)為需要控制的模態(tài)。
利用塔樓頂部的高位消防水箱，綜合考慮建筑空間、TSD質(zhì)量比、TSD雙向調(diào)諧等問(wèn)題，將水箱長(zhǎng)寬高進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，得到兩個(gè)尺寸約15m×13m×4m(長(zhǎng)×寬×高)的水箱，設(shè)計(jì)頻率下水深為2.1m，TSD布置示意見圖9。水箱長(zhǎng)邊和短邊方向的液體晃動(dòng)頻率分別針對(duì)結(jié)構(gòu)前2階模態(tài)(X向平動(dòng)和Y向平動(dòng))的頻率以最優(yōu)頻率比進(jìn)行調(diào)諧。兩個(gè)TSD內(nèi)部設(shè)置了可調(diào)節(jié)的槳柱以提供系統(tǒng)所需的最優(yōu)阻尼[28]。
本案例TSD等效質(zhì)量對(duì)于結(jié)構(gòu)一階和二階模態(tài)的廣義質(zhì)量比為1.3%，通過(guò)式(3)計(jì)算得到的前2階模態(tài)的附加等效阻尼比約2.2%�？紤]非線性多液面模態(tài)的TSD，對(duì)結(jié)構(gòu)TSD模型進(jìn)行的風(fēng)振時(shí)程分析得到了結(jié)構(gòu)有TSD和無(wú)TSD的10年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度[29]，結(jié)構(gòu)X軸和Y軸在各風(fēng)向角(以正北為0°)下的峰值加速度見圖10。
從圖10(a)可以看到，在180°和360°(即0°)垂直于X軸的風(fēng)向角下，結(jié)構(gòu)X軸產(chǎn)生了較大的橫風(fēng)向風(fēng)致加速度，而在90°和270°的順風(fēng)向加速度較小，圖10(b)同樣也顯示了橫風(fēng)向風(fēng)振導(dǎo)致的較大的Y軸加速度。在有TSD的情況下，結(jié)構(gòu)峰值加速度降低至公寓的舒適度限值0.15m/s2，TSD提供了37%的減振率。建筑體型是影響風(fēng)荷載和風(fēng)致加速度的主要因素之一，本案例建筑基本為矩形平面，立面無(wú)明顯變化，因此產(chǎn)生了較顯著的橫風(fēng)向風(fēng)振。設(shè)置TSD后，建筑舒適度得到改善，由于其貢獻(xiàn)的附加阻尼比，結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的風(fēng)荷載和位移角將小于設(shè)計(jì)值，風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)疲勞也得到了緩解。
放寬層間位移角后，可能引起電算模型中結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)致加速度計(jì)算值偏大的問(wèn)題。若考慮砌體隔墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際抗側(cè)剛度及阻尼的貢獻(xiàn)，則實(shí)際風(fēng)振加速度值將有所降低，但這類貢獻(xiàn)目前暫難以量化評(píng)估。建議具體工程視乎項(xiàng)目定位及對(duì)舒適度的需求標(biāo)準(zhǔn)，而考慮采用TSD等吸能減振措施改善結(jié)構(gòu)的風(fēng)振舒適度。
4 結(jié)論
(1)同等條件下，粵規(guī)范的風(fēng)壓取值明顯高于港規(guī)范，但因港規(guī)范不區(qū)分場(chǎng)地類別與風(fēng)壓等值線、且混凝土彈性模量及阻尼比均較低、動(dòng)力放大系數(shù)沿全高較大，故其算得的實(shí)際風(fēng)致響應(yīng)反而略大于粵規(guī)范。
(2)同等條件下，粵規(guī)范的風(fēng)壓取值略高于澳規(guī)范，但因澳規(guī)范取200年重現(xiàn)期、直接以偏大的陣風(fēng)替代風(fēng)振效應(yīng)，且按基本組合計(jì)算風(fēng)致位移，故一般算得的實(shí)際風(fēng)致響應(yīng)較粵規(guī)范更大。但這一做法綜合而言欠合理。
(3)假想案例的對(duì)比分析顯示，粵港澳三地規(guī)范關(guān)于風(fēng)致位移角的控制嚴(yán)格程度為澳規(guī)范>粵規(guī)范>港規(guī)范，粵規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)基本合理。
(4)在滿足各方面需求的前提下，適度放寬風(fēng)致層間位移角后，可能引起結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)致加速度計(jì)算值偏大的問(wèn)題。建議具體工程可視乎項(xiàng)目定位及對(duì)舒適度的需求標(biāo)準(zhǔn)，而考慮采用TSD等吸能減振措施以改善結(jié)構(gòu)的風(fēng)振舒適度。
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