伴随着城市化进程的加快, 我国建造了大量高层与超高层建筑, 而建造技术的进步与新材料的使用, 使得建筑高度越来越高, 风荷载逐渐成为高层建筑主体结构与围护结构的控制性设计荷载, 风致加速度问题也成为高层建筑设计必须考虑的新问题, 特别是位于我国东南沿海台风区的高层建筑^[1,2]。为了确保超高层建筑主体结构与围护结构在风荷载作用下的安全性与舒适性, 大量高层建筑采用风洞试验技术来得到设计风荷载, 相关设计规范都对风洞试验技术的使用给出了相关建议, 并于2015年8月实施了《建筑工程风洞试验方法标准》 (JGJ T338—2014) ^[3] (简称风洞试验标准) 以帮助广大设计人员了解相关风洞试验技术与风洞试验报告的使用。

　　 但是高层建筑抗风设计是一门技术性与试验性很强的学科, 需要综合风工程知识、《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[4] (简称规范GB 50009—2012) 、试验技术、信号处理技术与结构动力特性等不同方面的知识^[2]。风洞试验报告中的设计风荷载是基于风洞试验测试数据、风工程技术与建筑特性综合分析所得, 而不仅仅是对风洞试验测试数据的简单统计。在风洞试验报告的处理过程中需要综合考虑不同参数的不确定性, 并努力实现安全性与经济性间的平衡, 以确保实现高层建筑抗风安全性的最低目标。在高层建筑抗风设计的实际使用过程中, 笔者发现设计人员对高层建筑风荷载的使用存在如下误区, 例如:高层建筑的设计风荷载是基于风洞试验测试直接得到、在不审核的情况下直接使用风洞试验报告结果、规范GB 50009—2012的相关风荷载计算参数可适用于所有高层建筑抗风设计等。

　　 为了探析高层建筑抗风设计中存在的问题, 本文首先对规范GB 50009—2012中远场地貌类别、阵风风速剖面、围护结构极值负压、风速风向折减因子与气动阻尼比等参数在实际使用过程中存在的问题进行分析, 然后通过实际的项目案例展示风洞试验过程中存在的问题, 比如测试技术与分析参数的选取、设备故障判断与第三方独立试验等, 最后基于笔者多年的项目经验给出对策, 可为相关技术人员进行风洞试验管理与报告结果校核提供参考。

　　 规范GB 50009—2012基于已有的风洞试验结果与风洞试验技术来指导高层建筑抗风设计, 但不能考虑最新的风工程知识与风洞试验技术^[2]。在进行风洞试验过程中应基于国内外最新且可靠的风工程理论与风洞试验技术来指导实际工程设计。下面通过与国内外规范的比较^{[5,6,7,8,9,10]}, 对当前规范GB50009—2012存在的不足进行分析, 供工程技术人员进行参考。

　　 地面粗糙度类别决定了设计风速的沿高分布, 是高层建筑抗风设计的重要基本参数之一, 其取值的合理性将会严重影响抗风设计的安全性与经济性^[11]。规范GB 50009—2012的地貌类别分类参考了主要的国外规范, 但是我国的城市进程及房屋形式与国外存在显著不同。图1为欧洲典型城市的卫星云图, 其中伦敦为欧洲第一大城市, 90%的建筑高度不超过7层 (28m) , 我国北上广深等一线城市的平均建筑高度普遍比伦敦高;伯明翰为英国第二大城市, 90%的建筑高度不超过5层 (18m) , 我国所有的省会城市、大部分地级市以及沿海县域强市的平均建筑高度都比伯明翰高;索利哈尔郡为伯明翰的卫星城, 几乎所有建筑高度都不超过3层 (10m) , 我国几乎所有县级市的建筑平均高度比索利哈尔郡高。国外规范主要参照20世纪80年代的实测结果, 但是这些实测结果不太适合我国当前的城市化进程。

　　 表1为主要国内外规范针对开阔地貌 (规范GB 50009—2012中B类地貌) 的比较。由表1可以发现, 国内外开阔地貌的平均风剖面指数律α指数范围为0.14~0.15, 对数律Z₀指数范围为0.02~0.05m, 梯度风高度Z_G范围为264~350m, 但是所有国际规范的使用范围都是建筑高度低于200m的高层建筑。虽然规范GB 50009—2012指数律α指数与国外规范相近, 但是规范GB 50009—2012条文说明中针对B类地貌定性判断的规定 (2km范围内建筑平均高度小于9m) 要比其他规范更粗糙, 且没有类似于其他规范的定量化。

　　 表2为主要国内外规范针对市郊地貌与一般城市市区 (规范GB 50009—2012中C类地貌) 的比较。由表2可以发现, 国内外市郊地貌的平均风剖面指数律α指数范围为0.20~0.25, 对数律Z₀指数范围为0.2~0.3m。虽然α指数与国外规范相近, 但是规范GB 50009—2012条文说明中有关C类地貌的定性判定 (2km范围内建筑平均高度大于9m, 小于18m) 要比其他规范的规定更粗糙。中国密集建筑群的城市市区 (长三角/珠三角/京津翼地区) 的建筑高度普遍达到或超过18m, 而其他国家规范的市郊地貌都指具有少量和分散高层建筑的区域。

　　 表3为主要国内外规范针对城市中心地貌 (规范GB 50009—2012中D类地貌) 的比较。由表3可以发现, 国内外城市中心地貌的平均风剖面指数律α指数范围为0.27~0.40, 对数律Z₀指数范围为1~3m。规范GB 50009—2012中α指数与国外规范相比偏低, 但是规范GB 50009—2012条文说明中有关D类地貌的定性判定 (2km范围内建筑平均高度大于18m) 要比其他规范的规定更粗糙。中国有密集建筑群且房屋较高的城市市区 (北上广深) 的建筑平均高度超过30m, 而其他国家规范的城区地貌都指具有10~30m高层建筑的城区。

　　 从上面的比较分析可以看出, 规范GB 50009—2012关于地貌类别的判定标准没有国外规范具体, 在相同的平均风剖面指数情况下, 规范GB 50009—2012中对应的实际建筑布置比同类国际规范更为粗糙, 即在相同的建筑布置下, 规范GB 50009—2012采用的平均风剖面沿高分布比国外规范更为保守。在实际工程应用中, 建议采用国际通用Engineering Sciences Data Unit^[12] (简称ESDU工具) 来分析不同风向的远场地貌类别, ESDU工具判定地面粗糙度类别的具体使用方法详见文献[11]。

　　 图2为规范GB 50009—2012, AIJ 2004^[5]与ISO2009^[9]给出的3s阵风风速剖面 (风速比) 。从图中看出, 规范GB 50009—2012在梯度风高度处的阵风风速随着地面粗糙度的增大而增大, 这与梯度风高度处的阵风风速应相同这一风工程理论是相驳的, 也与其他国际规范的规定不同^[11]。主要是由于规范GB 50009—2012的湍流强度剖面与阵风因子不同所致。在实际工程应用中, 建议使用ESDU工具计算平均风剖面、湍流强度剖面以得到合理的阵风风剖面。

　　 规范GB 50009—2012没有提供不同区域的风速风向折减因子, 但是风洞试验标准中规定:当考虑风速风向折减时, 风速风向折减因子不应小于0.85。基于风工程理论, 每个城市不同风向的极值风速在概率意义上是确定的, 即每个城市都存在主导风向与非主导风向, 采用全风向设计 (不考虑风速风向折减) 是偏保守的。

　　 图3为我国内陆典型城市的风速风向折减因子。从图中可以看出, 该城市的主导风向为西北风。对于风荷载, 一般与风速的平方成正比, 对于加速度响应, 一般与风速的三次方成正比。图3说明考虑风速风向折减因子并没有减小抗风设计的安全度 (即最大风速方向没有折减) , 但是对其他风向的风荷载与加速度响应进行了优化。在实际工程应用中, 建议详细考虑风向效应以消除设计中不必要的保守性, 并重点考虑主要风向和极限风速, 从而使项目总体可靠性和安全性得到进一步提升。

　　 由于横风向的风致振动机理不符合准定常理论假定, 规范GB 50009—2012增加了矩形截面高层建筑的横风向风荷载与加速度响应的计算公式, 但是依然采用准定常理论假定计算围护结构的风压, 即假定极值风压沿高度的变化规律与风速沿高度的变化趋势一致^[13,14]。图4为某280m高塔楼围护结构极值风压沿高分布, 从图中可以看出, 用准定常理论假定计算得到围护结构的极值正压沿高分布是合理的 (顶部分流区除外) , 规范GB 50009—2012估算值比风洞试验结果偏保守。但是极值负压的分布不满足准定常理论假定, 即极值负压出现在建筑的中下部, 而不是基于准定常理论假定的建筑顶部。关于极值负压, 主要国际规范仅给出了极值负压数值^[14], 而没有给出极值负压的沿高分布, 一般在实际设计过程中通过风洞试验得到极值负压的沿高分布。若基于规范GB 50009—2012中极值负压沿高分布准定常理论假定得到的设计风压进行设计, 将导致顶部围护结构设计过于保守, 而中下部的围护结构设计可能不安全。在实际工程项目中, 不建议采用规范与风洞试验包络的、过于保守的设计方法, 而建议基于风洞试验的风压分布规律, 综合规范极值负压的最大值来对围护结构进行设计。

　　 当采用规范GB 50009—2012对某些高层建筑进行横风向风荷载与加速度响应计算时, 有时会出现横风向风荷载与加速度响应是顺风向风荷载及其加速度响应数倍的情形, 主要是由于规范GB 50009—2012给出了气动阻尼比的估算公式。图5为当结构阻尼比在2%时, 总阻尼比随折算周期的变化规律。当折算周期小于1时, 气动阻尼比为正值, 最大值约为1%;当折算周期超过1时, 气动阻尼比迅速减小, 最小为-0.6%, 从而导致结构总阻尼比从2%降为1.4%、横风向风荷载与加速度响应成倍增加。在实际工程项目设计过程中, 若采用规范GB 50009—2012计算得到的横风向风荷载与加速度响应显著大于顺风向风荷载及其加速度响应, 建议应通过风洞试验进行复核, 以确定气动阻尼取值的合理性, 从而确保项目的安全性与经济性^[13]。

　　 对于高层建筑主体结构抗风设计, 一般采用高频测力天平试验技术 (HFFB) 与高频压力积分试验技术 (HFPI) 两种试验方案, 若结构风致动力响应特别显著, 还应采用气动弹性模型试验来进一步验证结构在强风下的安全性;对于围护结构, 抗风设计一般采用覆面测压技术。下面给出实际风工程项目中出现的问题, 以期为结构设计人员审核风洞试验方案与结果提供参考。

　　 在项目招标工作时, 不同试验单位选择的试验方案是不同的。在国内市场, 由于测压试验模型制作的便易性, 很多风洞试验单位推荐采用HFPI技术。理论上, 只要测压点足够多, HFPI技术可以得到任何高层建筑的风荷载。但是若采用的管道长度不符合要求, 气动力谱中高频部分的能量将不能被捕捉。图6为两家不同试验单位的无量纲基底弯矩谱对比, 其中一家试验单位的管道长度满足规定要求, 另外一家的管道长度超过了规定要求。从图6可以看出, 长管道试验单位的共振响应偏小, 若管道过长, 可能会造成设计隐患。

　　 对于外形不规整、存在百叶等开口立面的复杂高层建筑, 由于当前可同步测点数量、管道长度、模型制作技术等限制, 不能保证每个测点范围内的风压完全相关, HFPI技术很难给出准确的主体结构设计风荷载, 建议采用HFFB技术。理论上, 只要HFFB模型轻质高强、频率较高, HFFB技术能够得到安全的主体结构设计风荷载。若HFFB模型频率不能满足要求, 将会导致风荷载与风致响应的共振分量过大。图7为HFFB模型不满足高频要求时对气动力谱的影响, 其中纵坐标为无量纲基底弯矩谱, 横坐标为折减频率。模型-天平系统自振频率太低将会导致项目设计频率范围内频谱过大, 从而导致风振分量过大, 特别是加速度响应。

　　 关于HFFB技术与HFPI技术的选择问题, 还应考虑设计进度的影响。由于HFPI试验模型与覆面测压试验模型一般为同一个模型, 且覆面测压试验模型需要提供围护结构的相关设计细节, 属于扩初设计阶段或施工图前期。若基于该阶段设计资料进行试验, 可能不能满足主体结构的抗震超限审查时间节点与地基基础设计。为了满足不同阶段的设计要求, 建议在方案设计完成后进行HFFB试验, 为地基基础设计与主体结构超限审查提供支持;当设计完成50%扩初以后, 进行覆面测压试验, 同时可通过HFPI技术考虑建筑设计变更对主体结构风荷载的影响, 从而在最大程度上实现风工程对项目的价值。

　　 风洞试验作为一门试验技术, 在风洞试验前应确保试验设备的有效性, 同时还应基于风工程理论知识在处理数据阶段进一步判断试验设备的有效性, 比如HFFB试验的天平通道是否正常运行、测压试验的测点是否存在坏点等。

　　 图8为某项目测力天平设备出现故障对风洞试验结果的影响。从图中可以看出, 基底剪力平均值为零时对应的基底弯矩平均值不为零 (达到基底弯矩平均值最大值的40%) 。对于不能满足风工程基本理论的试验结果, 要查明原因后才能决定是否应基于该风洞试验结果进行设计。

　　 高层建筑风荷载与风致响应是基于风洞试验原始数据, 同时结合结构动力特性, 再选取相应的风振分析方法计算分析得到。影响参数主要包括结构动力特性、远场地貌类别、风速风向折减因子、峰值因子等。下面主要对结构动力特性与远场地貌类别进行说明。

　　 高层建筑主体结构风荷载与风致响应受结构动力特性影响。很多设计单位在实际设计过程中没有要求风洞试验单位在施工图阶段基于最终的结构动力特性对风荷载进行更新, 主要是设计人员不了解塔楼风荷载是随结构动力特性变化而改变的。表4为某330m塔楼在施工图阶段的前三阶周期从6.6/6.5/2.6s变为5.6/5.3/2.7s后基底气动力的变化。从表中可以看出, 基底弯矩M_x减小约10%, M_y减小约20%, 但是基底扭矩M_z增大约11%。

　　 风洞试验的远场地貌类别是风洞试验的基本输入资料, 若采用过于保守的地貌类别, 将会导致过于保守的风洞试验结果。某国外风洞试验单位对上海市中心城区的某200m高层建筑采用类似规范GB50009—2012中C类地貌进行了覆面测压试验。经审核后发现由于对我国地貌不熟悉, 导致地貌类别过于保守。图9为两种地貌类别对围护结构设计风压的影响, 图中数值为风压, k Pa。采用调整后的地貌能够减小15%以上的围护结构设计风压。

　　 风洞试验标准建议对高度大于400m的超高层建筑或高度大于200m的连体建筑进行第三方独立风洞试验。另外, 上海市《建筑幕墙工程技术规范》 (DGJ 08-56—2012) ^[16]要求对高度大于300m的幕墙进行第三方独立风洞试验。关于第三方独立风洞试验, 笔者认为其目的是为了验证主风洞试验单位的试验过程是否存在错误及所采用的分析方法是否合理。判断试验过程是否存在错误, 主要是比较风洞试验数据的原始统计量, 比如平均值、均方根值、基底气动力谱与总基底力响应;判断主风洞试验单位的方法是否合理, 主要看风气候分析参数与分析方法的选择是否合理。

　　 若两家风洞试验单位采用相同的输入参数, 且采用相同的分析方法, 双方结果一般比较一致。如果基本输入参数不同, 最终的风洞试验结果可能会相差较大。若试验报告结果不经风工程专家进行审核, 简单地采用包络设计是不合理的。

　　 基于上述分析, 建议通过以下策略改善高层建筑抗风设计的安全性与经济性:

　　 (1) 通过远场地貌分析 (ESDU工具) 与风气候分析 (基于当地风气候数据与台风模拟) 来消除规范GB 50009—2012地貌类别的判定 (相同远场地貌) 与全风向设计 (不考虑风速风向折减效应) 中可能存在的保守性。若高长细比的高层建筑在高风速下按照规范GB 50009—2012估算的横风向风荷载与顺风向风荷载相差悬殊, 建议通过风洞试验得到该项目的风荷载, 并验证规范气动阻尼比取值的合理性。

　　 (2) 通过ESDU工具消除规范GB 50009—2012阵风风压剖面在梯度风高度处随着粗糙度的增大而增大的不合理性, 以及基于风洞试验消除围护结构极值风压准定常理论假定导致风压分布的不合理性。

　　 (3) HFFB技术可为高层建筑提供安全的设计风荷载, 但是应校核试验模型能否满足高频的要求。在同步测点足够的情况下, HFPI技术理论上可为所有高层建筑提供合理的设计风荷载, 但是应校核管道长度与测点布置的影响。由于同步测点数目的限制与模型制作的精度要求, HFPI技术不能为复杂建筑 (复杂开洞与格式顶部塔冠) 提供准确的设计风荷载。设计人员在试验开始前应对试验设备与试验模型进行校核, 也应通过风工程理论对试验结果进行复核。

　　 (4) 为了满足不同设计阶段的要求, 建议在方案设计完成后进行HFFB试验, 为地基基础设计与主体结构抗震超限审查提供支持;当设计完成50%初步设计以后, 建议进行覆面测压试验, 同时也可通过HFPI技术考虑建筑设计变更对主体结构风荷载的影响, 从而在最大程度上实现风工程对项目的价值。

　　 (5) 结构动力特性、远场地貌类别、周边干扰建筑、风气候分析结果、峰值因子等参数都会影响风洞试验结果, 设计人员 (一般应为风工程专家) 应与风洞试验单位共同确定这些分析参数, 以确保风洞试验结果的安全性与经济性。

　　 (6) 第三方独立试验应在相同的试验条件 (来流风场、模型比例与周边建筑) 下进行, 并分别比较试验原始数据与风致响应, 从而判定主风洞试验单位的试验过程是否出现错误以及分析方法是否合理。若试验报告不经过风工程专家分析与审核, 采用包络设计是不合理的。