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8月22日中午12時(shí)50分前后，今年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”在廣東珠海南部沿海登陸，登陸時(shí)風(fēng)力14級(jí)(45米每秒)。中央氣象臺(tái)發(fā)布今年首個(gè)臺(tái)風(fēng)紅色預(yù)警，并發(fā)布暴雨橙色預(yù)警。中國(guó)氣象局專家稱，這是今年以來(lái)登陸我國(guó)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。
短短兩天，肆虐的臺(tái)風(fēng)就已造成諸多事故，就連行人甚至車輛都被掀翻的時(shí)候，你是否想過(guò)，高樓大廈為何安然無(wú)恙?
晴朗的天空，當(dāng)你走在大城市CBD（詞條“CBD”由行業(yè)大百科提供）街頭，看到林立的高樓，她們是如此地挺拔和纖細(xì)。你有沒(méi)有想過(guò)，這些細(xì)長(zhǎng)的“竹竿”為什么不會(huì)被狂風(fēng)所吹倒?如何確定它們的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載（詞條“風(fēng)荷載”由行業(yè)大百科提供）?建筑的體型和立面開(kāi)洞有什么"玄機(jī)"?
左：武漢綠地中心(636m) 右：蘇州中南中心(729m)
左：廣州“小蠻腰”(600m) 右：香港環(huán)球貿(mào)易廣場(chǎng)(484m)
什么是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程?
通俗來(lái)講，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程是研究結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的位移、加速度等響應(yīng)，以及對(duì)建筑周圍風(fēng)環(huán)境進(jìn)行分析和評(píng)估，以確保建筑安全性和舒適性的一門(mén)學(xué)科。研究方法主要有4種：理論研究、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。前面三種大家比較熟悉，不過(guò)多介紹了。
數(shù)值模擬，是近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理，模擬建筑周圍流場(chǎng)，從而得到建筑表面的風(fēng)荷載。它的作用跟物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)類似，也稱為“數(shù)值風(fēng)洞”。
數(shù)值風(fēng)洞模擬 ©華東建筑設(shè)計(jì)總院
建筑的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載
抗風(fēng)設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的范疇。它包括結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)、風(fēng)環(huán)境、污染擴(kuò)散和煙囪效應(yīng)等多個(gè)方面。這里僅討結(jié)構(gòu)抗風(fēng)。結(jié)構(gòu)抗風(fēng)，又分為建筑表皮圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。
對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，最主要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)就是玻璃幕墻。通常是通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試表面風(fēng)壓系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)，得到設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。
看到這里，小編激動(dòng)啦，忍不住插幾句話……在臺(tái)風(fēng)肆虐的情況下，我們的超高層建筑（詞條“高層建筑”由行業(yè)大百科提供）不論是按照物理風(fēng)洞，還是“數(shù)值風(fēng)洞”來(lái)考慮風(fēng)荷載效應(yīng)，都比我們通常情況下在內(nèi)陸地區(qū)的超高層建筑承受的風(fēng)荷載超出數(shù)倍。因此安全性的設(shè)計(jì)，不僅僅要體現(xiàn)在我們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身的考量，也要體現(xiàn)在我們對(duì)建筑材料應(yīng)用的甄選中。
中國(guó)幕墻網(wǎng)Alwindoor.com總結(jié)了超高層幕墻建筑材料應(yīng)用的六點(diǎn)建議，供廣大設(shè)計(jì)師，甲方業(yè)主單位參考：
1、 超高層幕墻最好能選用鋁板裝飾柱內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)開(kāi)門(mén)（自然通風(fēng)），代替?zhèn)鹘y(tǒng)的上懸外開(kāi)啟窗，不僅大大美化建筑的外立面效果，更避免臺(tái)風(fēng)天氣時(shí)，上懸外開(kāi)窗被強(qiáng)風(fēng)吹落的可能，提高幕墻的整體安全性能。
2、超高層幕墻單元體幕墻玻璃選樣時(shí)，應(yīng)用中空（鋼化或半鋼化）夾膠玻璃，且其夾膠面設(shè)置在室外面，這樣大大提高玻璃的耐沖擊性能，即使在外力作用下玻璃破碎，也不會(huì)發(fā)生玻璃墜落的情況，這對(duì)建筑使用者及人民群眾的生命安全做到最大化的保護(hù)。
3、超高層幕墻單元體采用的掛接方式由原始的側(cè)掛方案，改為水平掛接，不僅使現(xiàn)場(chǎng)安裝難度降低，更重要的是安裝質(zhì)量和精度更易于控制，保證幕墻的結(jié)構(gòu)安全性能;同時(shí)，超高層幕墻嚴(yán)格按風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的風(fēng)壓值進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)，所用構(gòu)配件均應(yīng)大量采用牌號(hào)和狀態(tài)為6063-T6、6063-T5鋁型材，抗拉強(qiáng)度為235MPa、斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到9.0，其氟碳三涂漆膜的厚度為49μm;這樣能夠保證材料的強(qiáng)度（詞條“強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）和撓度，以及日常的氧化（詞條“氧化”由行業(yè)大百科提供）腐蝕，增強(qiáng)玻璃幕墻安全性能。完美的承受住臺(tái)風(fēng)沖擊。
4、拉索式玻璃幕墻的五金件建議采用球鉸夾，球鉸夾具（詞條“夾具”由行業(yè)大百科提供）獨(dú)特的球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得玻璃幕墻在強(qiáng)大的風(fēng)荷載情況下仍能滿足較大的角度偏差，拉索使用的是強(qiáng)度更強(qiáng)、耐腐蝕性更好的雙相不銹鋼CD3MN材質(zhì)，充分保證了整個(gè)幕墻的縱橫向承載。
5、為保證超高層玻璃幕墻的安全穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)膠全部采用高模量特性的雙組份中性硅酮膠，通過(guò)針對(duì)性的調(diào)節(jié)其混合比例和控制固化時(shí)間，形成耐用、高性能以及具彈性（詞條“彈性”由行業(yè)大百科提供）的結(jié)構(gòu)膠，有效抵御沿海地區(qū)的臭氧、紫外線及雨水等侵蝕，穩(wěn)定的保障了建筑幕墻安全。
6、超高層幕墻的設(shè)計(jì)及施工必須是有國(guó)家相關(guān)資質(zhì)及工程案例的企業(yè)單位，在超高層幕墻的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要考慮到幕墻安裝應(yīng)用與建筑結(jié)構(gòu)主體相關(guān)條件，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)能夠最大限度的保證方案效果，且在施工環(huán)節(jié)中能夠給予施工單位很好的技術(shù)指導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)，建造出完美的超高層幕墻建筑。
臺(tái)風(fēng)來(lái)了!我們相信品牌的力量!
言歸正轉(zhuǎn)，接下來(lái)，我們繼續(xù)探討建筑的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。
臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的玻璃幕墻破壞
主體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，包括測(cè)試和分析風(fēng)荷載取值，計(jì)算結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)，從而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)方案的安全性和舒適性。在結(jié)構(gòu)不能滿足要求時(shí)，提出方案修正的建議。
當(dāng)建筑超過(guò)一定高度后，風(fēng)致響應(yīng)可能比地震響應(yīng)更大，成為控制主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要作用。這時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待風(fēng)荷載的取值，通常需要借助風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。
通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，不僅僅得到建筑表面的荷載，也要得到施加到動(dòng)力模型上的風(fēng)振響應(yīng)。目前主要用頻域的方法，并用CQC或SRSS方法等進(jìn)行振型組合。
超高層結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布 ©吳天河 羅興隆
在完成以上分析之后，得到結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)，并進(jìn)一步得到“等效靜風(fēng)荷載“。所謂的等效靜風(fēng)荷載，是把風(fēng)荷載的最大動(dòng)力作用等效轉(zhuǎn)化為靜力荷載，方便設(shè)計(jì)計(jì)算。
主體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)流程
一般的方案修改建議和抗風(fēng)措施包括，對(duì)建筑表面進(jìn)行處理(如表面增加豎條以改變粗糙度)、調(diào)整整體或部分體型以改變所受氣動(dòng)荷載（詞條“動(dòng)荷載”由行業(yè)大百科提供）、設(shè)置阻尼器等。
值得一提的是，結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)荷載與建筑體形密切相關(guān)。因此，通過(guò)對(duì)建筑外形的精心設(shè)計(jì)，以減少結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載是一個(gè)高效的方法。超高層建筑體型比選和優(yōu)化也是一個(gè)重要的研究課題。
減小風(fēng)荷載的方法
武漢綠地中心：形體和風(fēng)槽可顯著減小風(fēng)荷載
結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)
風(fēng)振響應(yīng)分析是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，本節(jié)嘗試用通俗地語(yǔ)言簡(jiǎn)單介紹一下。風(fēng)振響應(yīng)分析常用頻域分析方法。經(jīng)過(guò)傅立葉變換，得到其功率譜--隨頻率分布的一條曲線。
這樣做的作用有兩個(gè)：第一，對(duì)功率譜在頻域上進(jìn)行積分就得到均方差;第二，通過(guò)功率譜我們可以知道荷載在頻域上的分布。我們知道，與結(jié)構(gòu)的固有頻率相等或相當(dāng)接近的荷載成分將會(huì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生共振響應(yīng)。
計(jì)算風(fēng)振響應(yīng)時(shí)，我們常常把它分為平均位移和脈動(dòng)位移兩部分來(lái)計(jì)算，相應(yīng)的把荷載分為平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓。脈動(dòng)響應(yīng)是背景響應(yīng)和共振響應(yīng)功率譜的疊加。其中，背景響應(yīng)是除了共振頻率以外其它頻率引起的響應(yīng)，主要是低頻的部分組成。
上圖給出了典型的脈動(dòng)響應(yīng)的功率譜，那個(gè)尖峰就是屬于共振響應(yīng)的。尖峰對(duì)應(yīng)的頻率就是結(jié)構(gòu)的固有頻率。對(duì)上面功率譜在頻域上積分便得到脈動(dòng)響應(yīng)的均方差。
最終，我們把平均響應(yīng)和脈動(dòng)響應(yīng)按一定的規(guī)則疊加起來(lái)得到最大風(fēng)振響應(yīng)。其中，Xmax為最大響應(yīng)，為[平均響應(yīng)]+[峰值因子g乘以加脈動(dòng)響應(yīng)的均方根]。
風(fēng)振響應(yīng)一般分為3類，即抖振、渦激振動(dòng)和自激振動(dòng)。
1.抖振
抖振主要發(fā)生在順?lè)较虻�，就是由順風(fēng)向風(fēng)荷載的脈動(dòng)作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的受迫振動(dòng)。由于風(fēng)荷載具有隨機(jī)性，所以抖振其實(shí)也是一種隨機(jī)振動(dòng)。這種振動(dòng)現(xiàn)象比較容易理解，與一般的荷載作用在結(jié)構(gòu)上的受迫振動(dòng)類似。
2.渦激振動(dòng)
渦激振動(dòng)一般發(fā)生在橫方向，也就是與風(fēng)向垂直的方向。你一定覺(jué)得好奇怪，為什么風(fēng)從X方向來(lái)，建筑物卻在Y方向上振動(dòng)?
原理是這樣的。當(dāng)風(fēng)從順風(fēng)向吹來(lái)，在建筑物后部會(huì)形成漩渦并脫落，其脫落現(xiàn)象與雷諾數(shù)大小、截面形狀有關(guān)。建筑后方兩側(cè)的漩渦以一定頻率交替脫落，引起空氣的環(huán)流。由伯努利方程我們知道，上下表面形成壓力差。隨著漩渦在建筑物后面兩側(cè)交替脫落，振動(dòng)力的方向也以一定頻率改變，橫風(fēng)向的振動(dòng)就產(chǎn)生了。
當(dāng)漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相對(duì)接近時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生共振，此振動(dòng)稱為”渦激共振“。渦激共振對(duì)高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及橋梁等細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的殺傷力!這里還有一個(gè)參數(shù)值得一提，斯托羅哈數(shù)，表達(dá)式如下。
上式中的fv就是漩渦脫落頻率，D是結(jié)構(gòu)特征尺度，一般取橫風(fēng)向的寬帶，U是風(fēng)速。St是斯托羅哈數(shù)，它與結(jié)構(gòu)平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）形狀和雷諾數(shù)有關(guān)，與建筑的尺寸無(wú)關(guān)，故風(fēng)洞試驗(yàn)的縮尺模型的斯托羅哈數(shù)與實(shí)際建筑相近，可以用來(lái)描述實(shí)際建筑。通過(guò)上面公式計(jì)算出漩渦脫落頻率，設(shè)計(jì)時(shí)記得避開(kāi)它!
上圖是CAARC標(biāo)模(高層建筑的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型)的橫方向底部彎矩功率譜，數(shù)據(jù)來(lái)自風(fēng)洞試驗(yàn)。從圖中可見(jiàn)中間那個(gè)峰就是漩渦的脫落頻率所對(duì)應(yīng)的峰，圖中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都進(jìn)行了無(wú)量綱化處理。
3.自激振動(dòng)
所謂的自激振動(dòng)，是在風(fēng)荷載的作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的變形和振動(dòng)，而振動(dòng)反過(guò)來(lái)又影響到作用在結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)力，氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)振動(dòng)相互作用，即氣動(dòng)彈性效應(yīng)。如果這種相互作用一直持續(xù)，并且使結(jié)構(gòu)振動(dòng)趨于發(fā)散，就會(huì)導(dǎo)致氣彈失穩(wěn)。自激振動(dòng)有馳振和顫振兩種自激振動(dòng)典型形式。
馳振是細(xì)長(zhǎng)物體因氣流自激作用產(chǎn)生的一種純彎曲大幅振動(dòng)。最先被發(fā)現(xiàn)于結(jié)冰的輸電線上，振動(dòng)以行波的形式在兩根電桿之間快速傳遞，振幅可達(dá)電線直徑的十余倍，好像快馬奔騰，因此稱為馳振。
顫振最先發(fā)現(xiàn)于機(jī)翼上，表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)發(fā)散振動(dòng)或彎扭耦合的發(fā)散振動(dòng)。著名的塔科馬大橋破壞就是一個(gè)典型的顫振災(zāi)害例子。
另外，也有專家將塔科馬大橋破壞的原因歸結(jié)為“卡門(mén)渦街“。我理解，卡門(mén)渦街只是漩渦脫落的一種現(xiàn)象，不是振動(dòng)的一種。顫振正是在卡門(mén)渦街誘導(dǎo)下發(fā)生的，兩者并不沖突。
從太空俯瞰智利海岸的"卡門(mén)渦街"
如今，建造大型橋梁時(shí)，通過(guò)修改橋身斷面形狀，或安裝空氣穩(wěn)定裝置，來(lái)改善繞過(guò)斷面的氣流，也可以通過(guò)安裝阻尼器等方式減小橋梁的振動(dòng)。
CFD數(shù)值模擬
由于風(fēng)洞試驗(yàn)條件有一定的局限性，且成本比較高，研究人員運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法來(lái)替代一部分風(fēng)洞試驗(yàn)。目前，數(shù)值模擬的精度和穩(wěn)定性還沒(méi)發(fā)展到理想的程度，作為風(fēng)荷載分析的一種輔助手段，尚不能完全取代風(fēng)洞試驗(yàn)。
數(shù)值模擬可以分為定常模擬和非定常模擬兩大類。定常的數(shù)值模只能得出來(lái)建筑的平均風(fēng)壓結(jié)果，主要代表有雷諾平均RANS方法。非定常數(shù)值模擬可以得到物理量的時(shí)程，如風(fēng)壓時(shí)程，基底彎矩時(shí)程或風(fēng)速時(shí)程等，并用于結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的分析。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，非定常的數(shù)值模擬就是對(duì)物理風(fēng)洞試驗(yàn)的模擬。主要方法有大渦模擬LES和直接模擬DNS。近年來(lái)，大渦模擬LES越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到各種工程分析實(shí)例中;而直接模擬DNS的計(jì)算量巨大，比較難實(shí)現(xiàn)。
CFD數(shù)值模擬是建立在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)上的。想了解更詳細(xì)的講解可以看看有關(guān)書(shū)籍，如王福軍的《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用》。
一個(gè)典型的湍流入口速度場(chǎng)
大渦模擬建筑附近的流場(chǎng)：某時(shí)刻的速度場(chǎng)
上圖，我們可以看到在建筑后方有漩渦脫落的想象，通過(guò)數(shù)值模擬能夠捕捉到這種流場(chǎng)現(xiàn)象。這也是數(shù)值模擬優(yōu)于風(fēng)洞試驗(yàn)的地方。
雖然CFD數(shù)值模擬還不能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)進(jìn)行完全定量的分析，但已經(jīng)有學(xué)者把它運(yùn)用到一些定性的分析中，如不同建筑外形方案的比選，建筑外形優(yōu)化等。這是CFD數(shù)值模擬一個(gè)重要的應(yīng)用方向。
CFD數(shù)值模擬的終極目標(biāo)是研究出一個(gè)高效率、高精度的“數(shù)值風(fēng)洞”，并可以用它來(lái)取代物理風(fēng)洞。想象一下，如果未來(lái)僅需要一臺(tái)普通的電腦，就可以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的分析工作，將會(huì)節(jié)省多少人力物力，可以說(shuō)將是一種技術(shù)的革命!
臺(tái)風(fēng)來(lái)了!請(qǐng)玻璃幕墻保重，請(qǐng)屋面板挺住!
