秀外慧中,是超高层建筑应有的姿态。——从结构师角度看扭转体型高层建筑

秀外慧中,是超高层建筑应有的姿态。——从结构师角度看扭转体型高层建筑

Aaron YuAaron Yu

1.前言

随着人类社会的发展,超高层建筑在全球范围内涌现,其中也出现了一批“扭转”体型的建筑。扭转体型的超高层建筑以其变化丰富的外形,开阔的建筑视野,得到了很多业主和人们的青睐。

扭转体型超高层建筑给城市景观增添了一道独特而优美的风景线,而当你在观赏其壮观的时候,是否有想过,在这些绚丽的外表背后,这些建筑的设计和建造是否存在不一样的科学原理和自然规律。

由于结构工程师不一定会从风工程角度去分析,而风工程研究学者不一定会从结构设计的角度去考虑,故本期尝试结合风工程和结构工程的研究,探讨扭转体型超高层建筑的设计,以结构师的眼光由外到内地去分析和讨论,同时希望抛砖引玉,感兴趣的小伙伴可以一起继续讨论,同时叙述不正确或不严谨的地方,恳请专业人士指出,谢谢~

声明:本文有来自不同研究的图片资料,请勿用于任何商业转载用途。

2.外在体型

由风工程我们知道,建筑所受的风荷载与其气动外形有着紧密的联系。目前国内外学者对体型和风荷载之间关系也进行了一系列的研究。Aaron在研究生期间参加过前国际风工程主席Tamura的一次记忆深刻的讲座,讲座的内容就是探讨不同体型超高层建筑对所受风荷载的影响。针对扭转体型建筑的风荷载,在这里引用Tamura的研究跟大家分享一下,该研究通过一系列风洞试验,比较和分析了不同体型对所受风荷载的影响。

根据讲座内容和2012年Tamura的研究(有兴趣的小伙伴可以下载一下,文章题目:

<Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations>),通过对建筑体型进行一定的扭转,可以十分有效地减少建筑所受的风荷载,并且旋转不同的角度对减少风荷载的效果也不同,如下图:


(图片来源:<Hideyuki Tanaka a,n, YukioTamura b, KazuoOhtake, ect. Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations>)

上面两张图为不同气动外形建筑的顺风向(蓝色)和横风向(红色)基底弯不同风向角下最大平均值和脉动值的对比情况。我们着重看图中扭转(Helical)和矩形(Square)模型的风荷载比较情况。从图中可以看到,对矩形模型进行扭转处理后其平均和脉动风荷载都有不同程度地减少。其中四个扭转模型中以旋转360度对风荷载的减少效果最为明显,与矩形相比对横风向风荷载的减少超过60%。其他扭转角度的风荷载减少效果也十分明显。通过扭转处理,对风荷载的减少主要体现在横风向,而参与过超高层设计的工程师都应该知道,很多情况下横风向风荷载往往超越顺风向其控制作用,所以对建筑外形进行扭转处理将对超高层结构抗风起到很好地优化作用。

读到这里,读者是不是觉得很神奇?是不是想问为什么?在这后面有什么样的机理呢?Aaron尝试来用通俗的语言来解释一下~

由之前的文章 超高层建筑是如何抗风的?(上)——结构风工程入门参考 第三节我们知道,横风向风振的作用机理主要是漩涡脱落现象,而对于不同的建筑截面形状,有不同的斯托罗哈数St:

由上式知道,当截面形状和风速一定时,漩涡脱落频率fs由斯托罗哈数St决定,而斯托罗哈数由截面决定(圆形之类截面除外),故建筑不同高度的截面将影响该高度的漩涡脱落频率fs。

对于从下到上随高度不变的矩形外形建筑,其不同高度的漩涡脱落频率fs将不会有很大变化且十分相近,在这些不同高度的脱落频率相近的漩涡作用下,在横风向上对整个结构会形成一个有确定频率变化的力(这个频率与漩涡脱落频率相近),当风速达到一定大小时,这个频率与结构自振频率相近或相等,结构将会发生共振,产生很大的横风效应。

而对于扭转体型的建筑,情况将大有改变。因为由于截面在高度上不断变化,故在每个高度上会形成不一样的漩涡脱落频率,由于漩涡脱落频率不断变化,在整个高度不会形成以一定频率变化的风荷载,而且不同频率风荷载能量分散,故大大减少或消除了横风向涡激共振对结构所受风荷载的影响,横风效应大大减少。

下图给出了不同体型建筑模型的斯托罗哈数随建筑高度变化情况,可以看到富有变化的体型的建筑其漩涡脱落频率是不断变化的。

(图片来源:<Hideyuki Tanaka a,n, YukioTamura b, KazuoOhtake, ect. Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations>)


3.内部结构

对于扭转体型建筑内部结构的探讨,在今年第六届全国建筑结构技术交流会上,华东建筑设计院(ECADI)的总工程师周总对扭转体型建筑的结构体系和结构特性进行了专门地讨论,在此分享给大家。

(图片来源:ARUP)

华东院的分享首先对扭转结构进行了分类,然后从“结构”和“构件”两个层面,比较了不同扭转程度结构的受力特性,最后针对受力特点有针对性地提出了设计策略。报告十分精彩,在此向华东院周总致敬!

由于该报告较长且研究较为详细,由于篇幅原因,Aaron在这对该报告做一个总结和概况,力求把报告各要点分享出来,让读者对扭转结构从宏观上有一个认识。同时如想了解报告的详细内容,可以在公众号首页点击【更多干货】-【扭转结构】下载,十分感谢L君提供的资料,报告全过程以照片的形式记录了下来。以下为报告内容:

3-1 扭转结构分类

目前扭转结构可分为三类:

第一类:抗侧力构件扭转,这类建筑的外框柱是随着扭转而倾斜的。例子:迪拜卡延塔,广州塔和莫斯科进化大厦。

第二类:通过楼板的悬挑形成扭转效果。例子:巴拿马旋转大厦,芝加哥旋转塔等。

第三类:通过外幕墙的扭转。例子:上海中心大厦等。

华东院的研究选取了第一类结构类型进行建模并进行了“结构”和“构件”两个层面的受力特性分析。建模选取了每层扭转角分别为0度(无扭转,模型1),1.5度(模型2)和3度(模型3)的模型进行比较分析,具体模型如下:

3-2 结构层面分析

在建模和分析完成后,研究从结构层面的角度进行了对比分析,首先对比的参数是反应结构动力性能的自振周期,三个模型的自振周期如下:

显然,随着扭转角度增大,平动周期和竖向周期变大,结构的抗侧刚度和竖向刚度减小。【Aaron想:结合上一节对结构所受风荷载的思考,当建筑形体变化时,漩涡脱落频率在变化,结构的自振周期也在变化,这两个因素都会影响结构最终所受风荷载,故在对建筑外形优化时应该有一个由外到内,内外结合的考虑。】

然后,研究比较了结构在竖向荷载作用下的受力状况,扭转结构与没有扭转处理的结构最大的区别就在于,扭转结构由于外框柱的倾斜,在竖向荷载作用下有一个水平力的分量,这些水平分量叠加起来对每个楼层会产生一个扭矩(如下图),而且这个扭矩还不小,随扭转角度增大而增大。

这个扭矩由内外筒自身平衡,内筒和外框会分别受到大小相等,方向相反的扭矩作用。结构在竖向荷载作用下除了会产生向下的压缩变形外,还有扭转变形(会引起水平位移),而且经过与在水平荷载(小震)产生的位移比较,扭转结构的在竖向荷载下的位移竟然远远大于水平荷载产生的位移。另外,研究在结构层面也比较了结构在水平荷载下作用的情况,当转角增大,结构外框架所分配的剪力将降低,甚至有反向的趋势(不仅不承受剪力,还向剪力墙施加剪力)。

3-3 构件层面分析

在构件层面的分析方面,主要对外框,楼板和剪力墙分别作了分析和比较。

在竖向力作用下,外框柱的轴力不均匀程度随扭转角增大而增大,当扭转角超过一定大小时,脚柱轴力由压力转变为拉力,如模型3:

同时随扭转角的增大,外框梁柱的剪力和弯矩,剪力墙所受的剪力也随着增大,给结构设计增加了难度。同时由于在竖向荷载下扭转的作用,由于扭转由楼板传递,造成了楼板会受到一定的剪力作用,楼板的抗剪设计将不能忽视。

3-4 设计对策

总体来说,在对结构进行扭转处理后,其平动和竖向自振周期会变长,抗侧和竖向刚度变小。在竖向荷载作用下,每个楼层会产生扭矩,不尽产生竖向位移,还会产生水平位移,并且扭转结构在竖向荷载下的水平位移将大于在水平荷载下的水平位移。同时,楼板将会受剪,外框柱轴力分布不均匀,并可能出现拉力。外框梁柱剪力,弯矩将随扭转角增大而增大,剪力墙剪力也增大。由此可知,扭转体型结构给结构设计带来了新的困难和挑战。基于上面分析,该研究提出了三个对扭转结构设计的对策:

1、消。在外框设置反向支撑,形成斜交网络,使结构不产生扭矩。

2、减。分段设置悬挑桁架,环带桁架,减少扭矩作用。

3、抗。增大构件截面,提高构件刚度和强度以抵抗扭矩带来的不利影响

后面华东院还对第二类措施进行了建模计算分析,详细见公众号照片资料。


4.秀外慧中

以上总算对扭转体型高层建筑由外到内进行了分析和探讨,结合外部所受风荷载和内部结构受力特性,Aaron在此提出一些思考,抛砖引玉。

1.基于上面分析,扭转体型大大降低了高层建筑所受风荷载,虽然给内部部结构受力带来了不利,但是我们应该寻找到这两者矛盾之间的平衡点,通过适当的改变体型来达寻求最佳的外形和内部结构的组合。

2.传统的斜柱扭转形式看来并不是很适合扭转体型,对结构受力产生很多不利。可以尝试寻求新的外框形式,如上面所说用斜交网络【Aaron想:或许也可以通过拓扑优化寻求最佳的传力路径再进行结构布置】

3.由上面分析得到的一个重要的结论是:即使从结构设计的角度,超高层建筑的外形和内部结构的设计是紧密联系的,两者绝不能割裂。对超高层建筑的设计,从结构工程和风工程角度,对外应该寻求最佳体型以减少受力,对内应该寻求最高效的结构传力体系,并且内外是紧密联系在一起的,这样的一个“一受一传”的过程需要综合考虑。所以啊,Aaron才会说:


秀外慧中,是超高层建筑应有的姿态。


5.后记

写了这么多,终于表达完Aaron一直想跟大家分享的东西。以上是对扭转体型超高层建筑的一些思考和探讨。当然这些讨论尚存在一些不足的地方,例如要考虑结构不对称性对抗震的影响等等。同时也可以以类似的思路对其他体型,如楔形,退台,切角等体型建筑进行分析。


初出茅庐的Aaron还有很多东西要学,一直在路上,以上。



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麦大爷
芬·达
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