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超高层建筑体型选取及风致响应研究 风负荷和地震的作用是高层建筑的两大水平负荷，建筑物的体型配置受到严重影响。中国《高层建筑混凝土结构技术规程》对高层建筑的不同抗洪抢险较大，但没有风荷载规定。随着高层建筑高度的增加，结构各阶自助频率越来越低，风负荷往往代替地震负荷成为水平控制负荷，“重地震轻风”的趋势应该得到纠正。 气动外形的合理设置可以降低风敏感结构的风致响应, 对于达到一定高度量级的超高层建筑, 建筑体型优化被认为是最有效的气动控制措施, 因为通过建筑体型优化来改变风特性是“治本”的行为.某大高宽比方形截面建筑风洞试验表明, 该建筑横截面尺寸增大7%, 在设计风速下的横风向响应就会减小40%~45%, 足见建筑体型对风荷载的影响之大 (本文认为, 建筑高宽比和长宽比亦属于广义建筑体型的范畴) .对于一般量级的超高层建筑 (如300m) , 不同建筑外形也会因风荷载大小产生显著影响, 并有大量研究成果见诸报道.整体来看, 既有体型优化研究是围绕两方面展开的, 一是以标准层断面形状作为着重点, 例如倒角、削角等;二是建筑断面沿竖向的尺寸及形状变化, 如锥化、扭转、顶部开洞等. 不足的是, 既有体型优化方面的相关研究未能将建筑物高宽比、长宽比等宏观指标考虑在内, 事实上, 超高层建筑长宽比、高宽比的合理确定是后续工作的前提, 因为它是建筑师在设计之初以及研究人员在研究对象选取时首先要考虑的问题.因而, 一方面超高层建筑高宽比和长宽比本身有一个合理的选取范围需要专门分析, 另一方面, 在此取值范围的基础上, 是否需要进一步做气动优化, 采用何种优化方式及其优化效果也值得探讨.本文有所侧重地提出并初步探讨了这两个问题, 以期为超高层建筑初步设计、抗风研究对象选取和体型优化研究的下一步工作等提供参考. 1 断面形状的变化 当高层建筑高度达到一定量值时 (如200 m) , 通常要进行风洞试验, 这就是说, 既有超高层建筑是经过抗风验算后建成的, 某些建筑还进行了专门的气动优化分析.因此, 综合分析既有超高层建筑的体型特点具有现实意义. 图1显示了部分600m以上实际超高层建筑立面示意图, 其中, 迪拜塔和长沙远大高楼沿高度方向 (简称“沿高”, 下同) 阶梯式收缩, 印度塔为沿高线性收缩的倾斜面体型, 上海中心大厦断面为弧形线条整合而成, 沿高有较大程度的扭转, 武汉绿地中心断面形状为带弧角的“三瓣形”, 断面尺寸沿高有一定收缩, 并在建筑外部多处设有开槽. 图2显示了部分400~600m超高层建筑立面形状, 图3给出了对应建筑的标准层平面图.从图1~图3可以看出, 对于400m以上的超高层建筑, 其标准层平面形状通常是对方形平面的角部或四周稍加改造的结果.当建筑高度大于500 m时, 建筑断面尺寸在全高度范围内沿竖向有一定收缩, 如天津高银117大厦断面尺寸由65m逐渐内收至45m.当建筑高度小于500m时, 在结构中部和下部的高度范围内, 标准层尺寸变化不大, 而结构顶部非标准层沿竖向则有较大变化, 如环球金融中心进行了开洞和内收, 石油双塔采用了阶梯式锥形内收处理.事实上, 300~400 m的超高层建筑也近似有同样的规律, 例如:香港中环广场、广州中心广场等, 此处限于篇幅不一一列出. 表1给出了部分300~600m超高层建筑的高宽比 (H/B, B为断面短边尺寸) , 可以看出, 随建筑物的高度增加, 结构高宽比有一定增大, 但并非呈单调增加趋势, 更没有与建筑高度构成线性比例关系.一般来说, 由于抗震、抗风、结构设计、工程造价等因素的制约, 这种“非线性”现象是必然的.但是, 这种实际规律在抗风理论研究中并没有受到足够重视, 例如, 当矩形截面长宽比 (D/B, D为断面长边尺寸) 和高宽比分别为3和9时, 被研究对象的实际高宽比 (H/B) 则达到15.6, 这显然是不合理的, 实际中也未出现此类建筑, 对这些建筑进行基础性研究 (如荷载特性) 有一定指导意义, 但进行抗风理论细化研究 (如气动阻尼识别和响应评估模型建立) 时, 将这些不合实际的建筑囊括其中却意义甚微.要说明的是, 《高层建筑混凝土结构技术规程》中所定义的高宽比是H/B, 而在抗风研究中通常使用的高宽比是 图4和图5分别给出了部分300m以下超高层建筑的立面图和平面图.可以看出, 这些建筑标准层截面形状差别很大, 涵盖了八边形、六边形、叠加方形、工字型、矩形等截面形式, 从建筑立面来看, 断面形状沿高没有明显变化, 也未出现收缩、扭转、开槽、开洞等气动优化措施, 其中上海明天广场上部结构的断面尺寸甚至有所增加. 至此, 可将200m以上的超高层建筑按体型和高度大致分为I, II, III 3类, 分别为:200~350 m, 350~600m, 600m