翁邦正，向長于，郭林博，張 波，鄭凱宣，孔祥林

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 110106）

近年來，隨著建造技術的不斷進步，全鋼建筑以其結構輕、彈性強、抗震抗風性能較強的特點，且與預制幕墻技術相結合，超高層全鋼結構建筑的建設工作得到全面推進。

建筑結構力學分析需求下，流體動力學數(shù)值模 擬（Computational Fluid Dynamics，簡 稱CFD）主要用于建筑物的風動力分析，即研究不同風力條件下的建筑物結構力學應變應力特征。GB 50352—2005《民用建筑設計通則》規(guī)定，層數(shù)超過40 層，高度超過100m 的建筑為超高層建筑，部分國家規(guī)定高度超過300m 的建筑為超高層建筑。本文結合工程案例，對高度達到150m的超高層建筑進行CFD 數(shù)值模擬分析，尋找不同結構條件下的超高層建筑的結構力學特征。

1 比較方案的模型設計

以江蘇省徐州市中山堂國際大廈為例，該超高層全鋼結構建筑，地上50 層，地下3 層，單層面積1 500m2（30m×50m），其中，地上層高3m，地上高度150m，地下層高4.5m，地下深度13.5m，樁基礎沿地下室底板深入地下25m。建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 建筑物主樓效果圖

建筑物主立柱采用焊接型大斷面工字鋼梁，鋼梁主要分為3 類：①建筑物外圍沿外立面布置一層鋼梁（B 型），鋼梁中線間距12.5～15.0m，共設置12 根主立柱，主立柱下端延伸至地下室底板，與地下室地梁充分鉚接融合；②建筑物中心布置1 根中央立柱（A 型），中央立柱下端深入樁基礎下端；③建筑物內設置2 個交通立井，每個交通立井四角各布置1 根工字鋼梁（C 型），工字鋼梁下端與深入樁基礎下端。與此同時，每層鋼結構樓板位置設置一層水平鋼梁，鋼梁采用主造型C 型斷面鋼梁（D 型），立面墻體內設置斜拉鋼梁進行連接，斜拉鋼梁采用十字結構焊接鋼梁（E 型）。上述共5 種鋼梁，鋼梁之間采用經(jīng)過結構驗證的鉚接鉚釘有效連接，鋼梁部署到位后，經(jīng)過嚴格防腐處理（除銹、酸洗、中和、油漆），鋼梁的標注參數(shù)如圖2 所示。

圖2 鋼梁標注參數(shù)示意圖

圖2 中，所有鋼梁的截面總寬度和總高度均標注為A變量和B變量，鋼梁用鋼板厚度標注為C變量，鋼梁設計中所有焊縫、連接倒角、邊緣處理倒角等均按照GB 50352-2005《民用建筑設計通則》進行設計，并不在此進行詳細分析。該研究中重點分析上述3 變量約束下的建筑物抗風能力。

2 迎風面及風壓計算

在不同風向條件下，建筑物的迎風面積不同，受到的理論風壓也有所區(qū)別。建筑物風壓受制于迎風面對大氣流動產(chǎn)生的流體動力學阻力以及建筑物邊緣產(chǎn)生的湍流擾動。流體阻力主要給建筑物產(chǎn)生風壓靜力，而湍流擾動主要帶來風力振動影響。

本文重點針對8 個風向條件下的靜力風壓進行計算，而湍流擾動需要在有限元分析軟件中進行仿真模擬。如果靜力風壓在建筑物彈性應力承受的范圍內且湍流振動擾動遠離建筑物的固有頻率，則建筑物會擁有較強的抗風能力。該風力計算條件如圖3 所示。

圖3 中，建筑物南北兩側的迎風面面積均為7 500m2，東西兩側迎風面積均為4 500m2，且南北兩側來風主要作用于南北兩側迎風面，東西兩側來鳳主要作用于東西兩側迎風面，且均為垂直作用。東北、東南、西南、西北4 個方向來風同時作用于兩個迎風面，但具有一定的迎風角度。因為建筑物為矩形結構，所以其外立面在承受45°風壓時，迎風角度均為45°，其迎風面面積為兩個迎風面的45°正弦值，約為0.7071 倍，即45°來風時，其等效迎風面面積約為8 485m2。

圖3 迎風角度試算圖

基于ANSYS 的有限元分析，該建筑物在不同風向不同風速條件下的風壓情況如表1 所示。

表1 風壓力試算結果表

表1 中，當風力達到7 級時，45°風壓力達到1MN，當風力達到8 級時，N/S 方向風壓力達到1MN，的高峰立達到9 級時，E/W 風壓力達到1MN。后續(xù)研究中，考慮建筑物主體達到1MN 時的結構力學特征。且該建筑物高度達到150m，實際風力分布情況下，接近地面的風速較低，而遠離地面時，受到周邊建筑物的擾流影響，風力分層情況分布有較大差異，風力風向沿高度和時間發(fā)生較大程度變化。該變化趨勢如圖4 所示。

圖4 8級風條件下的風力風向垂直分布圖

圖4中，8級風條件下風速約為17.1～20.7m/s，但實際風速沿高度分布的寬度較高，貼近地面風速約為8.2m/s，最大風速在距離地面40～50m 處，其風速達到20m/s，且受到周邊建筑物影響，平均風向為正南風時，其風力來風角度約為127～213°。所以，該模型較難使用傳統(tǒng)計算模式進行驗算，而需要采用ANSYS仿真分析模擬建筑物的受力情況。

3 初始模型主體結構的形變分析

首先對建筑物基本結構進行設計，前文圖2中5 種鋼梁的尺寸進行賦值，得到表2。

表2 建筑物構型設置參數(shù)表

表2 中，采用密度7.8g/cm2的高強度全鋼結構建筑專用鋼作為鋼結構建設材料，按照前文設計思路構建該建筑物主體結構，該鋼結構自重為3 495.98t，地下穩(wěn)固結構設定為不發(fā)生形變，其中A 型梁、C 型梁埋深38.5m，B 型梁埋深13.5m，上部結構長度150m，其他鋼梁為橫向結構。將相關應力應變系數(shù)帶入ANSYS 平臺，設定全封閉幕墻，幕墻重量35kg/m2，幕墻總重量840t，地板為100mm 鋼筋網(wǎng)水泥砂漿，比重2.8g/cm2，地板總重量為420t，建筑物總重量為4 760t?；谏鲜瞿Ｐ停? 級風條件下得到圖5 分析結果。

圖5 8級風條件下建筑物形變情況圖

圖5 中，加入風力隨機分布影響的條件下，建筑物頂端在8 級風時最大位移為1 374mm，平均撓度為9.16mm/m，其中撓度分布情況并不均勻，高度30～120m 范圍內，撓度最小7.3mm/m，最大14.8mm/m。因為該材料構造A 型鋼梁時安全彈性撓度為35mm/m，構造C 型鋼梁時安全彈性撓度為28mm/m，構造B 型鋼梁時安全彈性撓度24mm/m，在8 級風條件下，建筑物具有較充分的安全冗余。

為分析該建筑模型的最大抗風能力，繼續(xù)分析不同風力條件下建筑物的整體撓度分布情況，得到表3。

表3 建筑物整體形變及撓度分布情況表

表3 中，考慮到該材料構造A 型鋼梁時安全彈性撓度為35mm/m，構造C 型鋼梁時安全彈性撓度為28mm/m，構造B 型鋼梁時安全彈性撓度24mm/m，即其最大整體撓度不能超過24mm/m，可以得到該建筑物最大抗風能力為10 級。因為ANSYS 條件下的CFD 分析過程已經(jīng)考慮到湍流對建筑物的振動影響，所以該值已經(jīng)無需考慮湍流振動對建筑物撓度的影響。而查表得出該地區(qū)10 級風災害級別為30 年一遇，12 級風災害級別為50 年一遇，該建筑物當前設計結果抗風能力為30 年一遇。而根據(jù)GB 50352—2005《民用建筑設計通則》，超高層建筑的抗風能力必須達到50 年一遇，所以該設計仍有提升需求。

4 優(yōu)化前后建筑物抗風能力分析

因為上述設計中，D 型鋼梁和E 型鋼梁主要用于抗剪和抗拉應力，且在前期分析中該兩型鋼梁前期設計可滿足該應力要求，受制于篇幅限制不對此分析過程展開論述。所以，在當前結構條件下，通過增加或減少A、B、C 三型鋼梁的截面參數(shù)進行設計優(yōu)化。同樣分析平均撓度和最大撓度，在風力隨機分布條件下，對A、B、C 三型鋼梁的截面參數(shù)進行等比例放大縮小，12 級風力條件下觀察0.7～1.3 倍條件下其最大撓度和平均撓度的分布情況，得到表4。

表4 不同優(yōu)化階段的建筑物撓度分布情況表

表4 中，隨著鋼梁截面增加，其平均撓度與最大撓度隨之減小，其可耐受的撓度極限也隨之增加。即上述設計條件下，該建筑物的抗風能力僅為10 級，而在12 級風環(huán)境中時，將A、B、C 三型鋼截面積增加1.2 倍時，其撓度極限即超過其理論最大撓度，冗余量18.1%，當A、B、C 三型鋼截面積增加1.3 倍時，撓度冗余量達到84.5%。

所以，該分析中，立柱鋼梁的截面積越大，其抗風能力越強，但過度增加鋼結構密度會造成建筑物自重增加，建造成本也隨之增加，所以，在將其A、B、C 三型鋼截面積增加1.2 倍時，可滿足該設計要求。此時建筑物鋼結構總重量達到3644.09t，較之前設計的3495.98t增加148.11t，增加4.2%。建筑物總重量達到4 904t，較之前設計的4 760t 增加3.1%。

此時得到CFD 仿真條件下鋼結構優(yōu)化的工作流程。

1）設計鋼結構超高層建筑的基本架構，將交通立井通道和中央立柱作為主體支撐結構，將輔助立柱作為結構加強構造，其基本架構中，立柱主要承擔風壓剪切應力帶來的撓度抗性，而其他橫向結構主要承擔建筑物整體形變過程中的結構水平界面變形剪切應力，而斜拉結構主要承擔建筑物形變過程中的輔助抗拉應力。確定該基本架構后，使用ANSYS 給出的CFD 分析組件進行抗風能力分析，得到初始設計條件下的建筑物抗風能力整體評價結果。

2）如果上述CFD 分析中不能得到令人滿意的結果，則需要考慮建筑物基本架構是否合理。本文中，建筑物初始結構的CFD 分析結果表明其抗風能力已經(jīng)達到10 級，故其僅需要進行微調即可達到相應要求。通過等比例調整立柱鋼梁的截面結構，實現(xiàn)最終設計結果。

3）實際設計優(yōu)化過程中，還可以通過調整鋼梁數(shù)量進行細節(jié)調整，比如增加立柱數(shù)量、增加斜拉結構截面、增加橫向結構鋼梁數(shù)量和截面等，都會在一定程度上提升鋼結構強度。但鋼結構整體結構的重量增加，也會增加鋼結構的初始撓度，過度增加鋼結構及其他結構重量，反而會減弱鋼結構抗風能力。

5 總結

基于ANSYS 下CFD 組件的流體力學分析，可以對建筑物抗風能力進行仿真分析，且可以對風力靜壓和湍流振動對建筑物的整體撓度影響，該分析方法對建筑物鋼結構強度分析過程有實際價值。本文中初始設計已經(jīng)達到了抗10 級風能力，所以僅需要在CFD 分析中對鋼結構參數(shù)進行微調。該研究的核心研究方法為個案研究法，所以沒有對鋼結構的鋼梁數(shù)量參數(shù)進行調整并進行加強CFD 分析，這是本文的不足之處。但該研究已經(jīng)可以證實，CFD 分析對鋼結構超高層建筑的抗風能力分析提供仿真數(shù)據(jù)支持。當前建筑結構力學設計過程中，已經(jīng)逐漸放棄了單純依賴相關規(guī)程具體要求進行設計的方法路徑，而是更多依賴于有限元分析過程對設計參數(shù)進行持續(xù)優(yōu)化。