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[讨论][科普]台风肆虐的情况下！那些超高层建筑如何能幸免？
8月22日中午12时50分前后，今年第13号台风“天鸽”在广东珠海南部沿海登陆，登陆时风力14级（45米每秒）。中央气象台发布今年首个台风红色预警，并发布暴雨橙色预警。中国气象局专家称，这是今年以来登陆我国的最强台风。
短短两天，肆虐的台风就已造成诸多事故，就连行人甚至车辆都被掀翻的时候，你是否想过，高楼大厦为何安然无恙？
晴朗的天空，当你走在大城市CBD街头，看到林立的高楼，她们是如此地挺拔和纤细。你有没有想过，这些细长的“竹竿”为什么不会被狂风所吹倒？如何确定它们的设计风荷载？建筑的体型和立面开洞有什么"玄机"？
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左:武汉绿地中心(636m) 右：苏州中南中心(729m)
左：广州“小蛮腰”（600m） 右：香港：环球贸易广场（484m）
什么是结构风工程?
通俗来讲，结构风工程是研究结构在风荷载作用下的位移、加速度等响应，以及对建筑周围风环境进行分析和评估，以确保建筑安全性和舒适性的一门学科。研究方法主要有4种：理论研究、现场实测、风洞试验和数值模拟。前面三种大家比较熟悉，不过多介绍了。
数值模拟，是近年随着计算机技术发展，运用计算流体动力学原理，模拟建筑周围流场，从而得到建筑表面的风荷载。它的作用跟物理风洞实验类似，也称为“数值风洞”。
数值风洞模拟 ©华东建筑设计总院
建筑的设计风荷载
抗风设计是一个很大的范畴。它包括结构结构抗风设计、风环境、污染扩散和烟囱效应等多个方面。这里仅讨结构抗风。结构抗风，又分为建筑表皮围护结构和主体结构两个方面。
对于超高层建筑来说，最主要的围护结构就是玻璃幕墙。通常是通过风洞试验，测试表面风压系数和阵风系数，得到设计围护结构的风荷载。
台风导致的玻璃幕墙破坏
主体结构的抗风设计，包括测试和分析风荷载取值，计算结构在风荷载作用下的响应，从而评价结构方案的安全性和舒适性。在结构不能满足要求时，提出方案修正的建议。
当建筑超过一定高度后，风致响应可能比地震响应更大，成为控制主体结构设计的主要作用。这时应谨慎对待风荷载的取值，通常需要借助风洞试验和数值模拟【小i注】。
通过风洞实验，不仅仅得到建筑表面的荷载，也要得到施加到动力模型上的风振响应。目前主要用频域的方法，并用CQC或SRSS方法等进行振型组合。
超高层结构表面风压分布 ©吴天河 罗兴隆
在完成以上分析之后，得到结构的最大响应，并进一步得到“等效静风荷载“。所谓的等效静风荷载，是把风荷载的最大动力作用等效转化为静力荷载，方便设计计算。
主体结构的抗风设计流程
一般的方案修改建议和抗风措施包括，对建筑表面进行处理（如表面增加竖条以改变粗糙度）、调整整体或部分体型以改变所受气动荷载、设置阻尼器等。
值得一提的是，结构的气动荷载与建筑体形密切相关。因此，通过对建筑外形的精心设计，以减少结构风荷载是一个高效的方法。超高层建筑体型比选和优化也是一个重要的研究课题。
减小风荷载的方法
武汉绿地中心：形体和风槽可显著减小风荷载
结构风振响应
风振响应分析是一个比较复杂的过程，本节尝试用通俗地语言简单介绍一下。风振响应分析常用频域分析方法。经过傅立叶变换，得到其功率谱--随频率分布的一条曲线。
这样做的作用有两个：第一，对功率谱在频域上进行积分就得到均方差；第二，通过功率谱我们可以知道荷载在频域上的分布。我们知道，与结构的固有频率相等或相当接近的荷载成分将会和结构发生共振响应。
计算风振响应时，我们常常把它分为平均位移和脉动位移两部分来计算，相应的把荷载分为平均风压和脉动风压。脉动响应是背景响应和共振响应功率谱的叠加。其中，背景响应是除了共振频率以外其它频率引起的响应，主要是低频的部分组成。
上图给出了典型的脉动响应的功率谱，那个尖峰就是属于共振响应的。尖峰对应的频率就是结构的固有频率。对上面功率谱在频域上积分便得到脉动响应的均方差。
最终，我们把平均响应和脉动响应按一定的规则叠加起来得到最大风振响应。其中，Xmax为最大响应，为[平均响应]+[峰值因子g乘以加脉动响应的均方根]。
风振响应一般分为3类，即抖振、涡激振动和自激振动。
1.抖振
抖振主要发生在顺方向的，就是由顺风向风荷载的脉动作用使结构产生的受迫振动。由于风荷载具有随机性，所以抖振其实也是一种随机振动。这种振动现象比较容易理解，与一般的荷载作用在结构上的受迫振动类似。
2.涡激振动
涡激振动一般发生在横方向，也就是与风向垂直的方向。你一定觉得好奇怪，为什么风从X方向来，建筑物却在Y方向上振动？
原理是这样的。当风从顺风向吹来，在建筑物后部会形成漩涡并脱落，其脱落现象与雷诺数大小、截面形状有关。建筑后方两侧的漩涡以一定频率交替脱落，引起空气的环流。由伯努利方程我们知道，上下表面形成压力差。随着漩涡在建筑物后面两侧交替脱落，振动力的方向也以一定频率改变，横风向的振动就产生了。
当漩涡脱落频率与结构的固有频率相对接近时，结构就会产生共振，此振动称为”涡激共振“。涡激共振对高层建筑、高耸结构以及桥梁等细长柔性结构具有强大的杀伤力！这里还有一个参数值得一提，斯托罗哈数，表达式如下。
上式中的fv就是漩涡脱落频率，D是结构特征尺度，一般取横风向的宽带，U是风速。St是斯托罗哈数，它与结构平面形状和雷诺数有关，与建筑的尺寸无关，故风洞试验的缩尺模型的斯托罗哈数与实际建筑相近，可以用来描述实际建筑。通过上面公式计算出漩涡脱落频率，设计时记得避开它！
上图是CAARC标模（高层建筑的一个标准模型）的横方向底部弯矩功率谱，数据来自风洞试验。从图中可见中间那个峰就是漩涡的脱落频率所对应的峰，图中横坐标和纵坐标都进行了无量纲化处理。
3.自激振动
所谓的自激振动，是在风荷载的作用下结构产生了较大的变形和振动，而振动反过来又影响到作用在结构上的气动力，气动力和结构振动相互作用，即气动弹性效应。如果这种相互作用一直持续，并且使结构振动趋于发散，就会导致气弹失稳。自激振动有驰振和颤振两种自激振动典型形式。
驰振是细长物体因气流自激作用产生的一种纯弯曲大幅振动。最先被发现于结冰的输电线上，振动以行波的形式在两根电杆之间快速传递，振幅可达电线直径的十余倍，好像快马奔腾，因此称为驰振。
颤振最先发现于机翼上，表现为扭转发散振动或弯扭耦合的发散振动。著名的塔科马大桥破坏就是一个典型的颤振灾害例子。
另外，也有专家将塔科马大桥破坏的原因归结为“卡门涡街“。我理解，卡门涡街只是漩涡脱落的一种现象，不是振动的一种。颤振正是在卡门涡街诱导下发生的，两者并不冲突。
从太空俯瞰智利海岸的"卡门涡街"
如今，建造大型桥梁时，通过修改桥身断面形状，或安装空气稳定装置，来改善绕过断面的气流，也可以通过安装阻尼器等方式减小桥梁的振动。
CFD数值模拟
由于风洞试验条件有一定的局限性，且成本比较高，研究人员运用CFD数值模拟的方法来替代一部分风洞试验。目前，数值模拟的精度和稳定性还没发展到理想的程度，作为风荷载分析的一种辅助手段，尚不能完全取代风洞试验。
数值模拟可以分为定常模拟和非定常模拟两大类。定常的数值模只能得出来建筑的平均风压结果，主要代表有雷诺平均RANS方法。非定常数值模拟可以得到物理量的时程，如风压时程，基底弯矩时程或风速时程等，并用于结构风振响应的分析。
简单来说，非定常的数值模拟就是对物理风洞试验的模拟。主要方法有大涡模拟LES和直接模拟DNS。近年来，大涡模拟LES越来越广泛地应用到各种工程分析实例中；而直接模拟DNS的计算量巨大，比较难实现。
CFD数值模拟是建立在计算流体动力学的理论基础上的。想了解更详细的讲解可以看看有关书籍，如王福军的《计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用》。
一个典型的湍流入口速度场
大涡模拟建筑附近的流场：某时刻的速度场
上图，我们可以看到在建筑后方有漩涡脱落的想象，通过数值模拟能够捕捉到这种流场现象。这也是数值模拟优于风洞试验的地方。
虽然CFD数值模拟还不能对建筑结构抗风进行完全定量的分析，但已经有学者把它运用到一些定性的分析中，如不同建筑外形方案的比选，建筑外形优化等。这是CFD数值模拟一个重要的应用方向。
CFD数值模拟的终极目标是研究出一个高效率、高精度的“数值风洞”，并可以用它来取代物理风洞。想象一下，如果未来仅需要一台普通的电脑，就可以在短时间内完成对建筑结构抗风的分析工作，将会节省多少人力物力，可以说将是一种技术的革命！
台风来了！请玻璃幕墙保重，请屋面板挺住！
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