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【摘要】本文根据静安中心整体钢平台系统的结构特点，从几何外形相似、质量系统相似、刚度相似三个方面设计了钢平台系统爬升后状态的气动弹性模型。并在大边界层风洞中考察了风向和风速对其风致响应的影响规律。分析发现：对于同一点进行同样的风向角变化时，其位移和加速度响应的变化趋势完全不同，位移背风向大于横风向，加速度横风向大于背风向；此外迎风面外挂脚手架局部位移响应的均值和峰值偏离90度正迎风向而是对称出现于90度正迎风向两侧，而加速度将在结构与外围护网影响下在横风向15度与165度角处出现突变的局部最值。
【关键词】超高层；核心筒；整体钢平台；风洞试验；气弹性模型
高层建筑整体钢平台爬升模板脚手系统具有复杂的体型和较大的迎风面且整体刚度较低，属于风敏感结构。目前其设计主要考虑重力荷载，对风振效应则仅依靠经验进行设计与防护，没有完善的标准可供参考，在大风下难以保障其安全性。例如，2012年台风“海葵”使上海中心大厦主楼核心筒整体钢平台下挂脚手架的一角底部发生过大变形。目前对于整体钢平台系统风致振动的研究较少。骆艳斌等人[1-3]利用有限元分析和模拟的风荷载，研究了上海环球金融中心整体钢平台脚手架系统的顺风向动力响应；高原等人[4]对上海中心整体钢平台系统的风致响应进行了风洞气弹试验研究，对比了均匀流场和紊流场的一些影响。但前人研究中对于整体钢平台局部风振响应的分析还极为有限。
本文以静安中心整体钢平台爬升模板脚手系统的风洞试验气弹模型为案例进一步考察了钢平台局部位移和加速度响应特點。
1、气弹试验设计
1.1 原型
静安中心整体钢平台爬升模板脚手系统（下文简称为整体钢平台系统）主要由平台系统、外挂脚手架系统、内挂脚手架系统、大模板系统、支撑系统等组成。位于体系顶端的钢平台由纵横工字钢梁组成，平面形状为切角后的矩形，上覆平台钢板，外围包裹挡板，通过连接梁与内、外挂脚手架系统连接，形成一个完全封闭的施工环境。主次平台梁由HN400×200×8×13型钢组成。竖向吊架由C8槽钢和48×3脚手钢管组成，走道板为L40×4角钢框架加钢板网组成。
1.2 模型设计
本次实验整体钢平台系统为气弹模型，核心筒为刚体模型。核心筒模型设计时仅考虑了几何外形相似，以木板为制成材料，按实际结构确定总体开洞率。整体钢平台系统模型则需从几何外形、质量系统和弹性刚度三个方面进行了相似性模拟。
实验经阻塞率计算后选取的几何相似比为1：25，此时阻塞率为（1.0136×1.714）/30 = 5.79 %，以此计算各相似关系如表1所示，其中对应的风速比为1：5。模型设计时将模型构件所需满足的截面惯性矩作为控制目标进行构件截面设计，考虑原型材料钢材各向同性的材料特性选择紫铜作为模型材料，并通过铅丝配重保证质量相似比。迎风面构件考虑迎风面面积相似比设置ABS外衣，考虑外挂脚手架外围包裹的密目网对整体钢平台的影响在外挂脚手架外围设置了ABS材质网格用以模仿密目网。
2、试验设备和试验工况
试验在同济大学TJ-3大气边界层风洞进行，风洞试验段尺寸为2m高×15m宽×14m长。由于整体钢平台系统总高度不高，在其高度范围内风速变化不大，因此试验未模拟风剖面，而采用均匀流场，试验湍流强度为10%。
采用激光位移计和加速度计测量了气弹模型两个位置的位移和加速度响应，测点布置如图2所示，其中D1和D2为激光位移计，A1和A2为加速度计。考察了如图2所示13个风向工况和不同风速条件下结构响应的特点。D1和A1 测量方向为X向，D2和A2测量方向为Y向。
3、试验结果分析
3.1 位移响应
3.1.1 随风向角变化规律
如图3（a）为风速6m/s时，D1测点处位移响应均值和峰值随风向角变化曲线。可以看出，在0到75度风向角范围内，位移均值和峰值逐渐增大；在105到180度风向角范围内，位移均值和峰值逐渐减小。均值和峰值的最大值均出现在105度风向角，最大均值为1.9mm，最大峰值为2.2 mm。位移最大值并未出现在正迎风风向0度工况下，这是由于105度风向下，模型具有更大的迎风面积。因为模型有切角，并非完全对称，因此在0到180度范围内位移响应并不完全对称。注意到0度和180度工况下位移方向相反，但0度时位移绝对值较小，这是由于切角减小了0度时结构所承受的风荷载。
如图3（b）为风速6m/s时，D2测点处位移响应均值和峰值随风向角变化曲线。从0度至180度风向，D2测点由背风向—横风向—迎风向变化。可发现在0度至75度范围内，位移逐渐减小，105度至180度范围内位移逐渐增大。但90度工况下位移绝对值比临近风向角75度和105度大，这是因为90度为横风向，漩涡脱落导致横风向风振略微加剧。最大位移出现在180度风向下，即D2测点正面迎风时，最大均值为1.9 mm，最大峰值为2.5 mm。总体上，迎风时的位移比背风时位移大，顺风向位移比横风向位移大。
3.1.2 随风速变化规律
如图4（a）和4（b）分别为测点D1和D2的顺风向和横风向位移响应峰值随风速变化曲线。可以看出，顺风向和横风向位移峰值的绝对值均随风速增大而增大。相比而言，顺风向位移比横风向位移大。最高风速6 m/s时，D1测点的顺风向位移峰值最大值约为2.0 mm， 而横风向位移绝对值仅为0.2 mm；D2测点的顺风向位移峰值最大值约为2.5 mm， 而横风向位移绝对值仅为0.3 mm。另外可以发现，D1和D2测点的顺风向位移均随风速增大而明显增大，而横风向位移随风速增加不明显，这说明顺风向位移随风速变化更加敏感。横风向位移均没有出现随风速变化突然增大的现象，因而可以判定，小于6m/s风速下，模型并未发生横风向涡激共振。 3.2 加速度响应
3.2.1 随风向角变化规律
图5（a）为风速6m/s时，A1测点的加速度均方根值（RMS）随风速变化曲线。总体上，从0至180风向范围内，加速度先逐渐增大再逐渐减小。但15度和165度风向下，加速度比前后风向工况较大，这可能是由于受到脚手架系统及外围护网的影响，该風向下结构受到的脉动风荷载增大，进而导致加速度突增。75度风向角下A1测点加速度达到最大值，约为0.004m/s。
图5（b）为风速6m/s时，A2测点的加速度均方根值（RMS）随风速变化曲线。和D2测点一样，从0度至180度风向，A2测点由背风向—横风向—迎风向变化。但是A2测点的加速度随风速变化规律和D2测点的位移不同，这是因为加速度响应受脉动风荷载的影响，而位移响应主要受到平均风荷载影响。横风向（90度）时，D2测点的位移响应比背风时（0度）还小，但是A2测点的加速度响应比背风时大；这说明背风区承受的平均风荷载较大，而脉动风荷载较小，因此位移响应较小而加速度响应较大。可以看出，A2测点的加速度从0至180度方向逐渐增大，迎风时加速度均方根达到最大值，约为0.006 m/s。另外可以看出，从120度至180范围内，加速度对风向变化最敏感。
3.2.2 随风速变化规律
如图6（a）和6（b）分别为测点A1和A2的顺风向和横风向加速度均方根值随风速变化曲线。顺风向加速度和横风向加速度均随风速增大而增大，当风速较小时，两者大小相近，随风速变化规律也相近；但当风速超过4 m/s时（A2测点为3.5m/s），顺风向加速度对风速增加更为敏感，逐渐大于横风向加速度。风速6m/s时，A1测点和A2测点的最大横风向加速度均方根值相近，约为0.003m/s，但顺风向加速度A2测点更大。
结论：
通过对气弹模型风洞试验结果就进行分析，可以得到以下结论：
（1） 迎风面外挂脚手架长边中心的局部位移响应的位移均值和峰值的最大值均偏离90度正迎风风向，对称出现在75度和105度风向角下，进行脚手架抗风设计验算时应予以注意。
（2） 位移响应迎风时最大，背风向时次之，横风向时最小，横风向位移最大值出现于与风向角成90度时。
（3） 同一点同一风向角变化时加速度和位移响应变化趋势不同，加速度响应在迎风时最大，横风向是次之，背风向时最小。这和位移响应背风向时大于横风向的规律相反。这说明外挂脚手架的背风区主要承受平均风荷载，脉动风荷载较小；而横风向作用区域主要承受到脉动风荷载作用。
（4） 与顺风向位移和加速度对风速变化敏感不同，在不超过6m/s风速下，模型并未发生横风向涡激共振，横风向位移和加速度随风速增加不明显。
（5） 加速度将在结构与外围护网影响下在横风向15度与165度角处出现明显大于前后风向工况且仅略小于迎风向加速度的局部最值。
参考文献：
[1]骆艳斌，徐伟，周虹，等.超高层建筑整体钢平台模板体系动力特性分析[J].建筑技术，2006，37（08）：621-623.
[2]骆艳斌，徐伟，龚剑，等.整体钢平台模板体系风振响应时程分析[J].低温建筑技术，2006，113（07）：41-43.
[3]骆艳斌.超高层建筑整体钢平台模板体系施工技术与动力性能研究[D].[博士学位论文].上海：同济大学，2006.
[4]高原，龚剑，赵传凯，等.上海中心整体钢平台系统风致响应风洞试验研究[J].建设科技，2015（3）：74-79.
【关键词】超高层；核心筒；整体钢平台；风洞试验；气弹性模型
高层建筑整体钢平台爬升模板脚手系统具有复杂的体型和较大的迎风面且整体刚度较低，属于风敏感结构。目前其设计主要考虑重力荷载，对风振效应则仅依靠经验进行设计与防护，没有完善的标准可供参考，在大风下难以保障其安全性。例如，2012年台风“海葵”使上海中心大厦主楼核心筒整体钢平台下挂脚手架的一角底部发生过大变形。目前对于整体钢平台系统风致振动的研究较少。骆艳斌等人[1-3]利用有限元分析和模拟的风荷载，研究了上海环球金融中心整体钢平台脚手架系统的顺风向动力响应；高原等人[4]对上海中心整体钢平台系统的风致响应进行了风洞气弹试验研究，对比了均匀流场和紊流场的一些影响。但前人研究中对于整体钢平台局部风振响应的分析还极为有限。
本文以静安中心整体钢平台爬升模板脚手系统的风洞试验气弹模型为案例进一步考察了钢平台局部位移和加速度响应特點。
1、气弹试验设计
1.1 原型
静安中心整体钢平台爬升模板脚手系统（下文简称为整体钢平台系统）主要由平台系统、外挂脚手架系统、内挂脚手架系统、大模板系统、支撑系统等组成。位于体系顶端的钢平台由纵横工字钢梁组成，平面形状为切角后的矩形，上覆平台钢板，外围包裹挡板，通过连接梁与内、外挂脚手架系统连接，形成一个完全封闭的施工环境。主次平台梁由HN400×200×8×13型钢组成。竖向吊架由C8槽钢和48×3脚手钢管组成，走道板为L40×4角钢框架加钢板网组成。
1.2 模型设计
本次实验整体钢平台系统为气弹模型，核心筒为刚体模型。核心筒模型设计时仅考虑了几何外形相似，以木板为制成材料，按实际结构确定总体开洞率。整体钢平台系统模型则需从几何外形、质量系统和弹性刚度三个方面进行了相似性模拟。
实验经阻塞率计算后选取的几何相似比为1：25，此时阻塞率为（1.0136×1.714）/30 = 5.79 %，以此计算各相似关系如表1所示，其中对应的风速比为1：5。模型设计时将模型构件所需满足的截面惯性矩作为控制目标进行构件截面设计，考虑原型材料钢材各向同性的材料特性选择紫铜作为模型材料，并通过铅丝配重保证质量相似比。迎风面构件考虑迎风面面积相似比设置ABS外衣，考虑外挂脚手架外围包裹的密目网对整体钢平台的影响在外挂脚手架外围设置了ABS材质网格用以模仿密目网。
2、试验设备和试验工况
试验在同济大学TJ-3大气边界层风洞进行，风洞试验段尺寸为2m高×15m宽×14m长。由于整体钢平台系统总高度不高，在其高度范围内风速变化不大，因此试验未模拟风剖面，而采用均匀流场，试验湍流强度为10%。
采用激光位移计和加速度计测量了气弹模型两个位置的位移和加速度响应，测点布置如图2所示，其中D1和D2为激光位移计，A1和A2为加速度计。考察了如图2所示13个风向工况和不同风速条件下结构响应的特点。D1和A1 测量方向为X向，D2和A2测量方向为Y向。
3、试验结果分析
3.1 位移响应
3.1.1 随风向角变化规律
如图3（a）为风速6m/s时，D1测点处位移响应均值和峰值随风向角变化曲线。可以看出，在0到75度风向角范围内，位移均值和峰值逐渐增大；在105到180度风向角范围内，位移均值和峰值逐渐减小。均值和峰值的最大值均出现在105度风向角，最大均值为1.9mm，最大峰值为2.2 mm。位移最大值并未出现在正迎风风向0度工况下，这是由于105度风向下，模型具有更大的迎风面积。因为模型有切角，并非完全对称，因此在0到180度范围内位移响应并不完全对称。注意到0度和180度工况下位移方向相反，但0度时位移绝对值较小，这是由于切角减小了0度时结构所承受的风荷载。
如图3（b）为风速6m/s时，D2测点处位移响应均值和峰值随风向角变化曲线。从0度至180度风向，D2测点由背风向—横风向—迎风向变化。可发现在0度至75度范围内，位移逐渐减小，105度至180度范围内位移逐渐增大。但90度工况下位移绝对值比临近风向角75度和105度大，这是因为90度为横风向，漩涡脱落导致横风向风振略微加剧。最大位移出现在180度风向下，即D2测点正面迎风时，最大均值为1.9 mm，最大峰值为2.5 mm。总体上，迎风时的位移比背风时位移大，顺风向位移比横风向位移大。
3.1.2 随风速变化规律
如图4（a）和4（b）分别为测点D1和D2的顺风向和横风向位移响应峰值随风速变化曲线。可以看出，顺风向和横风向位移峰值的绝对值均随风速增大而增大。相比而言，顺风向位移比横风向位移大。最高风速6 m/s时，D1测点的顺风向位移峰值最大值约为2.0 mm， 而横风向位移绝对值仅为0.2 mm；D2测点的顺风向位移峰值最大值约为2.5 mm， 而横风向位移绝对值仅为0.3 mm。另外可以发现，D1和D2测点的顺风向位移均随风速增大而明显增大，而横风向位移随风速增加不明显，这说明顺风向位移随风速变化更加敏感。横风向位移均没有出现随风速变化突然增大的现象，因而可以判定，小于6m/s风速下，模型并未发生横风向涡激共振。 3.2 加速度响应
3.2.1 随风向角变化规律
图5（a）为风速6m/s时，A1测点的加速度均方根值（RMS）随风速变化曲线。总体上，从0至180风向范围内，加速度先逐渐增大再逐渐减小。但15度和165度风向下，加速度比前后风向工况较大，这可能是由于受到脚手架系统及外围护网的影响，该風向下结构受到的脉动风荷载增大，进而导致加速度突增。75度风向角下A1测点加速度达到最大值，约为0.004m/s。
图5（b）为风速6m/s时，A2测点的加速度均方根值（RMS）随风速变化曲线。和D2测点一样，从0度至180度风向，A2测点由背风向—横风向—迎风向变化。但是A2测点的加速度随风速变化规律和D2测点的位移不同，这是因为加速度响应受脉动风荷载的影响，而位移响应主要受到平均风荷载影响。横风向（90度）时，D2测点的位移响应比背风时（0度）还小，但是A2测点的加速度响应比背风时大；这说明背风区承受的平均风荷载较大，而脉动风荷载较小，因此位移响应较小而加速度响应较大。可以看出，A2测点的加速度从0至180度方向逐渐增大，迎风时加速度均方根达到最大值，约为0.006 m/s。另外可以看出，从120度至180范围内，加速度对风向变化最敏感。
3.2.2 随风速变化规律
如图6（a）和6（b）分别为测点A1和A2的顺风向和横风向加速度均方根值随风速变化曲线。顺风向加速度和横风向加速度均随风速增大而增大，当风速较小时，两者大小相近，随风速变化规律也相近；但当风速超过4 m/s时（A2测点为3.5m/s），顺风向加速度对风速增加更为敏感，逐渐大于横风向加速度。风速6m/s时，A1测点和A2测点的最大横风向加速度均方根值相近，约为0.003m/s，但顺风向加速度A2测点更大。
结论：
通过对气弹模型风洞试验结果就进行分析，可以得到以下结论：
（1） 迎风面外挂脚手架长边中心的局部位移响应的位移均值和峰值的最大值均偏离90度正迎风风向，对称出现在75度和105度风向角下，进行脚手架抗风设计验算时应予以注意。
（2） 位移响应迎风时最大，背风向时次之，横风向时最小，横风向位移最大值出现于与风向角成90度时。
（3） 同一点同一风向角变化时加速度和位移响应变化趋势不同，加速度响应在迎风时最大，横风向是次之，背风向时最小。这和位移响应背风向时大于横风向的规律相反。这说明外挂脚手架的背风区主要承受平均风荷载，脉动风荷载较小；而横风向作用区域主要承受到脉动风荷载作用。
（4） 与顺风向位移和加速度对风速变化敏感不同，在不超过6m/s风速下，模型并未发生横风向涡激共振，横风向位移和加速度随风速增加不明显。
（5） 加速度将在结构与外围护网影响下在横风向15度与165度角处出现明显大于前后风向工况且仅略小于迎风向加速度的局部最值。
参考文献：
[1]骆艳斌，徐伟，周虹，等.超高层建筑整体钢平台模板体系动力特性分析[J].建筑技术，2006，37（08）：621-623.
[2]骆艳斌，徐伟，龚剑，等.整体钢平台模板体系风振响应时程分析[J].低温建筑技术，2006，113（07）：41-43.
[3]骆艳斌.超高层建筑整体钢平台模板体系施工技术与动力性能研究[D].[博士学位论文].上海：同济大学，2006.
[4]高原，龚剑，赵传凯，等.上海中心整体钢平台系统风致响应风洞试验研究[J].建设科技，2015（3）：74-79.