李秋勝,李永貴,郅倫海

(1.湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410082;2.香港城市大學(xué)建筑系,香港九龍)

典型高層住宅建筑風(fēng)壓分布特性的試驗(yàn)研究*

李秋勝1,2?,李永貴1,郅倫海1

(1.湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410082;2.香港城市大學(xué)建筑系,香港九龍)

在大氣邊界層風(fēng)洞中對(duì)某高層住宅建筑模型進(jìn)行了風(fēng)壓分布風(fēng)洞試驗(yàn),分析了單體及受擾后建筑表面風(fēng)壓的分布特性.結(jié)果表明:凹形立面同高度處風(fēng)壓的相關(guān)性高,雙層懸挑屋檐中,上層受負(fù)風(fēng)壓控制,下層受正風(fēng)壓控制,頂部玻璃擋板也受正風(fēng)壓控制;建筑物的風(fēng)壓分布受周邊建筑及地形的干擾后產(chǎn)生較大變化,尤其是1倍于干擾物高度范圍內(nèi),脈動(dòng)風(fēng)壓的大小及分布的改變十分明顯;受擾后,建筑物的最小極小風(fēng)壓增大了28%.

高層建筑;風(fēng)干擾;風(fēng)壓分布;風(fēng)洞試驗(yàn)

隨著人們生活水平的大幅度提高,各地涌現(xiàn)出大量高品質(zhì)的住宅樓盤,這些樓盤通常具有一個(gè)共同的特點(diǎn):地理位置優(yōu)越,建筑形式獨(dú)特.而在這些樓盤中,往往會(huì)有少數(shù)幾棟特別突出,被稱之為“樓王”.

某高層住宅建筑就是“樓王”的代表之一,建筑地面以上49層,設(shè)計(jì)高度195.77m.每戶均設(shè)計(jì)有獨(dú)立的游泳池,3個(gè)立面呈“凹形”,凹入深度為11.5 m和14m,同時(shí)這3個(gè)立面上有懸挑4 m的陽(yáng)臺(tái);在建筑頂部,有上下兩層懸挑6 m的屋檐;在建筑頂部,有高5 m的玻璃欄板;以上局部位置的風(fēng)環(huán)境較復(fù)雜.該住宅建筑依山望海,周邊有近100 m高的山體,多棟高100m左右的高層建筑,2棟與該住宅建筑同高、體型類似的高層建筑,周圍高層建筑及所在地形,形成一個(gè)較復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境.為了對(duì)該住宅建筑進(jìn)行合理的抗風(fēng)設(shè)計(jì),對(duì)該建筑進(jìn)行了詳細(xì)的風(fēng)洞模型試驗(yàn)研究,所得結(jié)論可為以后類似工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心的HD-2大氣邊界層風(fēng)洞的高速試驗(yàn)段進(jìn)行.該風(fēng)洞為水平回流式,包括高速試驗(yàn)段和低速試驗(yàn)段.高速試驗(yàn)段尺寸為高2.5 m、寬3.0 m、長(zhǎng)17m,轉(zhuǎn)盤直徑為1.8 m,風(fēng)速在0～60 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào).地貌類型按國(guó)家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)[1]的B類地貌考慮,地貌粗糙度系數(shù)(指數(shù)率)α=0.16.

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯肁BS板制成的剛體模型,具有足夠的強(qiáng)度和剛度.模型與實(shí)際建筑在外形上保持幾何相似,縮尺比為1∶300.周邊模型比例也為1∶300,相對(duì)位置見圖1(3#建筑為研究對(duì)象).

圖1 模型位置及風(fēng)向角示意圖Fig.1 Model site and wind direction illustrations

為測(cè)取建筑的表面壓力,在主模型外表面上共布置了376個(gè)測(cè)點(diǎn),沿高度分12層(圖2).測(cè)點(diǎn)層A～J每層布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖3),測(cè)點(diǎn)層K,L分別布置20、16個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)層M,N布置于頂部玻璃欄板,M為外測(cè)點(diǎn),N為測(cè)點(diǎn),均為20個(gè).此外,在上下兩層懸挑屋檐上分別布置了12對(duì)雙測(cè)點(diǎn).

圖2 測(cè)點(diǎn)分層圖Fig.2 Pressure tap layers

圖3 A～J層測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Pressure tap distributions o f layer A to layer J

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分3種工況進(jìn)行,分別為單體(工況1),所有建筑(工況2),所有建筑與地形(工況3).風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),每一個(gè)風(fēng)向測(cè)量一組數(shù)據(jù),采樣頻率為333 Hz,采樣長(zhǎng)度為10 000,滿足文獻(xiàn)[2]指出的信號(hào)采樣頻率的要求.每種工況風(fēng)向角間隔均為15°,共24個(gè)風(fēng)向.風(fēng)向角定義見圖1.試驗(yàn)參考點(diǎn)高度為63.7 cm(與模型頂部同高),參考點(diǎn)控制風(fēng)速10m/s.

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理中符號(hào)約定以壓力向內(nèi)、向下(壓)為正,向外、向上(吸)為負(fù).各點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)由式(1)給出:

式中:Δcpi(t)為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓差系數(shù)時(shí)程; pui(t),pdi(t)為試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的測(cè)點(diǎn)i處上(外)、下(內(nèi))的風(fēng)壓力時(shí)程.為了簡(jiǎn)化敘述,本文均采用壓力系數(shù)cpi(t)來(lái)表示式(1)和式(2)表示的兩種情況.

式中:cpi(t)為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程;pi(t)為試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓力時(shí)程;p0和p∞分別為參考點(diǎn)處測(cè)得的平均總壓和平均靜壓.cpi(t)的平均值為平均風(fēng)壓系數(shù),cpi(t)的根方差值為脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù).對(duì)于雙側(cè)點(diǎn)位置,由上下(外內(nèi))表面對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)測(cè)出的壓力相減得到:

2 結(jié)果分析

2.1 單體情況

2.1.1 平均風(fēng)壓系數(shù)

圖4給出了A～J層測(cè)點(diǎn)在180°風(fēng)向角下平均風(fēng)壓系數(shù)的等值線圖,從圖中可看出,正面的平均風(fēng)壓系數(shù)最大為0.8,這與已有研究結(jié)果是一致的[3].從分布上看,懸挑屋檐下均出現(xiàn)了較大的正風(fēng)壓,這與懸挑屋檐改變了建筑上部的繞流有關(guān).在正面的邊緣出現(xiàn)了負(fù)壓,其大小與側(cè)面相鄰位置的平均風(fēng)壓系數(shù)相當(dāng),這主要是由于正立面邊緣測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)8,18)實(shí)際上是處于氣流分離區(qū)內(nèi)所造成的.背面平均風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律與文獻(xiàn)[3]基本上是一致的.側(cè)面的平均風(fēng)壓系數(shù)沿高度逐漸減小,這與文獻(xiàn)[3]的結(jié)論剛好相反,產(chǎn)生這種差別的主要原因是該住宅樓平面并非典型的矩形,從而導(dǎo)致氣流分流現(xiàn)象與文獻(xiàn)[3]的不一致.

2.1.2 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)

圖5給出了A～J層測(cè)點(diǎn)在180°風(fēng)向角下脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的等值線圖,從圖5可以看出,正面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.15和0.30之間,且從下往上有減小的趨勢(shì),這完全是由于來(lái)流紊流引起的.背面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在0.15和0.20之間.側(cè)面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)沿風(fēng)向從0.30逐漸減小到0.15.在迎風(fēng)面兩側(cè)的棱角處,由于氣流的分離,脈動(dòng)風(fēng)壓明顯大于其他位置.

圖4 180°風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布(工況1) (從左至右依次為南立面、東立面、西立面、北立面,下同)Fig.4 Contour of themean pressure coefficient for 180°w ind direction(Condition 1)

圖5 180°風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布(工況1)Fig.5 Contour of the fluctuating pressure coefficient for 180°wind direction(Condition 1)

2.1.3 凹形立面的風(fēng)壓分布特點(diǎn)

圖6給出了G12,G13和G14 3個(gè)測(cè)點(diǎn)之間在全風(fēng)向下的互相關(guān)系數(shù),“凹陷”立面上同高度測(cè)點(diǎn)間的相關(guān)度非常高.圖7給出了G12,G13和G14 3個(gè)測(cè)點(diǎn)在全風(fēng)向下的平均風(fēng)壓系數(shù),G12,G14的平均正風(fēng)壓系數(shù)比G13略大,平均負(fù)風(fēng)壓系數(shù)比G13略小,對(duì)于由負(fù)壓控制的幕墻設(shè)計(jì)而言,G12,G14的風(fēng)壓系數(shù)取值可以由G13確定.對(duì)凹形立面內(nèi)其他同高度的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,也能得到相同的結(jié)論.

圖6 測(cè)點(diǎn)互關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficient of pressure tap

圖7 平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison ofmean w ind p ressure coefficient

2.1.4 懸挑屋檐的風(fēng)壓分布特點(diǎn)

圖8 懸挑屋檐全風(fēng)向角下最大(最小)平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.8 M ax(M in)mean wind p ressure coefficient for all wind directions of the cantilevered roof

頂部懸挑屋檐高度相差14.19 m,圖8給出了頂部上下兩層懸挑屋檐在全風(fēng)向角下最大/最小平均風(fēng)壓系數(shù).從圖可看出,上層懸挑屋檐的負(fù)風(fēng)壓占主導(dǎo)地位,最小平均風(fēng)壓系數(shù)為-1.76,但值得注意的是,上層懸挑屋檐在角部的最大平均風(fēng)壓系數(shù)也比較大.下層懸挑屋檐的正風(fēng)壓占主導(dǎo)地位,最大平均風(fēng)壓系數(shù)為1.16,最小平均風(fēng)壓系數(shù)為-0.94.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可解釋為:當(dāng)懸挑屋檐位于來(lái)流側(cè)面或背面時(shí),上下表面均主要表現(xiàn)為負(fù)風(fēng)壓,因而懸挑屋檐上下的風(fēng)壓差不大;當(dāng)懸挑屋檐位于來(lái)流正面時(shí),氣流撞擊上下懸挑屋檐間的立面后分別向上下分離,以至于上層懸挑屋檐承受較大的負(fù)風(fēng)壓,而下層懸挑屋檐承受較大的正風(fēng)壓.(嚴(yán)格來(lái)說(shuō),上述解釋應(yīng)做流場(chǎng)顯示.)

2.1.5 玻璃擋板的風(fēng)壓分布特點(diǎn)

圖9給出了頂部玻璃擋板在全風(fēng)向角下最大/最小平均風(fēng)壓系數(shù).從圖中可看出,玻璃擋板的正風(fēng)壓占主導(dǎo)地位,最大平均風(fēng)壓系數(shù)為1.73,最小平均風(fēng)壓系數(shù)為-0.69.圖10給出了M 19,N19測(cè)點(diǎn)(此兩測(cè)點(diǎn)為北立面中間外、內(nèi)測(cè)點(diǎn))在全風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù),從圖中可看出:由于來(lái)流風(fēng)在建筑頂部的繞流,內(nèi)測(cè)點(diǎn)在全風(fēng)向角下均為負(fù)壓,外測(cè)點(diǎn)在正面來(lái)流時(shí)為正壓,側(cè)面和背面來(lái)流時(shí)為負(fù)壓.因而外內(nèi)壓差在正面來(lái)流時(shí)為正風(fēng)壓,側(cè)面和背面來(lái)流時(shí)為負(fù)風(fēng)壓.全風(fēng)向角下,正風(fēng)壓為頂部玻璃擋板的控制風(fēng)壓.

圖9 玻璃擋板全風(fēng)向角下最大(最小)平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 M ax(M in)mean w ind p ressure coefficient for allwind directions of the glass tailgate

圖10 平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.10 Mean wind p ressure coefficient

2.2 干擾現(xiàn)象

復(fù)雜建筑群體間的風(fēng)干擾效應(yīng)是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4],目前干擾問(wèn)題的研究主要針對(duì)總體荷載及其動(dòng)靜態(tài)響應(yīng),以結(jié)構(gòu)局部的風(fēng)壓系數(shù)為目標(biāo)的干擾問(wèn)題的研究在一定程度上可能更加復(fù)雜,所以目前以結(jié)構(gòu)局部的風(fēng)壓系數(shù)為目標(biāo)的干擾問(wèn)題的研究主要是結(jié)合實(shí)際工程背景進(jìn)行的[5-8].

2.2.1 地形及周邊建筑干擾對(duì)風(fēng)壓分布的影響

圖11 180°風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布(工況2)Fig.11 Contour of themean p ressure coefficient for 180°wind direction(Condition 2)

圖12 180°風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布(工況2)Fig.12 Contour of the fluctuating pressure coefficient for 180°wind direction(Condition 2)

圖11～圖14分別為工況2和工況3在180°風(fēng)向角下各立面平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的等值線圖.工況2,南立面平均風(fēng)壓系數(shù)比工況1明顯增大,且西側(cè)的負(fù)風(fēng)壓明顯減小,西立面平均風(fēng)壓系數(shù)與工況1有所不同,數(shù)值也略微減小;南立面東側(cè)下部的負(fù)風(fēng)壓明顯減小,上部也有所減小,而東立面的平均風(fēng)壓分布及數(shù)值較工況1均有較大差別;北立面的平均風(fēng)壓分布已不再對(duì)稱,且負(fù)壓較工況1有所增大.上述現(xiàn)象的出現(xiàn)就是由周邊建筑的干擾所引起的,由于該住宅樓與東西側(cè)建筑間距很小,以至于氣流在立面棱角處分離后相互擠壓,導(dǎo)致迎風(fēng)面正風(fēng)壓區(qū)域擴(kuò)大,正風(fēng)壓增大,負(fù)壓減小;東西立面負(fù)壓值沒有太大改變,反應(yīng)出東西側(cè)面處的風(fēng)速并沒有出現(xiàn)明顯的放大效應(yīng),這可能是由于下游建筑的堵塞引起的.至于北立面平均風(fēng)壓分布的不對(duì)稱現(xiàn)象,則完全是由于周邊建筑的不對(duì)稱所引起的.工況2各立面的脈動(dòng)風(fēng)壓分布與工況1均有較大不同,在建筑迎風(fēng)面棱角處的數(shù)值明顯增大,多個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)超過(guò)0.5.工況3,增加山體后,由于山體遮擋,南立面下部出現(xiàn)負(fù)風(fēng)壓,而上部的正壓較工況2而有所減少,這主要是由于山體坡度對(duì)來(lái)流路徑的影響所造成的.從各工況的對(duì)比結(jié)果還可看出,該住宅樓的風(fēng)壓分布在周邊建筑及地形2倍高度范圍內(nèi)均受到影響,在周邊建筑及地形1倍高度范圍內(nèi),脈動(dòng)風(fēng)壓改變較大.

圖13 180°風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布(工況3)Fig.13 Contour o f themean p ressure coefficient for 180°wind direction(Condition 3)

圖14 180°風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布(工況3)Fig.14 Contour of the fluctuating p ressure coefficient for 180°w ind direction(Condition 3)

2.2.2 不同工況最小極小風(fēng)壓系數(shù)比較

對(duì)于幕墻設(shè)計(jì)而言,通常關(guān)心的是峰值負(fù)壓.為進(jìn)一步量化周邊建筑及地形對(duì)該住宅樓風(fēng)壓分布的影響,借用“遮擋因子”來(lái)衡量這種影響并定義遮擋因子SF為:

式中:Cp m in,Cp0m in分別為有干擾和無(wú)干擾時(shí)的最小峰值風(fēng)壓系數(shù),按式(4)計(jì)算:

表1 遮擋因子Tab.1 Shielding factor(SF)

3 結(jié) 論

以結(jié)構(gòu)局部的風(fēng)壓系數(shù)為目標(biāo)的干擾問(wèn)題是相當(dāng)復(fù)雜的,因此在受擾后,本文只具體分析了一個(gè)風(fēng)向角下該樓各立面風(fēng)壓分布的變化;而在分析SF時(shí),是分區(qū)域后全風(fēng)向考慮的.通過(guò)本文研究得到以下結(jié)論:

1)單體情況下,凹形立面內(nèi)同高度處的風(fēng)壓相關(guān)性高.

2)雙層懸挑屋檐中,上層受負(fù)壓控制,下層受正壓控制;頂部玻璃擋板受正壓控制.

3)主體建筑受擾后,風(fēng)壓分布在兩倍于干擾物的高度范圍均有改變,在一倍于干擾物的高度范圍內(nèi)的改變較大.

4)上風(fēng)向周邊建筑對(duì)主體建筑風(fēng)壓的干擾效應(yīng)明顯,主體建筑尾流受到周邊建筑干擾時(shí)也會(huì)對(duì)風(fēng)壓分布造成影響,但干擾效應(yīng)相對(duì)較小.

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50009-2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

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Experimental Investigation of the W ind Pressure Distributions on a Typical Tall Residential Building

LIQiu-sheng1,2?,LI Yong-gui1,ZH ILun-hai1

(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of M inistry o f Education,Hunan Univ,Changsha, Hunan 410082,China;2.City Univ of H ong Kong,Kow loom,Hong Kong,China)

A detailed testo f thewind p ressure distribution of a tall residential buildingw as carried out in a Boundary LayerWind Tunnel.Thew ind pressure distributionson the building were investigated.The resultshave shown that the correlationsof wind pressureson the concave surface are very high at the same height.For the design of the double cantilevered roof,the upper is controlled by negative w ind p ressure and the low er by positive wind pressure.The glass tailgate at the top of the building is also controlled by positive wind pressure.The wind pressure distributions of the building are changed m ore noticeably if the surrounding buildings and topography exist.Especially under the height of the disruptors,the change of fluctuating wind pressure is significant.The min peak wind pressure has an increase of 28%when the building is disturbed.

tallbuilding;w ind interference;w ind pressure distribution;wind tunnel test

TU 973

A

1674-2974(2011)04-0014-06 *

2010-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(90815030);“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAJ03B04-02)

李秋勝(1962-),男,湖南永州人,教育部長(zhǎng)江學(xué)者講座教授,博士

?通訊聯(lián)系人,E-mail:b cqsli@cityu.edu.hk