陳伏彬 李秋勝

摘要：在大氣邊界層風(fēng)洞中開(kāi)展了在0.5H和0.85H高度設(shè)置洞口的高層建筑剛性模型測(cè)力試驗(yàn)，獲得不同洞口尺寸、高度、位置以及數(shù)量時(shí)的高層建筑風(fēng)致基底反力.從基底彎矩系數(shù)和基底一階廣義氣動(dòng)力譜研究了不同洞口設(shè)置對(duì)高層建筑風(fēng)效應(yīng)的影響.研究結(jié)果表明：1）順風(fēng)向開(kāi)洞能有效地降低順風(fēng)向基底平均彎矩，并且上部開(kāi)洞效果優(yōu)于下部開(kāi)洞，開(kāi)洞率越大效果越明顯；橫向基底平均彎矩比較小，大開(kāi)洞提高基底橫向平均彎矩，小開(kāi)洞則相反；開(kāi)洞對(duì)橫風(fēng)向與順風(fēng)向的基底脈動(dòng)彎矩都有較大影響.2）不管是大開(kāi)洞還是小開(kāi)洞，在折算頻率約為0.12位置處，均出現(xiàn)了與旋渦脫落頻率相近的窄帶峰值，且不同工況下，低頻段的功率譜值差異略大于高頻段.

關(guān)鍵詞：開(kāi)洞；高層建筑；風(fēng)效應(yīng)；風(fēng)洞試驗(yàn)；高頻測(cè)力天平

中圖分類(lèi)號(hào)：TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市建造了大量地標(biāo)性的超高層建筑.隨著建筑造型的不斷豐富，到目前為止也建設(shè)了不少開(kāi)設(shè)洞口的超高層建筑.如：日本NEC大廈在建筑物中部13～15層設(shè)置了一個(gè)44.6 m×12.6 m大的洞口＼[1＼]；我國(guó)上海的環(huán)球金融中心在頂部設(shè)置了一個(gè)大梯形孔（上邊長(zhǎng)約172 m，下邊長(zhǎng)約135 m，高約120 m）＼[2＼]；廣州珠江城煙草大廈在兩個(gè)設(shè)備層位置設(shè)置了4個(gè)洞口，并安裝了風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于發(fā)電＼[3＼].對(duì)于超高層建筑而言，風(fēng)荷載是其主要的控制荷載，現(xiàn)有的荷載規(guī)范不能完全給出合適的風(fēng)荷載條件，因此對(duì)于超高層建筑的風(fēng)荷載特性的研究就尤顯重要.超高層建筑在不同的風(fēng)場(chǎng)條件的風(fēng)致荷載及其響應(yīng)有較大差異＼[4＼]，一般可通過(guò)改變建筑造型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算來(lái)提高其抗風(fēng)性能＼[5＼].

超高層建筑中開(kāi)設(shè)洞口的目的各異，有的是為了建筑造型＼[1-2＼]，有的是為了節(jié)能與風(fēng)力發(fā)電＼[3＼].但洞口設(shè)置的位置、大小、高度等都可能對(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)致荷載產(chǎn)生影響.Kwok等＼[6＼]針對(duì)立面開(kāi)洞的CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，指出水平雙向開(kāi)洞能夠顯著減小建筑順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng).Kikitsu等＼[7＼]進(jìn)行的減少高層建筑氣動(dòng)力響應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明：開(kāi)洞在一定范圍內(nèi)能顯著改變高層建筑的氣動(dòng)力特征；合理開(kāi)洞可以有效降低結(jié)構(gòu)在一定風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)致氣動(dòng)力響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的臨界風(fēng)速，避免結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中發(fā)生風(fēng)致失穩(wěn)振動(dòng).張耀春等＼[8-10＼]通過(guò)數(shù)值模擬＼[8＼]和風(fēng)洞試驗(yàn)＼[9-10＼]對(duì)開(kāi)洞高層建筑的靜力風(fēng)荷載進(jìn)行系統(tǒng)的研究，指出當(dāng)風(fēng)向與開(kāi)洞方向平行時(shí)，結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載降低，但局部風(fēng)壓較大，將洞口開(kāi)在建筑物上部對(duì)減小風(fēng)荷載最為有利.李秋勝等 ＼[11-13＼]以廣州煙草大廈為研究背景，研究了洞口中設(shè)置風(fēng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響以及通過(guò)設(shè)置洞口進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的可行性，研究結(jié)果表明：風(fēng)機(jī)的存在能增加基底反力；洞口具有風(fēng)速放大的作用，其對(duì)風(fēng)力發(fā)電是有利的.

本文以自行設(shè)計(jì)的2棟超高層開(kāi)洞建筑（截面邊長(zhǎng)為36 m×36 m，高180 m）為研究對(duì)象，在邊界層風(fēng)洞中開(kāi)展測(cè)力試驗(yàn)，研究不同開(kāi)洞位置及開(kāi)洞率對(duì)結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載的影響.

1試驗(yàn)介紹

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

兩個(gè)測(cè)力模型實(shí)際結(jié)構(gòu)截面：長(zhǎng)36 m， 寬36 m， 高180 m，其高寬比為5.在模型0.5H以及0.85H高度處的4個(gè)側(cè)面分別開(kāi)設(shè)洞口，洞口相互連通.模型采用輕質(zhì)航空木板以及泡沫塑料填充制成，幾何縮尺比為1∶300.模型1（M1）為大開(kāi)洞，洞口尺寸為12 m×12 m；模型2（M2）為小開(kāi)洞，洞口尺寸為6 m×6 m.模型幾何參數(shù)如圖1所示.通過(guò)對(duì)洞口進(jìn)行封堵可實(shí)現(xiàn)不同側(cè)面上的開(kāi)洞工況.

本文以自行設(shè)計(jì)的2棟超高層開(kāi)洞建筑（截面邊長(zhǎng)為36 m×36 m，高180 m）為研究對(duì)象，在邊界層風(fēng)洞中開(kāi)展測(cè)力試驗(yàn)，研究不同開(kāi)洞位置及開(kāi)洞率對(duì)結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載的影響.

1試驗(yàn)介紹

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

兩個(gè)測(cè)力模型實(shí)際結(jié)構(gòu)截面：長(zhǎng)36 m， 寬36 m， 高180 m，其高寬比為5.在模型0.5H以及0.85H高度處的4個(gè)側(cè)面分別開(kāi)設(shè)洞口，洞口相互連通.模型采用輕質(zhì)航空木板以及泡沫塑料填充制成，幾何縮尺比為1∶300.模型1（M1）為大開(kāi)洞，洞口尺寸為12 m×12 m；模型2（M2）為小開(kāi)洞，洞口尺寸為6 m×6 m.模型幾何參數(shù)如圖1所示.通過(guò)對(duì)洞口進(jìn)行封堵可實(shí)現(xiàn)不同側(cè)面上的開(kāi)洞工況.

1.2風(fēng)場(chǎng)條件

測(cè)力試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD2邊界層風(fēng)洞高速試驗(yàn)段進(jìn)行.地貌類(lèi)型按國(guó)家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）＼[14＼]中規(guī)定的B類(lèi)地貌考慮，地貌粗糙度系數(shù)（指數(shù)律）α=0.16.在試驗(yàn)之前，首先以二元尖塔、擋板及粗糙元來(lái)模擬B類(lèi)地貌的風(fēng)剖面、湍流度剖面分布以及參考點(diǎn)高度處來(lái)流順風(fēng)向歸一化功率譜，如圖2所示.參考點(diǎn)設(shè)置在前方不受擾動(dòng)且與目標(biāo)建筑物等高的位置處（即60 cm高度處），參考點(diǎn)風(fēng)速為7.7 m/s.1.3試驗(yàn)工況

在兩個(gè)測(cè)力模型上通過(guò)對(duì)洞口的封堵，實(shí)現(xiàn)了超高層建筑未開(kāi)洞（全封閉）、上部開(kāi)洞、下部開(kāi)洞、全開(kāi)洞等14種工況.各種測(cè)力試驗(yàn)工況匯總?cè)绫?所示.

2.1彎矩系數(shù)

根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)力天平原理，天平獲得的基底彎矩就是模型的一階廣義風(fēng)荷載.試驗(yàn)中獲得的基底彎矩平均分量與脈動(dòng)分量分別記為x， y和x， y.則其平均風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載下的無(wú)量綱彎矩系數(shù)CmMx，CmMy和CrMx，CrMy分別定義如下：

CmMx=xρU2HBH2/2，CmMy=yρU2HBH2/2；（1）

CrMx=xρU2HBH2/2，CrMy=yρU2HBH2/2.（2）

式中：B和H分別是模型迎風(fēng)面的寬度和高度；UH是模型頂部高度處的平均風(fēng)速.表2～表5列出了不同開(kāi)洞工況下無(wú)量綱基底彎矩系數(shù).

表2基底順風(fēng)向平均彎矩系數(shù)

Tab.2Basement mean bending moment coefficients

at alongwind direction

從表2可以看出，全封閉工況下基底平均彎矩系數(shù)為0.749；順風(fēng)向側(cè)面大開(kāi)洞明顯降低了順風(fēng)向的基底彎矩，3種工況下降幅為10.8%～14.5%，開(kāi)洞率越大其降幅越大，且上部開(kāi)洞略高于下部開(kāi)洞；順風(fēng)向小開(kāi)洞也有與大開(kāi)洞相同的趨勢(shì)，但是其降幅較小，約為3%～4%.從表2亦可發(fā)現(xiàn)，橫風(fēng)向側(cè)面開(kāi)洞亦影響到順風(fēng)向基底彎矩，大開(kāi)洞使得基底平均彎矩有所增大，然而小開(kāi)洞使得其有一定減??；橫向開(kāi)洞率越大，對(duì)順向基底平均彎矩影響也越大，且上部開(kāi)洞效果更為明顯.

從表3可以看出，基底橫風(fēng)向平均彎矩遠(yuǎn)小于順風(fēng)向基底平均彎矩，這主要是因?yàn)樽饔糜趥?cè)面上的風(fēng)荷載主要是由于氣流的分離引起的，而順風(fēng)向風(fēng)荷載則是由于迎風(fēng)面空氣顆粒直接撞擊建筑物表面和背風(fēng)面空氣尾流引起的；開(kāi)洞率越大對(duì)橫風(fēng)向平均風(fēng)載的影響越大；大開(kāi)洞情況下提高了基底橫向平均彎矩系數(shù)，且順風(fēng)向開(kāi)洞更明顯于橫向開(kāi)洞；不管是何種小開(kāi)洞情況，均降低了橫風(fēng)向平均基底彎矩，但基本是保持同一水平.

從表4與表5可以看出，不管是大開(kāi)洞還是小開(kāi)洞工況，開(kāi)洞均提高了順風(fēng)向基底脈動(dòng)彎矩系數(shù)，提高的幅度基本相當(dāng)；開(kāi)洞對(duì)基底橫風(fēng)向脈動(dòng)彎矩影響較大，特別是橫風(fēng)向上下部開(kāi)大洞工況.

2.2橫風(fēng)向基底一階廣義氣動(dòng)力譜

本節(jié)討論模型橫風(fēng)向基底一階廣義氣動(dòng)力功率譜，分析中采用歸一化的基底彎矩功率譜密度.橫坐標(biāo)為無(wú)量綱頻率fB/UH（其中，B為模型迎風(fēng)面寬度，UH為模型頂部風(fēng)速），縱坐標(biāo)為無(wú)量綱功率譜密度f(wàn)SM（f）/σ2M（其中，SM（f）為基底彎矩功率譜密度，σM為基底彎矩根方差）.

圖3與圖4分別給出了大開(kāi)洞與小開(kāi)洞各工況下橫風(fēng)向基底一階廣義氣動(dòng)力譜.從圖3與圖4可以看出，在折算頻率約為0.12位置處，各種工況下均出現(xiàn)了與旋渦脫落頻率相近的窄帶峰值；在低頻段（折算頻率小于0.12），歸一化功率譜值隨著開(kāi)洞工況的不同有較為明顯的差異，而在高頻段（折算頻率大于0.12），其值差異較小.

為了更好地比較相同開(kāi)洞率下不同開(kāi)洞形式對(duì)橫向基底彎矩的影響，圖5給出了4種開(kāi)洞率下的橫風(fēng)向基底一階廣義氣動(dòng)力譜.從圖5可以看出開(kāi)洞率越大，開(kāi)洞形式對(duì)基底氣動(dòng)力譜影響也越大；在低頻段（折算頻率小于0.12）橫風(fēng)向開(kāi)洞能使橫向風(fēng)載能量更為集中，即其峰值尖峰更為突兀；而對(duì)于高頻段能量較為相近.

2.3順風(fēng)向基底一階廣義氣動(dòng)力譜

研究表明，橫風(fēng)向氣動(dòng)力主要是與旋渦脫落、再附有關(guān)，順風(fēng)向氣動(dòng)力主要是來(lái)自來(lái)流空氣微粒的撞擊與尾流引起，其氣動(dòng)力譜和來(lái)流的脈動(dòng)風(fēng)速譜較為相近.從上節(jié)對(duì)基底橫風(fēng)向平均彎矩系數(shù)分析可知，單個(gè)洞口的大小對(duì)橫風(fēng)向基底平均彎矩影響較大，故本節(jié)選取大開(kāi)洞與小開(kāi)洞的最大開(kāi)洞率時(shí)的工況為研究對(duì)象，分析不同洞口朝向?qū)橈L(fēng)向基底一階廣義氣動(dòng)力譜的影響.

圖6分別給出2種開(kāi)洞率下與全封閉工況（工況L7，S7） 的基底氣動(dòng)力譜.從圖6可以看出，順風(fēng)向基底彎矩功率譜較為平坦，且與來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)速譜較為相似；順風(fēng)向開(kāi)洞對(duì)降低順風(fēng)向基底彎矩更為明顯，且開(kāi)洞率越大其降幅越明顯.

3結(jié)論

本文針對(duì)2個(gè)在0.5H和0.85H高度開(kāi)設(shè)洞口的超高層模型開(kāi)展動(dòng)態(tài)測(cè)力試驗(yàn)研究，分析了洞口對(duì)基底彎矩系數(shù)與基底一階廣義氣動(dòng)力譜的影響，得出以下結(jié)論：

1） 測(cè)力試驗(yàn)表明，順風(fēng)向開(kāi)洞能有效地降低順風(fēng)向基底平均彎矩，并且上部開(kāi)洞優(yōu)于下部開(kāi)洞，開(kāi)洞率越大效果越明顯；橫風(fēng)向基底平均彎矩比較小，大開(kāi)洞可提高基底橫向平均彎矩，小開(kāi)洞的結(jié)果則相反.

2）開(kāi)洞對(duì)橫風(fēng)向與順風(fēng)向的基底脈動(dòng)彎矩都有較大影響，特別是開(kāi)洞率比較大的情況.

3）不管是大開(kāi)洞還是小開(kāi)洞，在折算頻率約為0.12位置處，均出現(xiàn)了與旋渦脫落頻率相近的窄帶峰值，且不同工況下，低頻段的功率譜值差異略大于高頻段.

4）開(kāi)洞率對(duì)基底橫風(fēng)向能量分布影響較大，順風(fēng)向基底彎矩功率譜較為平坦，且與來(lái)流脈動(dòng)風(fēng)速譜較為相似；順風(fēng)向開(kāi)洞對(duì)降低順風(fēng)向基底彎矩更為明顯，且開(kāi)洞率越大其降幅越明顯.

5）由于高層建筑風(fēng)效應(yīng)與其高寬比、邊長(zhǎng)比密切相關(guān)，本文針對(duì)高寬比為5的方形高層建筑在開(kāi)洞情況下的荷載效應(yīng)屬于其中一個(gè)特例，相關(guān)內(nèi)容仍需要開(kāi)展大量的研究工作，本文的研究方法可為其他類(lèi)似開(kāi)洞建筑的設(shè)計(jì)提供參考.

參考文獻(xiàn)[1]趙西安. 高層建筑結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)＼[M＼].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996：160-176.

ZHAO Xian. New design of highrise building structure＼[M＼]. Beijing： China Environmental Sciences Press，1996：160-176.（In Chinese）

＼[2＼]黃東梅，朱樂(lè)東. 超高層建筑層風(fēng)力空間相關(guān)性數(shù)學(xué)模型——綜合分析法＼[J＼]. 土木工程學(xué)報(bào)，2009， 42（8）：26-36.

HUANG Dongmei， ZHU Ledong. Mathematical model of spatial correlation of wind pressure coefficients for supertall buildings： comprehensive analysis method＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2009， 42（8）：26-36. （In Chinese）

＼[3＼]李秋勝，李永貴，陳伏彬，等.風(fēng)能發(fā)電在超高層建筑中的應(yīng)用研究＼[C＼]// 第十四屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2009：801-805.

LI Qiusheng， LI Yonggui， CHEN Fubin， et al. Feasibility study of wind power： generation on supertall building[C]//Proceedings of the 14th Chinese Conference of Structure Wind Engineering.Beijing： China Civil Engineering Society， 2009：801-805 （In Chinese）

＼[4＼]李毅，李秋勝. 基于風(fēng)致響應(yīng)的高層建筑等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化設(shè)計(jì)研究＼[J＼]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（4）：26-31.

LI Yi， LI Qiusheng. Windinduced response based equivalent static wind load optimum design for tall building＼[J＼]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2013， 40（4）：26-31. （In Chinese）

＼[5＼]李正農(nóng)，郝艷峰，劉申會(huì). 不同風(fēng)場(chǎng)下高層建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究＼[J＼]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，40（7）：9-15.

LI Zhengnong， HAO Yanfeng， LIU Shenhui. Wind tunnel test of tall building wind effect in different geomorphologic terrain categories＼[J＼]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2013， 40（7）：9-15. （In Chinese）

＼[6＼]KWOK K C S， WILHELM P A， WILKIE B G. Effect of edge configuration on wind induced response of tall buildings＼[J＼]. Engineering Structure， 1988， 10（2）： 135-140.

＼[7＼]KIKITSU H， OKADA H. Open passage design of tall buildings for reducing aerodynamics response ＼[C＼]//Wind Engineering into the 21st Century. Larose： Larose and Livesey Press， 1999：667-672.

＼[8＼]張耀春， 秦云， 王春剛. 洞口設(shè)置對(duì)高層建筑靜力風(fēng)荷載的影響研究＼[J＼]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2004， 25（4）：112-117.

ZHANG Yaochun， QIN Yun， WANG Chungang. Research on the influence of openings to static wind load of highrise buildings＼[J＼]. Journal of Building Structures， 2004， 25（4）：112-117. （In Chinese）

＼[9＼]王春剛， 張耀春， 秦云. 巨型高層開(kāi)洞建筑剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究＼[J＼]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2004，36（11）： 1431-1434.

WANG Chungang， ZHANG Yaochun， QIN Yun. Wind tunnel tests study on mega tall buildings with opening rigidity models＼[J＼]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2004，36（11）： 1431-1434. （In Chinese）

＼[10＼]張耀春， 倪振華， 王春剛，等. 高層開(kāi)洞建筑測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)＼[J＼]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2006， 36（2）： 86-89.

ZHANG Yaochun， NI Zhenhua， WANG Chungang， et al. Wind tunnel measuring pressure tests of tall buildings with opening＼[J＼]. Building Structures， 2006， 36（2）： 86-89. （In Chinese）

＼[11＼]李秋勝，李永貴，陳伏彬，等. 超高層建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)能發(fā)電的應(yīng)用研究＼[J＼]. 土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（7）：29-36.

LI Qiusheng， LI Yonggui， CHEN Fubin， et al. Wind loading on a super tall building and feasible study on wind power generation＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2011，44（7）：29-36. （In Chinese）

＼[12＼]李秋勝，陳伏彬，黃生洪，等. 超高層建筑上實(shí)施風(fēng)力發(fā)電可行性研究＼[J＼]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2012，45（9）：11-18.

LI Qiusheng， CHEN Fubin， HUANG Shenghong， et al. Feasibility investigations on wind power generation on top of supertall buildings＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2012，45（9）：11-18. （In Chinese）

＼[13＼]陳伏彬，李秋勝，趙松林. 新型超高層節(jié)能建筑抗風(fēng)研究＼[J＼]. 地震工程與工程振動(dòng)，2012， 32（3）：150-156.

CHEN Fubin， LI Qiusheng， ZHAO Songlin. Investigation on windresistant design of new supertall energysaving building＼[J＼]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2012， 32（3）： 150-156. （In Chinese）

＼[14＼]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，2002：24-27.

GB 50009—2001 Load code for the design of building structures＼[S＼]. Beijing：China Architecture & Building Press， 2002：24-27. （In Chinese）