王利民 岳克璽 方小文

(1.安徽高速公路房地產有限責任公司，安徽 合肥 230001; 2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

在超高層建筑的設計中，對側向荷載的分析十分重要，其中，風荷載作為主要的側向荷載之一，其對結構作用的分析是十分重要的一個方面，因處理不當造成的結構破壞事故時有發(fā)生[1]。由于實際超高層建筑周圍的建筑會與其形成復雜風場，我國現行《建筑結構荷載規(guī)范》尚不能涵蓋該類建筑，因此需要通過風洞模型試驗來確定作用在其上的風荷載，并對其風致振動特性進行研究。此外，在實際受風荷載作用時，建筑表面的風壓分布具體數值十分復雜，尤其是當結構本身體型復雜時，僅靠既有規(guī)范很難確定其合理取值。因此，剛性模型風洞模擬試驗測試具有重要的意義，可以為結構設計提供重大的參考價值[2]。

本文基于一實際超高層建筑的剛體模型風洞測壓試驗數據，分析了24個風向角下該建筑各區(qū)段的層體型系數，為這一類高層建筑的結構風荷載設計提供參考。

1 工程概況

安徽高速公路房地產有限責任公司開發(fā)的高速·濱湖時代廣場項C-01地塊C1號樓，建筑高度240 m，功能為五星級酒店、辦公、商業(yè)。該建筑造型獨特，立面新穎。在北立面由若干個挑空層數較多的空中花園組成，見圖1。C1號與180 m高的C2號相距約75 m，與C3號～C8號各高層相距也較近，風作用下，C1號與C2號周圍會形成復雜風場，因此，需要通過風洞模型試驗來確定作用在C1號上的風荷載。

2 風洞試驗

2.1 試驗方案

本實驗涉及的測壓試驗風向角范圍為0°～360°，每15°設置一個實驗風向角，共24個。根據結構的環(huán)境參數和試驗的具體條件，在參考點高度處風速取為11 m/s。試驗時，在每個風向角下，對每個測點記錄6 000個風壓時域信號數據，采樣頻率為312.5 Hz，即19.2 s。其中，試驗設計的風壓或者風荷載都是垂直于建筑物表面的法線方向，風壓值的符號約定為：所有外表面受壓力為正，受吸力為負[3]。

2.2 風洞設備及測量系統(tǒng)

合肥高速·濱湖時代廣場項目剛體模型風洞試驗，本次試驗的實際場地為同濟大學土木工程防災國家重點實驗室風洞實驗室，采用的是該實驗室的TJ-3大氣邊界層風洞，如圖2所示。其為閉口豎向回流式低速風洞，可實現風速在1.0 m/s～17.6 m/s的范圍內無極調整，速度不均勻性、湍流度均小于2%，平均氣流偏角小于0.2°，具有優(yōu)秀的流暢性。

本次試驗的試驗段尺寸為15 m寬、2 m高、14 m長，共采用兩套測量系統(tǒng)，風速測量系統(tǒng)和風壓測量、數據采集與處理系統(tǒng)。

2.3 試驗模型概括及測點布置

本實驗采用縮尺比為1/200的剛體模型。為了保證試驗的精確度，采用有機玻璃材料制成，其同時具有較高的強度和剛度，經驗證可以在11 m/s的試驗風速下不發(fā)生明顯的變形或振動，可以保證各測點高精度的壓力測量。試驗時直徑為6.6 m的轉盤中心放置模型，不同風向通過旋轉轉盤來模擬實現。C1塔樓風壓試驗模型表面共布置了550個測點，試驗前經仔細檢查，上述測點全部有效。

2.4 模擬大氣邊界層風場

在進行建筑模型的側壓風洞試驗時，將大氣邊界層風場在風洞中模擬是十分重要的內容[5]，需模擬出大氣邊界層紊流風場來進行，并且確定模擬風場的類型需要根據建筑物上游2 km范圍的地形地貌確定?？紤]到合肥高速·濱湖時代廣場項目地處安徽合肥市市區(qū)，采用C類地貌風場，采用尖披加粗糙元的大氣邊界風洞模擬方法。

2.5 風洞中的參考點位置

設置參考點時，需要在盡可能離風洞壁邊界足夠遠的情況下考慮在風洞中如何不受建筑模型影響，并在該處設置一根皮托管來測量參考點風壓，用于計算各測點上的無量綱風壓系數，此系數與參考點高度有關但與試驗風速無關。試驗參考點位于模型轉盤中心與風洞側壁之間，高1.0 m處，該高度對應實際高度為200 m，見圖3。

3 試驗結果分析

3.1 各測點在不同風向角下的平均風壓系數

以無量綱的壓力系數Cpi,r表示表面的壓力為：

其中，Cpi,r為測點i處的壓力系數;pi為作用在測點i處的壓力;Pr0為試驗時參考高度處的總壓;prs為試驗時參考高度處的靜壓;Ur為參考點處的平均風速。

并且，以此可以表示各測點內外表面同步測量的各對凈壓力系數：

其中，piu為作用在測點i處的外表面壓力;pid為作用在測點i處的內表面壓力。

之后，將所有直接測得的風壓系數換算成與地貌無關的梯度風風壓為參考的風壓系數，以消除參考點高度和梯度風高度不同的影響，用Cp表示：

Cp=(zr/HG)2αCp,r

(3)

其中，HG為各類地貌所對應的梯度風高度(即大氣邊界層高度);α為反映各類地貌地面粗糙度特性的平均風速分布冪指數。

本次試驗按照C類地貌標準，取HG=400 m,α=0.22，故:

Cp=(200/400)0.44Cp,r=0.737 1Cp,r

(4)

此處的Cp可視作平均風壓系數、極大或極小風壓系數。

3.2 各測點在不同風向角下的體型系數和層體型系數

為適應GB 50009—2012建筑結構荷載規(guī)范對于體型系數的定義，前文中所得的平均風壓體型系數需根據式(5)換算：

ω=βzμsμzω0,R

(5)

其中，βz為高度z處的風振系數(本試驗未涉及)；μs是風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數，ω0,R為基于C類風場的R年重現期，10 m高度處、10 min平均的基本風壓，隨重現期的不同取不同的值(下標R代表重現期，取為50年和100年)。根據實際場地條件，對應于50年重現期和100年重現期：ω0,50=0.40 kPa，ω0,100=0.45 kPa。

各測點相應的點體型系數μsi根據不同高度z處的各測點測得的平均風壓系數由下式換算得到：

(6)

為了分析最不利風向和其對應的風荷載，需對試驗數據簡化處理。本次試驗中，將建筑表面沿高度方向劃分出幾個區(qū)段，并以下式分別計算每個區(qū)段X方向和Y方向上的層體型系數：

(7)

(8)

其中，nX，nY分別為壓力矢量在X和Y方向的方向余弦;DX，DY分別為X和Y方向上分斷層截面的參考長度;n為測壓層的測點總數。

根據上述公式，可以得到24個風向角下C1塔樓各區(qū)段的層體型系數，見圖4,圖5。

4 結語

1)通過風洞試驗可以看出，C1塔樓層體型系數在各區(qū)段X方向上隨風向角的改變而改變，隨建筑高度的升高而減小，在315°風向角下層體型系數最大為2.009。

2)C1塔樓層體型系數在各區(qū)段Y方向上也隨風向角的改變而改變，在大部分風向角下隨建筑高度的改變變化不大，在15°風向角下層體型系數最大為-2.180。

3)相同風向角下Y方向上層體型系數比X方向上層體型系數大。