洪海波，余先鋒

（1、中新廣州知識(shí)城投資開發(fā)有限公司 廣州 510555；2、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510641）

0 引言

隨著施工技術(shù)的進(jìn)步以及設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，現(xiàn)代建筑正朝著越來越高、越來越柔的方向發(fā)展，導(dǎo)致這類建筑的自振頻率較低，甚至與風(fēng)的卓越頻率接近［1］，其對(duì)風(fēng)荷載極為敏感，因此風(fēng)荷載往往成為超高層建筑設(shè)計(jì)的控制荷載之一。

此外，高層建筑功能要求日益增長，高層建筑體型逐漸復(fù)雜化、異形化。對(duì)于一般體型截面的高層建筑，可依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［2］相關(guān)規(guī)定對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，然而對(duì)于體型復(fù)雜截面超高層建筑（如Y 型截面），現(xiàn)有荷載規(guī)范已不能滿足其設(shè)計(jì)需求，此時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)是獲取此類建筑風(fēng)荷載的有效手段之一［3-10］。

文中對(duì)廣州某330.0 m 高的Y 型截面超高層建筑開展剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)研究建筑表面風(fēng)壓分布特征，為類似超高層建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

風(fēng)洞試驗(yàn)在華南理工大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。該風(fēng)洞為單試驗(yàn)段回流型，試驗(yàn)段尺寸為長24.0 m、寬5.4 m、高3.0 m，最大試驗(yàn)風(fēng)速可達(dá)30 m/s。

測(cè)壓模型以剛性材料制成，幾何縮尺比為1∶400。根據(jù)試驗(yàn)建筑體型和試驗(yàn)要求，在塔樓模型表面沿高度方向布置了14 層測(cè)點(diǎn)，本文中，對(duì)建筑的3 個(gè)立面分別編號(hào)為A、B 和C，如圖1 所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)4.0 m直徑的轉(zhuǎn)盤上，如圖2所示。

圖1 各立面測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of Pressure Taps in Each Facade

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Wind Tunnel Test Model

據(jù)地形分析結(jié)果，各氣象風(fēng)向角下均為C 類地貌。試驗(yàn)中以330.0 m 作為參考高度，按縮尺比1/400在風(fēng)洞中對(duì)應(yīng)的參考高度為82.5 cm。試驗(yàn)段內(nèi)以二元尖塔、擋板及粗糙元分別在轉(zhuǎn)盤模型區(qū)模擬出C 類地貌的平均風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度分布，如圖3所示，由圖3可知模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［2］結(jié)果吻合良好。

圖3 風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.3 Wind Field Simulation Results

風(fēng)洞試驗(yàn)的參考坐標(biāo)系如圖4 所示，風(fēng)向角為0°時(shí)是初始方位，試驗(yàn)時(shí)以10°風(fēng)向增量對(duì)建筑模型表面風(fēng)壓進(jìn)行同步測(cè)量。采集系統(tǒng)為美國PSI公司生產(chǎn)的Measurement 掃描閥，采樣頻率為331.9 Hz，采樣時(shí)間為61.7 s。

圖4 風(fēng)洞參考坐標(biāo)系Fig.4 Wind Tunnel Reference Coordinate System

1.2 數(shù)據(jù)處理

規(guī)定正壓力方向指向建筑表面，負(fù)吸力方向?yàn)楸畴x建筑表面［11］。模型表面各點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)為：式中：Cpi（t）為建筑模型上測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程；Pi（t）為所測(cè)建筑模型上測(cè)點(diǎn)i處的瞬態(tài)風(fēng)壓；P0和P∞分別為參考高度處的平均總壓和平均靜壓。對(duì)于建筑模型雙面受風(fēng)位置，其風(fēng)壓系數(shù)由上下（外內(nèi)）表面對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)壓差獲得：

對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)中所獲得的各測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程按照式⑴～⑸經(jīng)編程處理，可獲得各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)和峰值風(fēng)壓系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)壓分布

試驗(yàn)風(fēng)向角90°、210°和330°分別對(duì)應(yīng)風(fēng)正吹建筑的立面A、西南立面B和東南立面C。這3種工況下建筑立面的平均風(fēng)壓系數(shù)分布如圖5～圖7 所示。由圖5?、圖6?及圖7?可知，3 種工況下的迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)分布表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，其中中間區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)均在0.5～0.8 之間，隨著高度增大逐漸增大；同時(shí)可以看到在迎風(fēng)面兩側(cè)邊緣區(qū)域，平均風(fēng)壓系數(shù)由正值逐漸變?yōu)樨?fù)值，即由“壓力”轉(zhuǎn)為“吸力”，這是由于在Y 型建筑拐角處氣流發(fā)生分離，產(chǎn)生較大的渦旋所致。

圖5 90°風(fēng)向角各立面平均風(fēng)壓系數(shù)等值線Fig.5 Contours of Mean Wind Pressure Coefficient for 90° Wind Direction

由圖5?、圖5?、圖6?、圖6?及圖7?、圖7?可知，側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，整體分布較為均勻，平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值呈現(xiàn)靠近迎風(fēng)面一側(cè)較大，然后向另一側(cè)逐漸減小的規(guī)律。

圖6 210°風(fēng)向角各立面平均風(fēng)壓系數(shù)等值線Fig.6 Contours of Mean Wind Pressure Coefficient for 210° Wind Direction

圖7 330°風(fēng)向角各立面平均風(fēng)壓系數(shù)等值線Fig.7 Contours of Mean Wind Pressure Coefficient for 330° Wind Direction

2.2 峰值風(fēng)壓分布

采用Cook-Mayne 方法計(jì)算各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓極大值和極小值，進(jìn)一步可得到全風(fēng)向下各測(cè)點(diǎn)的最大、最小峰值風(fēng)壓系數(shù)。全風(fēng)向下建筑立面最大峰值正壓系數(shù)分布和最大峰值負(fù)壓系數(shù)分布分別如圖8、圖9 所示。由圖8、圖9 可知：最大峰值正壓系數(shù)沿建筑高度方向逐漸增大，最大值達(dá)到2.7，位于北立面右上角區(qū)域，西南立面全風(fēng)向最大峰值正壓較小，最大值僅為1.4。由于受到氣流分離、渦旋脫落等影響，全風(fēng)向最大峰值負(fù)壓系數(shù)分布沒有明顯的規(guī)律性，但在四周邊緣處絕對(duì)數(shù)值較大，表現(xiàn)為較大的“吸力”，往中心區(qū)域逐漸減小。另外，對(duì)比各峰值風(fēng)壓系數(shù)等值線圖可見，各立面的最大峰值負(fù)壓系數(shù)絕對(duì)值普遍大于相同位置的最大峰值正壓系數(shù)，這表明幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，峰值負(fù)壓起主要控制作用。

圖8 全風(fēng)向最大峰值正壓系數(shù)等值線Fig.8 Contour of the Maximum Peak Positive Coefficient for the Whole Wind Direction

圖9 全風(fēng)向最大峰值負(fù)壓系數(shù)等值線Fig.9 Contour of The Maximum Peak Negative Pressure Coefficient for The Whole Wind Direction

3 結(jié)論

文中基于同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)某Y 型截面超高層建筑表面風(fēng)壓特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

⑴Y 型截面建筑迎風(fēng)面中間區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)均在0.5～0.8 之間，隨高度增大逐漸增大；在迎風(fēng)面兩側(cè)邊緣區(qū)域，由于氣流分離效應(yīng)導(dǎo)致平均風(fēng)壓由正值逐漸變?yōu)樨?fù)值。

⑵Y型截面建筑立面全風(fēng)向最大峰值正壓系數(shù)呈現(xiàn)沿建筑高度逐漸增大的規(guī)律。全風(fēng)向最大峰值負(fù)壓系數(shù)在四周邊緣處絕對(duì)值較大，往中心區(qū)域逐漸減小。

⑶Y 型截面各立面的最大峰值負(fù)壓絕對(duì)值大于相同位置的最大峰值正壓，在幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，峰值負(fù)壓起控制作用。