藍(lán)呂康， 陳水福

（浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058）

0 引言

高層建筑常采用平面規(guī)則且較為對(duì)稱的截面形式，例如方形、圓形、三角形等形式。雙塔高層建筑之間存在明顯的相互氣動(dòng)干擾效應(yīng)，該效應(yīng)一直是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相關(guān)研究主要集中在建筑間距、建筑高度、建筑排布角度和體型的影響等方面。文獻(xiàn)［1］對(duì)群體建筑之間的干擾效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，介紹了該領(lǐng)域研究狀況以及規(guī)范成果。吳倩云等［2］采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了間距比的變化對(duì)并列雙方柱的風(fēng)壓系數(shù)、升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響，結(jié)果表明間距比等于2.5是一臨界工況，當(dāng)大于2.5時(shí)干擾效應(yīng)不再顯著。陳強(qiáng)等［3］基于實(shí)際工程項(xiàng)目，研究了圓角三角形雙塔高層建筑四種不同排布角度對(duì)風(fēng)荷載的影響，并做了風(fēng)振響應(yīng)分析，結(jié)果顯示30°錯(cuò)位和角對(duì)角排布下，雙塔建筑局部體型系數(shù)最小。謝壯寧等［4］研究了不同高寬比的兩方柱在不同地貌下的靜力和動(dòng)力干擾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)施擾建筑高寬比對(duì)動(dòng)力干擾效應(yīng)有很大影響，指出了之前文獻(xiàn)在對(duì)高寬比影響的描述上的不足。顧明等［5，6］研究了施擾建筑高度變化對(duì)主建筑層風(fēng)力的影響，結(jié)果顯示并列排布時(shí)，高度比較大時(shí)層平均升力系數(shù)相對(duì)更大，且間距比越小，層脈動(dòng)升力功率譜峰值與單體相比增大越多；串列排布時(shí)，高度比增大時(shí)層平均阻力系數(shù)減小，遮擋效應(yīng)愈發(fā)顯著。余先鋒等［7-10］研究了相對(duì)位置、寬度比和高度比等多種干擾工況下受擾方形建筑扭矩響應(yīng)和順風(fēng)向加速度的干擾效應(yīng)，值得注意的是，由于渦激共振的影響，施擾建筑在小寬度比情況時(shí)容易導(dǎo)致受擾建筑出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)向渦激共振干擾效應(yīng)，并出現(xiàn)較大的頂部順風(fēng)向峰值加速度干擾因子包絡(luò)值。

以上是基于風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)高層建筑間氣動(dòng)干擾效應(yīng)的研究，這也是目前的主要研究方式。近年來(lái)，CFD數(shù)值摸擬逐漸被應(yīng)用于山地風(fēng)場(chǎng)、建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載評(píng)估以及其他風(fēng)工程研究領(lǐng)域，也是一種研究風(fēng)工程問(wèn)題比較有效的方法。閆渤文等［11］提出了基于剛度映射算法的CFD/FEM單向耦合的高層建筑風(fēng)效應(yīng)及舒適度評(píng)估框架，研究了高層雙塔建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及主體結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，結(jié)果顯示受擾建筑位于施擾建筑尾流區(qū)，可能會(huì)受到尾流抖振的影響，從而使受擾建筑表面風(fēng)荷載加大。

對(duì)于三角形建筑，為獲得更有效的使用空間和更優(yōu)越的抗風(fēng)效果，近年來(lái)常采用圓角弧邊的截面形式代替直角直邊形式。并列和串列排布作為兩種對(duì)稱的雙塔排布方式，在實(shí)際工程中有廣泛的應(yīng)用，例如新建的杭州新世界環(huán)球中心高層建筑就采用了圓角弧邊三角形雙塔形式。然而，目前對(duì)此類雙塔建筑的風(fēng)致干擾效應(yīng)尚缺乏較深入的研究。文中以圓角弧邊三角形雙塔高層建筑為研究對(duì)象，通過(guò)剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)方法，研究D類地貌下并列排布時(shí)兩建筑之間的順風(fēng)向和橫風(fēng)向?qū)语L(fēng)力干擾特性，為實(shí)際工程中該類建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)段截面寬4m、高3m。為了獲得與實(shí)際相符的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)調(diào)整風(fēng)洞中地表粗糙元和格柵的數(shù)量和位置來(lái)模擬所需的我國(guó)規(guī)范規(guī)定的D類風(fēng)場(chǎng)。試驗(yàn)的實(shí)測(cè)風(fēng)速剖面和湍流度如圖1所示，試驗(yàn)參考風(fēng)速為Uref=10.8m/s，測(cè)點(diǎn)采樣頻率為312.5Hz，采樣長(zhǎng)度為10000次。

圖1 風(fēng)剖面模擬

研究對(duì)象由兩個(gè)完全相同的高度300m、邊長(zhǎng)60m的施擾和受擾圓角弧邊三角形建筑組成，模型縮尺比1：300，對(duì)應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨葹?.0m。模型在風(fēng)洞中的最大阻塞比遠(yuǎn)小于5%，滿足試驗(yàn)要求。

風(fēng)洞試驗(yàn)中，沿主體建筑高度方向共設(shè)置了11個(gè)風(fēng)壓測(cè)試層，每層布置27個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)層具體布置圖如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)層及測(cè)點(diǎn)布置

為分析不同建筑排布方式對(duì)雙塔干擾效應(yīng)的影響，文中設(shè)計(jì)了6組建筑排布方式，如圖3所示，圖中陰影三角形和白色三角形分別表示受擾、施擾建筑。各種排布中，每個(gè)三角形均有一條兩角連線是豎直或是水平的，文中采用 U（up）、L（left）、R（right）、D（down）表示第三個(gè)角的朝向。因此6種排布方式分別稱為U-U排布、L-R排布、L-L排布、D-D排布、R-R排布、R-L排布?？梢钥闯?，每種排布方式至少存在一條對(duì)稱軸，這在實(shí)際工程中較為常用。

圖3 雙塔排布工況

為考察建筑相對(duì)間距的影響，對(duì)每種排布方式進(jìn)行了6種相對(duì)間距的試驗(yàn)。間距比用X/B表示，其中X為兩建筑的中點(diǎn)距離，B為建筑橫截面的邊長(zhǎng)，6個(gè)間距比分別為1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

文中主要通過(guò)對(duì)比風(fēng)荷載作用下的層阻力系數(shù)和層升力系數(shù)來(lái)探討不同排布方式下圓角弧邊三角形雙塔高層建筑的層氣動(dòng)力沿高度的分布規(guī)律。

風(fēng)力正方向定義如圖4所示，阻力系數(shù)和升力系數(shù)分別記作CD、CL。第i層平均風(fēng)力系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)力系數(shù)分別定義如下：

圖4 風(fēng)力正方向定義

式中，zi表示測(cè)點(diǎn)層i的高度；FD（zi）、FL（zi）分別表示層平均阻力和層平均升力；σD（zi）、σL（zi）分別表示層阻力和層升力均方根；A（zi）表示測(cè)點(diǎn)層i的迎風(fēng)面面積；Pref為頂部參考風(fēng)壓。

3 阻力系數(shù)

3.1 平均阻力系數(shù)

圖5給出了不同排布工況下受擾建筑平均層阻力系數(shù)沿高度的變化曲線?？傮w上各種排布受擾建筑平均阻力系數(shù)在建筑頂部附近達(dá)到最大。U-U排布、L-R排布和L-L排布當(dāng)X/B≤2.0時(shí)，平均阻力系數(shù)明顯增大；而當(dāng)X/B≥3.0時(shí)，平均阻力系數(shù)不隨間距變化而變化。

圖5 平均層阻力系數(shù)

當(dāng)X/B=1.5時(shí)，D-D排布在z/H≥0.4的測(cè)試層，平均阻力系數(shù)明顯減小，R-R排布在每個(gè)測(cè)試層均明顯減小，R-L排布在z/H≤0.4的測(cè)試層明顯減??；當(dāng)X/B≥2時(shí)，平均阻力系數(shù)基本不隨間距變化而變化。

比較L-R排布和L-L排布，在X/B≤2.0時(shí)，L-L排布對(duì)受擾建筑的平均阻力系數(shù)影響更顯著，當(dāng)X/B=1.5時(shí)平均阻力系數(shù)甚至增加0.2左右，明顯增大了順風(fēng)向平均風(fēng)荷載。與之相比，R-R排布和R-L排布中，施擾建筑朝向改變對(duì)受擾建筑平均阻力系數(shù)的影響較小。

3.2 脈動(dòng)阻力系數(shù)

圖6給出了各種排布方式受擾建筑的脈動(dòng)層阻力系數(shù)變化曲線。由圖6看出，對(duì)于脈動(dòng)阻力系數(shù)，間距對(duì)各種排布下受擾建筑脈動(dòng)阻力系數(shù)影響較小，僅在個(gè)別排布X/B=1.5時(shí)使受擾建筑脈動(dòng)阻力系數(shù)有所增大或減小，例如D-D排布時(shí)該系數(shù)值由較明顯減??；其余各間距比脈動(dòng)阻力系數(shù)曲線均接近單體建筑情況，表明不同排布下受擾建筑脈動(dòng)阻力系數(shù)主要源于來(lái)流的脈動(dòng)性，施擾建筑的干擾效應(yīng)不顯著。

圖6 脈動(dòng)層阻力系數(shù)

受擾建筑脈動(dòng)阻力系數(shù)在圓角迎風(fēng)時(shí)最小，不對(duì)稱迎風(fēng)時(shí)次之，弧面迎風(fēng)時(shí)最大。當(dāng)受擾建筑圓角迎風(fēng)時(shí)，建筑頂部和底部脈動(dòng)阻力系數(shù)沿高度變化較小，而建筑中部脈動(dòng)阻力系數(shù)隨高度先減小后增大，并在0.6H附近達(dá)到最小值；當(dāng)受擾建筑不對(duì)稱迎風(fēng)時(shí)，脈動(dòng)阻力系數(shù)沿高度呈“S”型分布，同樣在0.6H附近達(dá)到最小值；當(dāng)受擾建筑弧面迎風(fēng)時(shí)，脈動(dòng)阻力系數(shù)在建筑中上部沿高度變化相對(duì)較小，僅在建筑底部迅速減小。

4 升力系數(shù)

4.1 平均升力系數(shù)

圖7給出了6種排布工況下受擾建筑平均層升力系數(shù)沿高度的變化曲線。總體而言，各工況平均升力系數(shù)曲線在X/B≥4.0時(shí)較為接近，基本上不隨間距變化而變化。

圖7 平均層升力系數(shù)

當(dāng)受擾建筑的體型關(guān)于來(lái)流方向?qū)ΨQ時(shí)，平均升力系數(shù)曲線沿高度變化較小，單體建筑平均升力系數(shù)接近0。對(duì)于U-U排布，當(dāng)X/B≤3.0時(shí)，由于峽道效應(yīng)，氣流在兩建筑間加速，加劇了建筑表面風(fēng)壓分布的不均勻性，使得平均升力系數(shù)隨間距比減小而增大。對(duì)于D-D排布，當(dāng)X/B≥2.0時(shí)，同樣由于峽道效應(yīng)，平均升力系數(shù)隨間距比減小而增大；而當(dāng)X/B=1.5時(shí)，施擾建筑的近距離存在并未使受擾建筑平均升力系數(shù)明顯增大。

當(dāng)受擾建筑關(guān)于來(lái)流方向不對(duì)稱時(shí)，各工況建筑平均升力系數(shù)曲線均沿高度先逐漸增大，之后在建筑頂部處迅速減小。對(duì)于R-R排布和R-L排布，受擾建筑圓角均朝右，當(dāng)X/B≤3.0時(shí)，平均升力系數(shù)均隨間距比減小而增大，施擾建筑朝向?qū)κ軘_建筑平均升力系數(shù)影響不大。對(duì)于L-R排布，當(dāng)X/B≤3.0時(shí)，平均升力系數(shù)在建筑中下部較為接近，而在建筑頂部處分離，并隨間距比減小而增大；然而當(dāng)施擾建筑圓角朝向變?yōu)槌蠛?，L-L排布下平均升力系數(shù)曲線分布沒(méi)有呈現(xiàn)出峽道效應(yīng)，當(dāng)X/B≤3.0時(shí)，平均升力系數(shù)均隨間距比減小而減小，當(dāng)X/B=1.5時(shí)平均升力系數(shù)甚至降至0.3左右。

4.2 脈動(dòng)升力系數(shù)

圖8給出了各排布方式的脈動(dòng)層升力系數(shù)變化曲線。由圖可見(jiàn)，多數(shù)情況下受擾建筑弧面迎風(fēng)時(shí)，其脈動(dòng)升力系數(shù)最大，不對(duì)稱迎風(fēng)時(shí)次之，圓角迎風(fēng)時(shí)最小。對(duì)于U-U排布，各種間距比下受擾建筑脈動(dòng)升力系數(shù)接近并略大于單體建筑情況，橫風(fēng)向間距的影響較小。對(duì)于L-R排布和L-L排布，受擾建筑圓角朝左時(shí)，當(dāng)X/B≥3.0時(shí)，各間距比的脈動(dòng)升力系數(shù)曲線接近并略大于單體建筑情況，而當(dāng)X/B≤2.0時(shí)則小于單體建筑情況，且X/B=1.5時(shí)明顯更??；相比之下，此時(shí)施擾建筑圓角朝左（L-L排布）的系數(shù)比朝右（L-R排布）更小，在建筑中下部甚至小于0.2。當(dāng)受擾和施擾建筑圓角朝右（R-R排布）時(shí)，不同間距比下的脈動(dòng)升力系數(shù)接近并略大于單體建筑情況，即使間距比為最小的1.5h，受擾建筑的脈動(dòng)升力仍改變不大。

各種排布中，D-D排布的脈動(dòng)升力系數(shù)隨間距比的變化最為顯著，見(jiàn)圖8（d），這與該工況下的橫風(fēng)向漩渦脫落現(xiàn)象有關(guān)。對(duì)于圓角弧邊三角形單體建筑，當(dāng)弧面迎風(fēng)時(shí)其漩渦脫落現(xiàn)象最為顯著，致使其脈動(dòng)升力系數(shù)相較其余迎風(fēng)方式更大，并沿高度先增大后減小，在0.6H附近達(dá)到最大值0.43。對(duì)于雙塔建筑，當(dāng)X/B=1.5時(shí)，由于間距較小，施擾建筑產(chǎn)生的氣流干擾大幅減弱了受擾建筑的漩渦脫落程度；當(dāng)間距比為2.0～3.0時(shí)，施擾建筑的存在使受擾建筑風(fēng)壓不均勻性增大，明顯增強(qiáng)了受擾建筑的漩渦脫落程度，脈動(dòng)升力系數(shù)最大值甚至達(dá)到0.5；當(dāng)X/B≥4.0時(shí)，由于間距過(guò)大，施擾建筑對(duì)受擾建筑的干擾不明顯，受擾建筑脈動(dòng)升力系數(shù)接近于單體建筑情況，僅在建筑下部稍大。

圖8 脈動(dòng)層升力系數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

文中以并列排布下的圓角弧邊三角形雙塔超高層建筑為對(duì)象，通過(guò)剛性模型同步測(cè)壓試驗(yàn)，對(duì)比分析了建筑間距和排布方式對(duì)受擾建筑層阻力系數(shù)和層升力系數(shù)的影響，據(jù)此可得出以下結(jié)論：

（1） 當(dāng)間距比大于2.0時(shí)，施擾建筑對(duì)受擾建筑的平均和脈動(dòng)層阻力系數(shù)的干擾效果已不明顯；僅當(dāng)間距比較小時(shí)，受擾建筑在不同排布方式下的平均和脈動(dòng)層阻力系數(shù)才可能明顯增大或減小。

（2） 當(dāng)受擾建筑的體型關(guān)于來(lái)流方向?qū)ΨQ時(shí)，平均升力系數(shù)曲線沿高度變化較小，單體建筑平均升力系數(shù)接近0；當(dāng)其體型關(guān)于來(lái)流方向不對(duì)稱時(shí)，平均升力系數(shù)曲線均沿高度先逐漸增大，后在建筑頂部附近迅速減小。

（3） 當(dāng)間距比大于3.0時(shí)，不同排布方式的受擾建筑的平均升力系數(shù)已較為接近；當(dāng)間距比較小時(shí)，僅個(gè)別排布方式（如L-R方式）受擾建筑的平均升力系數(shù)會(huì)由于峽道效應(yīng)而隨間距比減小而增大，而其他方式的這一系數(shù)則因施擾建筑對(duì)氣流的干擾而隨間距比減小而減小。

（4） 單體建筑當(dāng)弧面迎風(fēng)時(shí)，其脈動(dòng)升力系數(shù)由于漩渦脫落現(xiàn)象而達(dá)到最大。對(duì)弧面迎風(fēng)的雙塔D-D排布，當(dāng)間距比較小時(shí)，施擾建筑的氣流干擾大幅減弱了受擾建筑的漩渦脫落程度，脈動(dòng)升力系數(shù)顯著減??；當(dāng)間距比為2.0～3.0時(shí)，施擾建筑的存在使受擾建筑的漩渦脫落現(xiàn)象及風(fēng)壓不均勻性增強(qiáng)，脈動(dòng)升力系數(shù)明顯增大；當(dāng)間距比達(dá)到或超過(guò)4.0時(shí)，施擾建筑的干擾效應(yīng)已不明顯，故脈動(dòng)升力系數(shù)接近于單體建筑。