陳秋華，黃小靜，涂茸勛，陳 杰

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學(xué)院福建省風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361024)

隨著城市人口的聚集，建筑愈來愈密集，高層建筑層出不窮。高層建筑由于高度高、細(xì)長比相對(duì)較小等，對(duì)風(fēng)荷載特別敏感。目前，雙棟高層建筑頗受青睞。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)流經(jīng)相互靠近的雙建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，由于流動(dòng)分離、再附以及渦旋的相互作用，會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜流動(dòng)，雙建筑物的風(fēng)壓分布與單棟高層建筑有較大差別，其風(fēng)致干擾效應(yīng)更不容忽視[1]。

高層建筑間的風(fēng)荷載干擾效應(yīng)一直是建筑抗風(fēng)中極具復(fù)雜性和關(guān)鍵性的研究之一。建筑間風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的復(fù)雜性主要是由不同建筑結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系引起的流體分離、再附流動(dòng)等現(xiàn)象導(dǎo)致的[2]，引起了諸多學(xué)者的關(guān)注。針對(duì)多個(gè)群體高層建筑間相互干擾的研究發(fā)現(xiàn)，處于中間位置的高層建筑的風(fēng)振加速度明顯大于其他建筑物[3-5]。針對(duì)雙并列高層建筑，現(xiàn)有研究主要以等高的雙并列高層建筑為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)雙并列高層建筑間會(huì)產(chǎn)生明顯的峽谷效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)對(duì)兩建筑相鄰立面形成沖擊[6-7]。影響高層建筑間風(fēng)致干擾效應(yīng)的因素諸多，且相比于雙并列等高的高層建筑，目前我國對(duì)存在高度差的雙并列高層建筑間風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的研究較少。因此，本文基于風(fēng)洞試驗(yàn)，針對(duì)高度不一的雙并列方形高層建筑，通過改變建筑間距及來流風(fēng)向角，分析雙并列建筑間平均風(fēng)壓分布特性所受到的影響，以期在建筑抗風(fēng)研究方面得出具有實(shí)踐工程指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 試驗(yàn)概況

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行建筑表面風(fēng)壓測量，被認(rèn)為是可反映建筑實(shí)際風(fēng)荷載的最為準(zhǔn)確的手段之一[8]。本研究依托廈門理工學(xué)院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，開展雙并列且高度不一的高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)試驗(yàn)。風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)為單回流、串聯(lián)式閉口的雙試驗(yàn)段形式，雙試驗(yàn)段分別為大試驗(yàn)段尺寸的低速段和小試驗(yàn)段尺寸的高速段。本次試驗(yàn)為低速試驗(yàn)段，其尺寸(寬×長×高)為6 m×25 m×3.6 m。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/h3>

本文采用CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型[9]為目標(biāo)建筑模型,并設(shè)置高度為2/3標(biāo)準(zhǔn)高層建筑的模型為施擾建筑模型，根據(jù)建筑荷載規(guī)范[10]，在B類紊流風(fēng)場[11]中進(jìn)行剛性模型風(fēng)壓測試試驗(yàn)，采用電子壓力掃描閥[12]采集數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)的建筑模型均按1∶200縮尺而成，目標(biāo)建筑模型尺寸(長×寬×高)為228 mm×152 mm×910.3 mm，共布置289個(gè)測點(diǎn);施擾建筑模型尺寸(長×寬×高)為228 mm×152 mm×600 mm，共布置145個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)434個(gè)測點(diǎn)。本試驗(yàn)使用 3.7 mm 厚的亞克力板制作建筑模型，表面光滑，有足夠的強(qiáng)度、剛度并嚴(yán)格密封，同時(shí)滿足試驗(yàn)阻塞比的要求，模型示意如圖1所示。雙并列高層建筑相對(duì)的立面以A面表示，其中A1為目標(biāo)建筑立面，A2為施擾建筑立面。A1面布置7列11行測點(diǎn)(共計(jì)77個(gè)測點(diǎn))，A2面布置7列5行測點(diǎn)(共計(jì)35個(gè)測點(diǎn))，建筑間間距及風(fēng)向角示意如圖2所示。

圖1 建筑試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1 Architectural models

圖2 建筑間距及風(fēng)向角示意圖Fig.2 Building interspace and wind angle

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)風(fēng)場來流風(fēng)速為10 m·s-1，設(shè)置3種建筑間距，以建筑短邊寬度(D=15 cm)為倍數(shù)遞增，同時(shí)選取3種較為典型的風(fēng)向角開展試驗(yàn)。試驗(yàn)工況具體如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental cases

2 數(shù)據(jù)處理

本文通過數(shù)據(jù)處理，分析不同風(fēng)向角和間距工況下，目標(biāo)建筑與施擾建筑之間的平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律，并對(duì)比獨(dú)棟高層建筑的風(fēng)荷載特性，剖析施擾建筑對(duì)目標(biāo)建筑風(fēng)荷載分布特性的影響規(guī)律。具體步驟如下：

1)將風(fēng)洞試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，確定數(shù)據(jù)誤差是否在合理范圍內(nèi)。

2)計(jì)算各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)Cpi，即

(1)

式(1)中，Cpi為風(fēng)壓系數(shù)，wi為測點(diǎn)風(fēng)壓，其中i代表某測點(diǎn)；ρ為空氣密度，v0為來流風(fēng)速。

3)將各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行整合，繪制出風(fēng)壓系數(shù)分布云圖等。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 平均風(fēng)壓系數(shù)云圖

圖3～5為0°風(fēng)向角下單棟高層建筑與雙并列高層建筑的平均風(fēng)壓系數(shù)分布云圖。它們是以目標(biāo)建筑A1面為代表進(jìn)行分析的，各云圖中的顏色代表平均風(fēng)壓系數(shù)Cp值。

圖3 0°風(fēng)向角下目標(biāo)建筑A1面風(fēng)壓分布云圖Fig.3 Wind pressure distribution on A1 surface of the target high-rise building at a wind angle of 0°

分析可得：在0°風(fēng)向角下(圖3)，目標(biāo)建筑處于施擾建筑的下游側(cè)，迎風(fēng)面(A1面)的平均風(fēng)壓分布規(guī)律因施擾建筑的加入而發(fā)生改變。具體而言，因兩建筑的高度差，目標(biāo)建筑的迎風(fēng)面(A1面)由正壓控制(圖3(a))轉(zhuǎn)換為自上而下的正壓至負(fù)壓的布局，該立面上半部依舊是正風(fēng)壓區(qū)，中部高度以下受施擾建筑遮擋轉(zhuǎn)為負(fù)風(fēng)壓區(qū)，且隨著建筑間距的增加，目標(biāo)建筑中下部區(qū)域負(fù)壓值逐漸減小，負(fù)風(fēng)壓區(qū)的范圍也逐漸縮小。當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)(圖4)，建筑表面風(fēng)壓分布表現(xiàn)為：左側(cè)為正壓區(qū)且極值出現(xiàn)在左上側(cè)靠近邊緣處，右側(cè)為負(fù)壓區(qū)且在建筑拐角處較為集中。當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)(圖5)，兩建筑物為相對(duì)獨(dú)立受風(fēng)狀況，目標(biāo)建筑A1面變?yōu)閭?cè)風(fēng)面，風(fēng)壓正值完全消失，呈現(xiàn)負(fù)壓分布，并且負(fù)壓值從左到右逐漸減小。這是由于并列建筑間形成了間隙流，氣流通過狹縫的速度較快，從而該建筑立面靠近下游側(cè)(即圖5所示各云圖的左側(cè))產(chǎn)生了較大負(fù)壓，風(fēng)壓極值分布在立面圖的左側(cè)。由圖5可得，由于雙并列布局的影響，間距為1D時(shí)的負(fù)風(fēng)壓極值超出單棟高層建筑時(shí)的15%，增大了建筑外墻脫落或構(gòu)件毀壞的可能性。

圖4 45°風(fēng)向角下目標(biāo)建筑A1面風(fēng)壓分布云圖Fig.4 Wind pressure distribution on A1 surface of the target high-rise building at a wind angle of 45°

圖5 90°風(fēng)向角下目標(biāo)建筑A1面風(fēng)壓分布云圖Fig.5 Wind pressure distribution on A1 surface of the target high-rise building at a wind angle of 90°

3.2 平均風(fēng)壓系數(shù)折線圖

圖6描述了不同間距情況下，各風(fēng)向角對(duì)目標(biāo)建筑A1面的豎向各測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)的影響情況。各測點(diǎn)以列命名，分別為L1、L2、…、L7(如圖2所示)；圖中橫坐標(biāo)h/H代表測點(diǎn)所處的相對(duì)高度，其中h為各測點(diǎn)高度，H為建筑總高度。

由圖6可得如下結(jié)論：

圖6 目標(biāo)建筑A1面平均風(fēng)壓系數(shù)折線圖Fig.6 Average wind pressure coefficients of A1 surface of the target high-rise building

1)在0°和45°風(fēng)向角下，各列測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)先隨著測點(diǎn)高度上升而增大，當(dāng)h/H增大到最大值(0.95)后，在建筑最高點(diǎn)時(shí)由于氣流躍向屋頂而使平均風(fēng)壓系數(shù)值突然降低；風(fēng)向角為90°時(shí)，各列測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，其中L1、L2列因靠近下游側(cè)，流動(dòng)分離現(xiàn)象使風(fēng)壓有所波動(dòng)，平均風(fēng)壓系數(shù)值變化規(guī)律不同于其他各列先下降后上升的趨勢(shì)，而是先保持下降趨勢(shì)至相對(duì)高度為0.6左右后繼續(xù)上升，在相對(duì)高度為0.8左右達(dá)到最高值，之后又開始下降。

2)在固定間距的條件下，相同測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角增大而減小，而固定風(fēng)向角時(shí)，不同間距的各列測點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)分布呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，但各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)值則隨著間距的增大而減小。

4 結(jié)論

本文針對(duì)雙并列高度不一高層建筑間的風(fēng)致干擾效應(yīng)，進(jìn)行測壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于雙并列高層建筑間的干擾效應(yīng)，目標(biāo)建筑相對(duì)立面A1的風(fēng)壓分布規(guī)律會(huì)較單獨(dú)建筑情況時(shí)發(fā)生改變。具體結(jié)論如下：

1)風(fēng)向角對(duì)建筑表面的風(fēng)壓分布規(guī)律產(chǎn)生了較為顯著的影響。在0°風(fēng)向角時(shí)，單棟建筑迎風(fēng)面只受正壓控制，加入施擾建筑后，該迎風(fēng)面則轉(zhuǎn)換為中上部正壓、下部分負(fù)壓的分布。當(dāng)風(fēng)向角由0°向90°變化時(shí)，面A1的風(fēng)壓極值(指絕對(duì)值)分布呈現(xiàn)出由上向下逐級(jí)分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛勺笙蛴业姆植稼厔?shì)，正負(fù)風(fēng)壓極值出現(xiàn)在建筑立面的拐角處。風(fēng)流先經(jīng)高度較低的施擾建筑后再作用到目標(biāo)建筑時(shí)，會(huì)對(duì)目標(biāo)建筑的A1面造成較大影響，且A1面的風(fēng)壓極值集中分布在與施擾建筑頂面高度接近的位置。因此，實(shí)際工程中，可根據(jù)來流風(fēng)向預(yù)測強(qiáng)風(fēng)可能對(duì)建筑造成破壞的位置提前進(jìn)行防護(hù)，以減小損壞。

2)當(dāng)兩建筑間距逐漸增大，目標(biāo)建筑A1面的表面負(fù)風(fēng)壓極值逐漸越小。當(dāng)間距為1D且風(fēng)向角為90°時(shí)，建筑相對(duì)面的負(fù)壓值較高(達(dá)到-0.99)，產(chǎn)生較大風(fēng)吸力，此時(shí)建筑間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)間隙流，氣流加速通過兩建筑間的通道，帶來峽谷效應(yīng)。因此，實(shí)際工程中要注意評(píng)估建筑間的加速氣流對(duì)建筑抗風(fēng)性能的影響。