為探究豎條對(duì)二維方柱風(fēng)壓特性的影響，本試驗(yàn)設(shè)置了參考模型以及豎條布置位置改變共三種模型，通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，對(duì)比分析了在均勻紊流場(chǎng)情況下，有無(wú)豎條以及豎條位置發(fā)生改變時(shí)，二維方柱平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓的差異；各工況下氣動(dòng)力差異。研究表明：當(dāng)豎條靠近迎風(fēng)拐角布置時(shí)，迎風(fēng)邊緣出現(xiàn)較大的風(fēng)致吸力。模型表面布置豎條均能有效降低側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面風(fēng)壓值。當(dāng)豎條位置靠近模型內(nèi)側(cè)布置時(shí)，平均阻力系數(shù)降幅達(dá)為35.2%。因此，通過合理布置豎條能夠有效降低二維方柱表面風(fēng)壓以及整體風(fēng)荷載。

二維方柱; 豎條; 風(fēng)洞試驗(yàn); 氣動(dòng)力系數(shù); 風(fēng)壓分布

TU312+1A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-03-14

［作者簡(jiǎn)介］呂偉（1996—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)風(fēng)工程。

0" 引言

為了滿足人們對(duì)建筑美學(xué)和功能的需求，高層建筑表面通常設(shè)置陽(yáng)臺(tái)、豎框、裝飾條等各種形式的粗糙條，而這些粗糙條的布置會(huì)對(duì)建筑表面風(fēng)荷載產(chǎn)生一定的影響。研究人員通過大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)探索了粗糙條的布置對(duì)局部風(fēng)壓的影響。

Stathopoulos和Zhu［1］研究了僅一面帶豎框?qū)植匡L(fēng)壓的影響，結(jié)果表明：豎框的存在使得建筑邊緣產(chǎn)生了很高的風(fēng)致吸力；Yuan等［2］發(fā)現(xiàn)，附屬物能有效抑制整個(gè)側(cè)面負(fù)極值風(fēng)壓的變化，且與參考模型相比，當(dāng)連續(xù)水平隔板垂直間距比為8%時(shí)，其風(fēng)壓脈動(dòng)值的折減率達(dá)60%；Maruta［3］研究了四面均帶陽(yáng)臺(tái)且陽(yáng)臺(tái)寬度變化對(duì)高層建筑表面風(fēng)壓的影響，研究表明隨粗糙度增加，抑制了漩渦脫落。與此同時(shí)，側(cè)壁前緣附近局部峰值壓力也顯著降低。劉子荷等［4］通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同豎向外伸肋板布置方式對(duì)高層建筑氣動(dòng)力的影響，發(fā)現(xiàn)豎向肋板可以有效降低基底彎矩系數(shù)的極值，其中順風(fēng)向和橫風(fēng)向的基底彎矩系數(shù)極值最大降幅分別為28.64% 和 39.02%。黃冬梅等［5］發(fā)現(xiàn)利用砂紙?jiān)龃蠼ㄖ⒚嬲w粗糙度，使得建筑物各層平均阻力、脈動(dòng)阻力、脈動(dòng)升力系數(shù)有所減小（減小幅度在25%以內(nèi)）。

上述研究表明：建筑物表面設(shè)置附屬物對(duì)高層建筑整體或者局部風(fēng)荷載有所影響，但是定量研究豎條安裝位置的改變對(duì)二維方柱風(fēng)壓分布影響相對(duì)較少。通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了豎條安裝位置改變對(duì)二維方柱表面風(fēng)壓的影響，對(duì)比分析了在均勻紊流場(chǎng)下，豎條位置改變情況下二維方柱平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓的差異以及氣動(dòng)力差異。研究成果為豎條在高層建筑抗風(fēng)中的布置位置提供參考。

1" 試驗(yàn)參數(shù)

1.1" 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图把b備

本研究的風(fēng)洞試驗(yàn)安排在XNJD-2號(hào)風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)斷面尺寸為1.3 m×1.5 m，計(jì)算得到阻塞率為4.62%，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求。測(cè)壓模型為90 mm×90 mm的方形斷面，模型長(zhǎng)度為1 m，在模型中部210 mm范圍內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，采用的豎條間距分別設(shè)置為70 mm，50 mm，30 mm，60 mm的A、B、C、D、E 5個(gè)條帶，其中條帶C位于模型中間，每個(gè)條帶共布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)，且測(cè)點(diǎn)分布情況相同見圖1（a）來流風(fēng)速設(shè)置為U=10 m/s，風(fēng)向角設(shè)置為0°，如圖1（b）所示。模型由加厚的有機(jī)玻璃制成，在模型內(nèi)部設(shè)置加勁肋來保證模型的整體穩(wěn)定性。為了模擬無(wú)限跨度條件并防止端部效應(yīng)，在模型的兩端安裝了20 cm×20 cm的方形端板。將模型水平安裝在工作段中。豎條采用亞克力板，豎條厚度均為2 mm，本試驗(yàn)采用不同寬度豎條且豎條沿展向通體布置。本試驗(yàn)共模擬了三種工況（圖2），其中試驗(yàn)?zāi)Ｐ虯1如圖3所示，測(cè)壓模型具體設(shè)置情況詳見表1。

測(cè)壓系統(tǒng)采用DSM-4000 電子掃描閥，每個(gè)掃描閥有64個(gè)通道，精度為全量程的±0.08%。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，將最大數(shù)量的壓力掃描儀連接到同一個(gè)Scanivalve DSM4000數(shù)字服務(wù)模塊，以實(shí)現(xiàn)不同條帶上測(cè)點(diǎn)壓力的同步采集。所有測(cè)壓閥置于模型內(nèi)部，采樣頻率為 256 Hz，采樣時(shí)間為 90 s。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 23 040。塑料導(dǎo)管過長(zhǎng)對(duì)采樣信號(hào)影響較大，為避免壓力信號(hào)失真，確保測(cè)壓管的長(zhǎng)度在 15 cm 以內(nèi)。

1.2" 格柵紊流場(chǎng)參數(shù)

為了避免試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮斐傻母蓴_，在壓力測(cè)量之前，在空風(fēng)洞中的模型前緣位置測(cè)量了流場(chǎng)特性。使用TFI Cobra探頭進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，采樣頻率為256 Hz，采樣時(shí)間為90 s，以獲得均勻紊流場(chǎng)，表2為本次試驗(yàn)的紊流場(chǎng)參數(shù)。為了確保格柵湍流能充分發(fā)展到近似均勻和各向同性狀態(tài)，測(cè)試模型水平安裝在格柵下游約4.5m的鋼支架上，如圖4所示。

紊流脈動(dòng)功率譜反映了紊流動(dòng)能在不同尺度漩渦中的分布情況，由圖5（a）可知（k1Su（k1）/σu2為順風(fēng)向歸一化的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜，k1為波數(shù)，Su（k1）為順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速功率譜，σu2為順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根）試驗(yàn)中的格柵紊流基本符合von Karman 譜。為驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)壓區(qū)格柵紊流場(chǎng)均勻性，在模型中心高度處沿展向?qū)Σ煌瑴y(cè)點(diǎn)紊流強(qiáng)度（Iu、Iw分別為縱向、豎向的紊流強(qiáng)度）進(jìn)行比較。由圖5（b）可知，同一高度，沿展向不同測(cè)點(diǎn)紊流強(qiáng)度十分接近，且在模型試驗(yàn)測(cè)壓區(qū)內(nèi)分布均勻，可認(rèn)為格柵紊流場(chǎng)具有良好的均勻性。

2" 風(fēng)壓系數(shù)

Cp=Pi－P

SymboleB@ 0.5U2

式中：Pi為模型表面第i個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓值；P∞為來流靜壓值；

SymbolrA@ 為空氣密度；U為來流風(fēng)速。

由于均勻格柵紊流作用下，每個(gè)條帶風(fēng)壓分布情況相同，故將五個(gè)條帶風(fēng)壓值求和再取平均作為分析結(jié)果。針對(duì)0°風(fēng)向角這一典型風(fēng)向角下各模型風(fēng)壓系數(shù)展開對(duì)比分析。

2.1" 豎條位置改變對(duì)平均風(fēng)壓分布的影響

以參考模型S、模型A1、模型B1為研究對(duì)象，此時(shí)豎條外伸寬度均為d=10%D，比較豎條位置改變對(duì)平均風(fēng)壓分布影響，結(jié)合圖6，平均風(fēng)壓分布如圖7所示。

工程結(jié)構(gòu)呂偉： 豎條對(duì)二維方柱風(fēng)壓特性影響研究

（1）迎風(fēng)面：來流在各模型迎風(fēng)面中點(diǎn)處停滯，然后往四周分流，當(dāng)氣流經(jīng)過豎條時(shí)，在豎條上發(fā)生局部分離，從而使得模型A1的風(fēng)壓值急劇降低，在6號(hào)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為負(fù)壓值，其值為-0.36；而迎風(fēng)邊緣7號(hào)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為正壓值。而當(dāng)豎條位置靠近迎風(fēng)邊緣時(shí)，即模型B1，由于豎條改變了迎風(fēng)邊緣氣流漩渦脫落，使得7號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)急劇下降，迎風(fēng)邊緣出現(xiàn)很大的負(fù)壓值，其值為-1.05。這與Stathopoulos和Zhu［1］的結(jié)論一致，即當(dāng)最外側(cè)豎框靠近迎風(fēng)邊緣時(shí)，使得建筑邊緣產(chǎn)生了很高的風(fēng)致吸力。

（2）側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面：總體上，參考模型S在側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面負(fù)壓絕對(duì)值均大于模型A1、B1。豎條位置改變使得側(cè)風(fēng)面氣流分離位置發(fā)生改變。模型A1 在側(cè)風(fēng)面氣流分離點(diǎn)8號(hào)測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生很大的負(fù)壓值，而模型B1在此處負(fù)壓值較小，對(duì)于負(fù)壓值而言： A1＞S＞B1。對(duì)于模型A1，由于氣流在靠近迎風(fēng)前緣的豎條上發(fā)生分離，使得9號(hào)測(cè)點(diǎn)負(fù)壓值進(jìn)一步增大，此時(shí)負(fù)壓值達(dá)最大，其值為-1.61。而且可以發(fā)現(xiàn)，參考模型S側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓變化較小，側(cè)風(fēng)面前后緣風(fēng)壓相差不大，模型表面安裝豎條使得側(cè)風(fēng)面前后緣風(fēng)壓差距變大。其中，模型A1側(cè)風(fēng)面前后緣風(fēng)壓變化較為明顯，差距較大。模型A1在迎風(fēng)前緣平均風(fēng)壓達(dá)最大，其值為-1.61，平均風(fēng)壓沿側(cè)風(fēng)面呈現(xiàn)梯度式減小，在后緣達(dá)最小，其值為-0.71。模型A1最小最大平均負(fù)壓系數(shù)差值為0.90；而模型S和B1，其差值分別為0.08和0.34。最小最大平均負(fù)壓系數(shù)差值： A1＞B1＞S，由此，安裝豎條使得模型負(fù)壓分布不均勻性變大，其中A1的負(fù)壓分布的不均勻程度最大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是模型表面所布置的豎條對(duì)高層建筑橫向擾流的局部阻礙作用［6］。模型B1側(cè)風(fēng)面負(fù)壓平均值較參考模型S降幅最大，最大降幅為19.1%。而模型A1降幅很小，僅為1.9%。

2.2" 豎條位置改變對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓分布的影響

以參考模型S、模型A1、模型B1為研究對(duì)象，此時(shí)豎條外伸寬度均為d=10%D，比較豎條位置改變對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓分布影響，如圖8所示。

總的來看， 參考模型S側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓值都比模型A1、B1大，說明豎條的布置能明顯降低側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓值，從而抑制側(cè)風(fēng)面氣流分離。

（1）迎風(fēng)面： 當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于兩豎條之間區(qū)域時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)壓分布與參考模型S基本一致。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于豎條附近時(shí)，即模型A1的6號(hào)測(cè)點(diǎn)和模型B1的7號(hào)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)壓脈動(dòng)值突然增大，其值分別為0.31和0.33。與平均風(fēng)壓在出現(xiàn)的負(fù)值原因相同，主要由氣流在豎條上發(fā)生局部分離從而引起較大的氣流紊亂。

（2）側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面：可以觀察到，模型A1在側(cè)風(fēng)面9號(hào)、12號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)脈動(dòng)風(fēng)壓峰值，模型B1在側(cè)風(fēng)面8號(hào)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)值達(dá)最大，其值為0.44。這說明對(duì)于模型A1，氣流在側(cè)風(fēng)面前后緣豎條上均產(chǎn)生了局部分離現(xiàn)象；而對(duì)于模型B1，氣流僅在前緣側(cè)面后緣豎條上發(fā)生局部分離。

模型A1、B1側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓平均值較參考模型S降幅均超過40%。豎條的布置可以明顯降低背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓值，而豎條安裝位置的改變對(duì)背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓影響較小，其中A1模型背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓平均值最小，其值為0.09左右，相比參考模型S整體降幅最大，其值為53.6%。

3" 研究模型表面氣動(dòng)力系數(shù)

在風(fēng)壓系數(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比平均阻力系數(shù)、脈動(dòng)升力系數(shù)的大小變化來分析豎條位置的改變對(duì)建筑氣動(dòng)力特性的影響。阻力系數(shù)、升力系數(shù)按時(shí)程表達(dá)式為式（1）、式（2）：

Cd=∑28i=1Pidisin（αi）0.5U2D（1）

Cl=∑28i=1PiLicos（αi）0.5U2D（2）

Pi為模型表面第 i 個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓值;Li為第 i 個(gè)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的計(jì)算長(zhǎng)度；αi 表示各測(cè)點(diǎn)所在邊與水平線夾角； D表示模型斷面寬度；

SymbolrA@ 為空氣密度;U為來流風(fēng)速。

為研究豎條對(duì)各模型氣動(dòng)力的影響，通過降幅R=C_S－C_MC_S×100%作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

其中C_M表示不同模型方柱的氣動(dòng)力，C_S表示參考模型S的氣動(dòng)力。

如表3所示，顯示了各模型平均阻力系數(shù)、脈動(dòng)升力系數(shù)。結(jié)果表明：相比于參考模型S，模型表面布置豎條都可以降低二維方柱氣動(dòng)力。兩種模型平均阻力系數(shù)降幅均超過20%，脈動(dòng)升力系數(shù)降幅均超過46%；同時(shí)，值得注意的是，模型A1的平均阻力系數(shù)降幅較大，為35.2%。因此當(dāng)豎條靠近模型內(nèi)側(cè)布置時(shí)，更有利于降低二維方柱表面風(fēng)荷載。

4" 結(jié)論

通過研究均勻紊流情況下，豎條布置位置的改變對(duì)二維方柱局部風(fēng)壓和氣動(dòng)力影響，對(duì)比分析了有無(wú)豎條以及豎條位置改變情況下，二維方柱平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓的差異，并且在此基礎(chǔ)上研究了三種工況下氣動(dòng)力系數(shù)的差異。得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）豎條的布置對(duì)于靠近迎風(fēng)邊緣測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓影響較大，其中當(dāng)豎條位置靠近迎風(fēng)拐角時(shí)（即模型B1），迎風(fēng)邊緣出現(xiàn) 較大的風(fēng)致吸力。豎條的布置均能有效降低側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面風(fēng)壓值。模型A1、B1側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓平均值較參考模型S降幅均超過40%。

（2）相比于參考模型S，模型表面布置豎條都可以降低二維方柱氣動(dòng)力。其中模型A1的平均阻力系數(shù)降幅較大，為35.2%。因此當(dāng)豎條位置靠近模型內(nèi)側(cè)時(shí)，更有利于降低二維方柱表面風(fēng)荷載。

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