韓 振，李 波,2，甄 偉，田玉基,2，李 晨

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

高層建筑是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確合理的確定作用在其上的風(fēng)荷載具有重要意義，風(fēng)剖面是影響高層建筑風(fēng)荷載的最主要參數(shù)之一[1-3]。DAVENPORT[4]給出了經(jīng)驗(yàn)性的指數(shù)率風(fēng)剖面模型，由于其簡(jiǎn)單、實(shí)用，得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了指數(shù)率風(fēng)剖面對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的影響。KAREEM 等[5]在風(fēng)洞中模擬了冪指數(shù)分別為0.12 和0.34 的邊界層風(fēng)場(chǎng)，對(duì)比了不同風(fēng)場(chǎng)下方形截面高層建筑側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓分布。CHOI 等[6]對(duì)不同寬厚比高層建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了3 種指數(shù)率邊界層風(fēng)場(chǎng)下建筑的風(fēng)荷載功率譜。KIM 等[7-8]則在不同指數(shù)率邊界層風(fēng)場(chǎng)中對(duì)多種非傳統(tǒng)形體超高建筑風(fēng)荷載特性及風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了研究，為工程實(shí)踐提供了參考。顧明等[9-11]基于我國(guó)荷載規(guī)范中的地貌，通過(guò)測(cè)壓、測(cè)力及測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了多種形體超高層建筑橫風(fēng)向的氣動(dòng)特性。李波等[12-13]也在風(fēng)洞中模擬了規(guī)范中B、D 類(lèi)地貌，研究了具有不同錐率的超高層建筑在這兩種風(fēng)場(chǎng)下的脈動(dòng)風(fēng)荷載特性，并給出了建筑橫風(fēng)向風(fēng)荷載模型?？梢?jiàn)，風(fēng)剖面對(duì)于高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)十分重要，且不同形體的高層建筑對(duì)風(fēng)剖面的敏感程度不同。

高層建筑大多位于城市中心區(qū)，而城市中心區(qū)具有復(fù)雜的下墊面結(jié)構(gòu)，這使得城市邊界層風(fēng)場(chǎng)的垂直方向形成了特殊的分層結(jié)構(gòu)，其特性與均勻粗糙地表自然形成的邊界層風(fēng)場(chǎng)不同[14]。隨著可觀測(cè)高度和觀測(cè)設(shè)備的精度不斷提高，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式研究城市中心區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性成為可能。KATO 等[15]根據(jù)布置在東京市區(qū)內(nèi)的超聲風(fēng)速儀實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，對(duì)城區(qū)湍流度、陣風(fēng)因子等垂直分布特征進(jìn)行了研究。DREW 等[16]利用多普勒激光雷達(dá)對(duì)倫敦市區(qū)的平均風(fēng)速剖面進(jìn)行了研究，并給出了適用于倫敦市區(qū)的風(fēng)速剖面模型。LI 等[17]、田玉基等[18]、ZHANG 等[19]、王京學(xué)等[20]、LI 等[21]、張?chǎng)析蔚萚22]則以北京氣象塔的實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，研究了北京中心城區(qū)邊界層風(fēng)速譜及不同分層結(jié)構(gòu)的湍流特性。

可以看出，對(duì)城市中心區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性的研究已取得一定進(jìn)展，但高層建筑在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)場(chǎng)選擇依賴(lài)于規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型，少有文獻(xiàn)對(duì)城市中心區(qū)不同分層結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下的高層建筑風(fēng)荷載特性展開(kāi)進(jìn)一步探究。為了彌補(bǔ)這方面的不足，本文選取北京氣象塔在2013 年-2017 年連續(xù)觀測(cè)的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，基于城市邊界層分層結(jié)構(gòu)，采用指數(shù)率模型擬合得到了實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面，并在風(fēng)洞中模擬了該實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)以及規(guī)范中的B、D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)。通過(guò)剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，研究了3 種風(fēng)場(chǎng)下寬厚比D/B=1, 2, 4 超高層建筑的風(fēng)荷載特性，為實(shí)際工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了參考。

1 實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)

北京氣象塔(39°58′N(xiāo)，116°22′E)位于北京市海淀區(qū)北三環(huán)馬甸橋北，總高度325 m。氣象塔方圓1 km 范圍內(nèi)地形復(fù)雜，包含公園綠地、道路、低矮房屋、商廈以及高層住宅，其中高層住宅主要分布于北側(cè)、西北側(cè)、南側(cè)及西南側(cè)，最高約為90 m，東西側(cè)則主要為樹(shù)木和低矮房屋混合區(qū)。方圓4 km 和20 km 范圍內(nèi)建筑平均高度分別為19.1 m 和18.3 m[23]。

氣象塔共有15 層觀測(cè)平臺(tái)，其中8 m、16 m、32 m、47 m、64 m、80 m、140 m、200 m 和280 m高度處分別布置了采樣頻率為10 Hz 的3 維超聲風(fēng)速儀，如圖1 所示。利用這9 個(gè)高度處的超聲風(fēng)速儀獲取了2013 年-2017 年的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，以10 min 為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，每個(gè)高度均得到 229 488 個(gè)10 min 樣本。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)城市中心區(qū)風(fēng)剖面及湍流結(jié)構(gòu)分析時(shí)，所采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)[16-17,24-27]，可知本文使用的5 年風(fēng)速數(shù)據(jù)具有代表性。文獻(xiàn)[21-22]已指出北京城市中心區(qū)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)在100 m 以下與100 m以上分層明顯，風(fēng)剖面變化規(guī)律不同，并給出了具體的城市邊界層分層結(jié)構(gòu)范圍，其中：氣象塔高度8 m、16 m 位于城市冠層；80 m 以下為粗糙子層；140 m 位于慣性子層；200 m、280 m 則位于混合層。根據(jù)以上分層結(jié)論，采用指數(shù)率模型對(duì)強(qiáng)風(fēng)樣本進(jìn)行風(fēng)剖面擬合，擬合所使用的高度范圍包含不同的結(jié)構(gòu)子層組合，并用統(tǒng)計(jì)量可決系數(shù)R2來(lái)度量擬合優(yōu)度[28]，其表達(dá)式為：

圖1 北京氣象塔觀測(cè)平臺(tái)Fig.1 Beijing Meteorological Tower

由表1 可以看出，選取不同的分層結(jié)構(gòu)組合擬合得到的冪指數(shù)α 不同，包含慣性子層和混合層的組合一般擬合的α 較大，且不同計(jì)算方法下的可決系數(shù)均達(dá)到97%以上。說(shuō)明受城市湍流分層結(jié)構(gòu)的影響，風(fēng)速剖面在慣性子層和混合層的變化規(guī)律與粗糙子層不同，指數(shù)率方法不僅適用于均勻粗糙地表自然形成的邊界層風(fēng)場(chǎng)，對(duì)擬合城市中心區(qū)不同分層結(jié)構(gòu)的風(fēng)剖面也是適用的。這樣便可根據(jù)建筑實(shí)際所在的分層結(jié)構(gòu)，選擇不同的風(fēng)剖面。

表1 不同分層結(jié)構(gòu)的風(fēng)剖面擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of wind profiles with different layered structures

本文所研究的超高層建筑高400 m，其高度范圍涵蓋所有分層結(jié)構(gòu)，因此取表1 中C 組平均風(fēng)速剖面擬合結(jié)果用于后續(xù)研究，其冪指數(shù)α=0.35，同時(shí)采用我國(guó)規(guī)范[29]給出的順風(fēng)向湍流度模型對(duì)湍流度剖面進(jìn)行擬合，如圖2 所示?？梢钥闯觯瑪M合得到的實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)10 m 高度處的名義湍流度I10為0.52，其平均風(fēng)速剖面與D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)相似，湍流度剖面則大于D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)。

圖2 北京氣象塔實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)擬合結(jié)果及與規(guī)范風(fēng)場(chǎng)的比較Fig.2 Fitting results of the measured wind field in the Beijing Meteorological Tower and comparison with wind fields in the code

2 風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)

本試驗(yàn)在北京交通大學(xué)BJ-1 回流邊界層風(fēng)洞進(jìn)行，通過(guò)在風(fēng)洞中擺放不同組合形式的尖劈和粗糙元，模擬了規(guī)范中的B、D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)以及圖2 中指數(shù)率擬合的實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)，縮尺比均為1∶1000，并給出了建筑0.63Hr高度處順風(fēng)向u的脈動(dòng)風(fēng)速譜，如圖3 所示，其中：U、Ur、H、Hr分別為風(fēng)速、建筑參考點(diǎn)處風(fēng)速、高度、建筑參考點(diǎn)處高度；f為頻率；Lu為湍流積分尺度；Su(f)為脈動(dòng)風(fēng)速譜密度；σu為脈動(dòng)風(fēng)速均方根?？梢钥闯?，3 種風(fēng)場(chǎng)風(fēng)洞模擬結(jié)果較好，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖3 試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)Fig.3 Testing wind flows

為了能夠更加直觀的比較3 種風(fēng)場(chǎng)湍流度的大小，計(jì)算了特征湍流強(qiáng)度[30]，其本質(zhì)為一定高度范圍內(nèi)湍流度的平均，即：

式中：Iu(zi)為風(fēng)場(chǎng)中第i個(gè)測(cè)點(diǎn)高度處的湍流強(qiáng)度；zi、Δzi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)離風(fēng)洞地面的高度和特征高度。

表2 給出了建筑典型高度處特征湍流度的大小?？梢钥闯?，隨著高度的增加，3 種風(fēng)場(chǎng)的特征湍流度均逐漸減小。實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)與D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)相比，其特征湍流度在建筑底部及中上部的差別分別約為2.7%和2.2%。

表2 建筑典型高度處的特征湍流度 /(%)Table 2 Characteristic turbulence intensity at typical heights of buildings

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)壓點(diǎn)布置方式如圖4 所示，模型高度均為400 mm，寬厚比D/B=1, 2, 4，幾何縮尺比1∶1000，立面共布置了11 層測(cè)壓點(diǎn)。試驗(yàn)風(fēng)向角θ 為0°～90°，間隔5°，共計(jì)19 個(gè)風(fēng)向角。以建筑體軸為基準(zhǔn)，沿建筑長(zhǎng)邊方向?yàn)閤向，短邊方向?yàn)閥向，繞體軸的扭轉(zhuǎn)向?yàn)閠向。模型頂部風(fēng)速保持在11 m/s 左右，使用電子掃描閥采集建筑表面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，采樣頻率312.5 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 風(fēng)壓系數(shù)

根據(jù)風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果，圖5 給出了0°、45°和90°風(fēng)向角時(shí)，3 種風(fēng)場(chǎng)下建筑2/3 高度處風(fēng)壓系數(shù)的分布。

圖5 不同風(fēng)場(chǎng)下，建筑2/3 高度處風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.5 Distribution of wind pressure coefficients at the 2/3 height of buildings in different wind fields

可以看出，對(duì)于D/B=1 建筑，實(shí)測(cè)工況下的風(fēng)壓系數(shù)在45°和90°風(fēng)向角時(shí)的分布規(guī)律同D 類(lèi)工況基本相同，其對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值最小，B 類(lèi)工況最大。而實(shí)測(cè)工況下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在45°風(fēng)向角時(shí)，在建筑迎風(fēng)及背風(fēng)尖角兩側(cè)具有較大值，其中6 號(hào)和15 號(hào)測(cè)點(diǎn)在實(shí)測(cè)工況下的脈動(dòng)值分別比B、D 類(lèi)工況大了63.5%、12.3%和36.9%、6.7%；在90°風(fēng)向角時(shí)，則在建筑迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面上游具有較大值，在側(cè)風(fēng)面下游和背風(fēng)面與D 類(lèi)工況相同，且小于B 類(lèi)工況。

對(duì)于D/B=2 建筑，實(shí)測(cè)工況下的風(fēng)壓系數(shù)在3 個(gè)風(fēng)向角下的分布規(guī)律同樣與D 類(lèi)工況相似。其中0°風(fēng)向角時(shí)，建筑迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面及背風(fēng)面在實(shí)測(cè)工況下的風(fēng)壓系數(shù)值均與D 類(lèi)工況差別較小；45°風(fēng)向角時(shí)，平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在迎風(fēng)尖角的兩側(cè)發(fā)生較大梯度變化，其中9 號(hào)測(cè)點(diǎn)在B 類(lèi)工況下的平均風(fēng)壓系數(shù)分別比D 類(lèi)和實(shí)測(cè)工況大了24.7%和31.3%，10 號(hào)測(cè)點(diǎn)在實(shí)測(cè)工況下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分別比B、D 類(lèi)工況大了42.2%和6.9%；90°風(fēng)向角時(shí)，D 類(lèi)和實(shí)測(cè)工況的風(fēng)壓系數(shù)值同樣相近，但在建筑側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)變化梯度較B 類(lèi)工況更明顯，說(shuō)明湍流度的增大會(huì)使分離剪切層前移，從而在側(cè)風(fēng)面發(fā)生了分離流再附現(xiàn)象[31]。

對(duì)于D/B=4 建筑，3 個(gè)風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)在不同風(fēng)場(chǎng)下的差別不顯著，而脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下的值明顯大于B、D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)。其中0°風(fēng)向角時(shí)，迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)最大值在中心8 號(hào)測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)工況比B、D 類(lèi)工況分別大了82.0%和18.5%。側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)則呈增大趨勢(shì)，20 號(hào)測(cè)點(diǎn)在實(shí)測(cè)工況下的值比B、D 類(lèi)工況分別大了74.5%和18.5%；45°風(fēng)向角時(shí)，3 種工況下迎風(fēng)尖角的兩側(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)發(fā)生了更大的梯度變化，實(shí)測(cè)工況下15 號(hào)和16 號(hào)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)值分別比B、D 類(lèi)工況大了84.6%、21.4%和52.0%、14.4%；90°風(fēng)向角時(shí)，建筑迎風(fēng)面中心18 號(hào)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)值比B、D 類(lèi)工況分別大了85.4%和19.6%。側(cè)風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，3 種工況下的脈動(dòng)值在上游差別較大，通常認(rèn)為脈動(dòng)風(fēng)壓最大值處為再附點(diǎn)位置[32-33]，以建筑上側(cè)面為例，實(shí)測(cè)工況再附點(diǎn)與D 類(lèi)工況相同在上側(cè)面上游11 號(hào)測(cè)點(diǎn)，B 類(lèi)工況相對(duì)滯后在9 號(hào)測(cè)點(diǎn)，再附點(diǎn)處實(shí)測(cè)工況的脈動(dòng)值比B、D 類(lèi)工況分別大了36.9%和14.3%。氣流的再附同時(shí)使建筑尾流變窄，側(cè)風(fēng)面下游及背風(fēng)面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)逐漸趨于一致。

3.2 層風(fēng)力系數(shù)

為了進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的影響，圖6 給出了0°、45°和90°風(fēng)向角時(shí)，3 種風(fēng)場(chǎng)下建筑層風(fēng)力系數(shù)沿高度的分布。

圖6 不同風(fēng)場(chǎng)下，建筑層風(fēng)力系數(shù)沿高度的分布Fig.6 Distribution of local wind force coefficients along the height of buildings in different wind fields

可以看出，對(duì)于D/B=1 建筑，實(shí)測(cè)工況的層風(fēng)力系數(shù)沿高度的分布規(guī)律總體同D 類(lèi)工況較為相似，而與B 類(lèi)工況存在較大差別。其中45°風(fēng)向角時(shí)，實(shí)測(cè)工況下x向平均層風(fēng)力系數(shù)值與D 類(lèi)工況相同，x向及扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)值與D 類(lèi)工況的差別則主要在建筑中上部分別約為12.5%和12.3%；90°風(fēng)向角時(shí)，x向平均層風(fēng)力系數(shù)及y向脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)隨湍流度的增大而減小，實(shí)測(cè)工況同D 類(lèi)工況相比，x向平均值在建筑不同高度處的差別約為7.2%，y向脈動(dòng)值則在建筑中下部略有差別僅有5.0%左右。而x向及扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)層間力系數(shù)在實(shí)測(cè)工況下最大且與D 類(lèi)工況的差別在建筑中上部較為明顯分別約為7.5%和9.5%。

對(duì)于D/B=2 建筑，3 個(gè)風(fēng)向角下實(shí)測(cè)工況的層風(fēng)力系數(shù)沿高度的分布規(guī)律同樣與D 類(lèi)工況相似。其中0°風(fēng)向角時(shí)，實(shí)測(cè)工況下y向平均層風(fēng)力系數(shù)最小，且在建筑不同高度處與D 類(lèi)工況的差別約為6.1%，y向及扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)值則在建筑中上部有差別分別比D 類(lèi)工況大了約8.1%和6.3%，而x向脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)與D 類(lèi)工況差別并不明顯；45°風(fēng)向角時(shí)，建筑不同高度處x向、y向及扭轉(zhuǎn)向平均層風(fēng)力系數(shù)在實(shí)測(cè)工況下的值比D 類(lèi)工況小了約5.5%，而實(shí)測(cè)工況下3 個(gè)方向的脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)與D 類(lèi)工況的差別依然在建筑中上部約7.3%；90°風(fēng)向角時(shí)的層風(fēng)力系數(shù)變化規(guī)律與0°風(fēng)向角類(lèi)似，建筑不同高度處x向平均層風(fēng)力系數(shù)在實(shí)測(cè)工況的值比D 類(lèi)工況小了約6.8%，脈動(dòng)值則在建筑中上部比D 類(lèi)工況大了約6.3%。而y向及扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)基本與D 類(lèi)工況相同。

對(duì)于D/B=4 建筑，實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)荷載顯著增強(qiáng)。0°風(fēng)向角時(shí)，其y向平均層風(fēng)力系數(shù)在實(shí)測(cè)工況不同高度處的值大于D 類(lèi)工況約9.3%，B 類(lèi)工況則在建筑0.7H以下具有較大值，0.7H以上接近D 類(lèi)工況。而脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)均隨著湍流度的增加而增大，實(shí)測(cè)工況下x向、y向及扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)值與D 類(lèi)工況在不同高度處的差別分別約為14.4%～16.8%、22.2%～23.3%和11.1%～15.2%；45°風(fēng)向角時(shí)，建筑不同高度處x向、y向及扭轉(zhuǎn)向平均層風(fēng)力系數(shù)在實(shí)測(cè)工況下的值比D 類(lèi)工況大了約8.8%，脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)則分別大了約14.6%～20.9%、23.2%～26.1%和15.5%～19.2%；90°風(fēng)向角時(shí)，建筑x向平均層風(fēng)力系數(shù)沿高度的分布規(guī)律與0°風(fēng)向角y向基本相同，x向和y向脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)在實(shí)測(cè)工況下的值與D 類(lèi)工況相比，建筑不同高度處的差別約為19.3%～22.9%和22.4%～30.9%。扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)值沿建筑高度的增加呈減小趨勢(shì)，在建筑底部最大，且實(shí)測(cè)工況在建筑不同高度處與D 類(lèi)工況的差別有12.2%～20.6%，實(shí)測(cè)工況扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更明顯。

3.3 基底力矩系數(shù)

以建筑體軸為基準(zhǔn)，圖7 給出了3 種風(fēng)場(chǎng)下，建筑基底x向、y向及扭轉(zhuǎn)向力矩系數(shù)隨風(fēng)向角的變化。

圖7 不同風(fēng)場(chǎng)下，建筑基底力矩系數(shù)隨風(fēng)向角的變化Fig.7 Variation of base moment coefficients of buildings with wind angles in different wind fields

可以看出，對(duì)于D/B=1 建筑，其x向平均力矩系數(shù)在實(shí)測(cè)工況下的值與D 類(lèi)工況基本一致，正向和反向最大值分別出現(xiàn)在90°和10°風(fēng)向角，x脈動(dòng)力矩系數(shù)隨風(fēng)向角總體呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，在0°～10°風(fēng)向角時(shí)，實(shí)測(cè)工況同D 類(lèi)工況幾乎相同，且小于B 類(lèi)工況。當(dāng)風(fēng)向角大于10°時(shí)，差別逐漸明顯，實(shí)測(cè)工況值變?yōu)樽畲?，B 類(lèi)工況值最小，90°風(fēng)向角時(shí)，實(shí)測(cè)工況脈動(dòng)力矩系數(shù)比B、D 類(lèi)工況分別大了37.2%和7.9%；y向力矩系數(shù)變化規(guī)律與x向具有對(duì)稱(chēng)性，便不再詳述；扭轉(zhuǎn)向力矩系數(shù)在0°～45°和45°～90°間對(duì)稱(chēng)分布，其平均值分別在75°和15°達(dá)到正向和反向的最大值，且實(shí)測(cè)工況與D 類(lèi)分布規(guī)律一致。脈動(dòng)值則在實(shí)測(cè)工況下總體大于B、D 類(lèi)工況，其中45°風(fēng)向角時(shí)，實(shí)測(cè)工況比B、D 類(lèi)工況分別大了110.1%和8.8%，90°風(fēng)向角時(shí)分別大了42.0%和10.3%。

對(duì)于D/B=2 建筑，其x向平均力矩系數(shù)在實(shí)測(cè)工況的值同D 類(lèi)工況一致，正向和反向最大值分別出現(xiàn)在70°和15°風(fēng)向角。x向脈動(dòng)力矩系數(shù)在風(fēng)向角大于15°后，實(shí)測(cè)工況和D 類(lèi)工況的差別逐漸明顯，其中80°風(fēng)向角時(shí)，實(shí)測(cè)工況比B、D 類(lèi)工況分別大了46.4%和6.5%；y向力矩系數(shù)平均值在0°～90°風(fēng)向角內(nèi)逐漸減小，且實(shí)測(cè)工況的值同樣與D 類(lèi)工況相同，脈動(dòng)值則在0°～10°風(fēng)向角具有較大值，其中10°風(fēng)向角時(shí)，實(shí)測(cè)工況比B、D 類(lèi)工況分別大了39.2%和7.2%。而在85°～90°風(fēng)向角時(shí)，B 類(lèi)工況變?yōu)樽畲?；?duì)于扭轉(zhuǎn)向力矩系數(shù)，其平均值的正向和反向最大值分別出現(xiàn)在80°和30°風(fēng)向角，且B 類(lèi)工況最大，實(shí)測(cè)工況最小。脈動(dòng)值在實(shí)測(cè)工況和D 類(lèi)工況下的差別并不明顯，而B(niǎo) 類(lèi)工況在80°風(fēng)向角后突然增加，90°時(shí)達(dá)到最大。

對(duì)于D/B=4 建筑，其x向平均力矩系數(shù)在0°～40°風(fēng)向角時(shí)，3 種工況值基本相同，40°風(fēng)向角后，差別略有增大，且實(shí)測(cè)工況值介于B、D 類(lèi)工況之間，最大值出現(xiàn)在70°風(fēng)向角。x向脈動(dòng)力矩系數(shù)在0°～90°風(fēng)向內(nèi)，實(shí)測(cè)工況值均大于B、D 類(lèi)工況，且最大值出現(xiàn)在20°風(fēng)向角，此時(shí)實(shí)測(cè)工況比B、D 類(lèi)工況分別大了41.0%和15.0%；對(duì)于y向力矩系數(shù)，其平均值在0°～90°風(fēng)向角內(nèi)逐漸減小，實(shí)測(cè)工況與B 類(lèi)工況值基本相同，且略大于D 類(lèi)工況。脈動(dòng)值則隨著風(fēng)向角的增大3 種工況差別逐漸減小，其中脈動(dòng)最大和最小值分別出現(xiàn)在15°和90°風(fēng)向角，此時(shí)實(shí)測(cè)工況比B、D 類(lèi)工況分別大了79.6%、27.3%和34.5%、26.3%；扭轉(zhuǎn)向力矩系數(shù)平均值在0°～65°風(fēng)向角呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，B 類(lèi)工況值最大，實(shí)測(cè)工況次之，其中反向最大值出現(xiàn)在40°風(fēng)向角，此時(shí)B 類(lèi)工況比D 類(lèi)和實(shí)測(cè)工況分別大了17.4%和8.1%。70°～85°風(fēng)向角時(shí)，B 類(lèi)工況變?yōu)樽钚?，而D 類(lèi)和實(shí)測(cè)工況依然保持較大值。脈動(dòng)值在0°～60°風(fēng)向角呈減小趨勢(shì)，變化較為平緩，60°風(fēng)向角后逐漸增大，且在80°時(shí)出現(xiàn)峰值，峰值處實(shí)測(cè)工況比B、D 類(lèi)工況分別大了26.1%和17.0%。

總的來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)與B、D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)相比，對(duì)建筑的平均風(fēng)荷載影響較小，脈動(dòng)風(fēng)荷載影響較大。不同風(fēng)向角下，D/B=1, 2 建筑基底3 個(gè)方向力矩系數(shù)在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下的脈動(dòng)值與D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)的差別在12%以?xún)?nèi)，而D/B=4 建筑基底x向，y向及扭轉(zhuǎn)向力矩系數(shù)在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下的脈動(dòng)值分別大于D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)約14%～30%、22%～30%和12%～23%。

3.4 基底風(fēng)荷載相關(guān)性

表3 給出了0°和90°風(fēng)向角時(shí)，建筑在3 種風(fēng)場(chǎng)下基底力矩間的相關(guān)系數(shù)。

表3 建筑基底力矩間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between the base moments of buildings

可以看出，對(duì)于D/B=1 建筑，0°和90°風(fēng)向角時(shí)，基底x向與扭轉(zhuǎn)向力矩間(Mx-Mt)和y向與扭轉(zhuǎn)向力矩間(My-Mt)，即橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.5，且隨著湍流度的增加略有減小；對(duì)于D/B=2 建筑，90°風(fēng)向角時(shí)的基底橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向相關(guān)性明顯小于0°風(fēng)向角，且相關(guān)系數(shù)隨著湍流度增大的而減小，實(shí)測(cè)工況的相關(guān)系數(shù)僅有0.28；對(duì)于D/B=4 建筑，0°風(fēng)向角時(shí)，基底橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向相關(guān)系數(shù)在不同風(fēng)場(chǎng)下的變化并不明顯，基本保持在0.5 左右。而90°風(fēng)向角時(shí)，基底橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向相關(guān)系數(shù)隨湍流度的增加明顯增大，實(shí)測(cè)工況下的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.81。

為了進(jìn)一步說(shuō)明建筑基底力矩間的關(guān)系，分析了3 種風(fēng)場(chǎng)下D/B=1, 2, 4 建筑基底力矩間的極值與同步比值，即在特定時(shí)段內(nèi)，當(dāng)某一主方向力矩達(dá)到極值時(shí)，同時(shí)刻從方向力矩與其極值的比值，可以比較建筑基底兩個(gè)方向力矩間極值相關(guān)性的強(qiáng)弱[34-36]。以實(shí)際10 min 為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距，將試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)劃分為100 個(gè)10 min 子樣本，B、D 類(lèi)及實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下每個(gè)子樣本分別包含約為800、1380 和1650 個(gè)樣本點(diǎn)。由于篇幅有限，本文僅分析90°風(fēng)向角時(shí)，且當(dāng)建筑基底y向力矩系數(shù)取得極值時(shí)(Mymax)，扭轉(zhuǎn)向同步比值(|Mt(Mymax)/Mtmax|)的分布規(guī)律，同時(shí)將同步比值區(qū)間劃分為10 個(gè)子區(qū)間，計(jì)算了每個(gè)子區(qū)間內(nèi)子樣本比例，如圖8 所示。

圖8 建筑基底力矩系數(shù)極值與同步比值Fig.8 Maximum and simultaneous ratio of base moment coefficients of buildings

可以看出，對(duì)于D/B=1 建筑，Mymax對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)向同步比值在實(shí)測(cè)工況下子區(qū)間0.2～0.3 和0.6～0.7 含有的子樣本較多，比例分別為22%和16%，而在B、D 工況下則分別集中于0.1～0.6 和0.2～0.7，子樣本比例分別為72%和75%；對(duì)于D/B=2 建筑，Mymax的離散度隨著湍流度的增加而增大，但Mymax對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)向同步比值分布受風(fēng)場(chǎng)變化影響較小，均主要分布在縱軸中下部，B、D 類(lèi)及實(shí)測(cè)工況在區(qū)間0～0.6 含有的子樣本比例分別為87%、81%和84%；對(duì)于D/B=4 建筑，Mymax的離散度同樣在實(shí)測(cè)工況下較大，Mymax對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)向同步比值在B 類(lèi)工況下分布于縱軸中部，區(qū)間0.3～0.7 含有58%的子樣本，而在D 類(lèi)和實(shí)測(cè)工況下則集中于縱軸中上部，其中D 類(lèi)工況有92%子樣本分布在0.4～1.0，實(shí)測(cè)工況則有68%子樣本集中于0.7～1.0，且0.9～1.0 子區(qū)間含有的子樣本最多，比例達(dá)30%。

4 結(jié)論

基于北京氣象塔2013 年-2017 年連續(xù)觀測(cè)的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，并結(jié)合城市邊界層分層結(jié)構(gòu)，采用指數(shù)率模型對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面進(jìn)行了擬合。通過(guò)風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)研究了寬厚比D/B=1, 2, 4 超高層建筑在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)及規(guī)范中的B、D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)下的風(fēng)荷載特性，其主要結(jié)論如下：

(1) 對(duì)于D/B=1, 2 建筑，實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下，其在3 個(gè)風(fēng)角的風(fēng)壓系數(shù)和層風(fēng)力系數(shù)分布規(guī)律同D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)更接近，且建筑基底3 個(gè)方向力矩系數(shù)在不同風(fēng)向角下的平均值也與D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)基本相同，而脈動(dòng)值與D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)的差別在12%以?xún)?nèi)；

(2) 對(duì)于D/B=4 建筑，實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下，其在3 個(gè)風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)層風(fēng)力系數(shù)明顯大于B、D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)；不同風(fēng)向角下，建筑基底x向、y向及扭轉(zhuǎn)向力矩系數(shù)在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下的平均值與B、D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)差別較小，而脈動(dòng)值則分別大于D 類(lèi)風(fēng)場(chǎng)約14%～30%、22%～30%和12%～23%；

(3) 建筑基底橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向力矩系數(shù)間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且存在極值相關(guān)性，特別是90°風(fēng)向角時(shí)的D/B=4 建筑，兩種相關(guān)性在實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)下均顯著增強(qiáng)。