風(fēng)場(chǎng)類型對(duì)高層建筑風(fēng)壓特性的影響研究

劉 鋼 李永貴 肖翅翔 李 毅

（1.湖南科技大學(xué)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與振動(dòng)控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)<土木工程學(xué)院>，湖南 湘潭 411201）

0 引言

風(fēng)荷載是高層建筑設(shè)計(jì)中的控制性水平荷載，高層建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下會(huì)發(fā)生較大幅度的振動(dòng)，引起比較明顯的氣動(dòng)彈性效應(yīng)， 產(chǎn)生較大的風(fēng)致響應(yīng)。Kareem[1]通過(guò)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，獲得了橫風(fēng)向外加氣動(dòng)力譜，并用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)。 張建國(guó)等人[2]通過(guò)7 種典型高層建筑剛性模型同步測(cè)壓試驗(yàn)，分析了各層橫風(fēng)向荷載的橫向湍流作用和旋渦脫落激勵(lì)作用并求得各自對(duì)應(yīng)的橫風(fēng)向1 階廣義力譜， 研究結(jié)果表明：橫向湍流對(duì)橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的貢獻(xiàn)較小，而旋渦脫落激勵(lì)對(duì)總橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的貢獻(xiàn)較大；在不同的風(fēng)場(chǎng)中這些貢獻(xiàn)會(huì)發(fā)生改變。 張明月等[3]研究了地貌類型對(duì)矩形截面高層建筑風(fēng)力特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：隨著地貌類型的增加，順風(fēng)向平均風(fēng)力減小，脈動(dòng)風(fēng)力增大，橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)力整體上變化較小，扭轉(zhuǎn)向脈動(dòng)風(fēng)力明顯增大。

圖1 風(fēng)洞中四類風(fēng)場(chǎng)的流場(chǎng)參數(shù)

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，以高度為300 m 的方形建筑為原型制作了縮尺剛性測(cè)壓模型，對(duì)四類地貌下模型的風(fēng)力特性進(jìn)行研究，分析了風(fēng)場(chǎng)類型對(duì)高層建筑風(fēng)壓特性的影響，研究結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)

風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南科技大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為4 m×3 m×21 m（寬×高×長(zhǎng)），風(fēng)速在 0～30 m/s 范圍連續(xù)可調(diào)，流場(chǎng)性能優(yōu)良。 采用澳大利亞TFI 公司生產(chǎn)的三維脈動(dòng)風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速和湍流強(qiáng)度測(cè)量。風(fēng)場(chǎng)是指建筑結(jié)構(gòu)所處的風(fēng)環(huán)境，我國(guó)（GB 50009—2012）[4]根據(jù)不同地理環(huán)境和人口密集程度劃分出了A、B、C、D 四類風(fēng)場(chǎng)（四類地貌對(duì)應(yīng)四類風(fēng)場(chǎng)），對(duì)應(yīng)的地面粗糙度指數(shù)分別為 0.12、0.15、0.22、0.30。 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)風(fēng)場(chǎng)為 1∶400 的A、B、C、D 類風(fēng)場(chǎng)，四類風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度剖面見圖 1。 圖中，UZ為 Z 高度處平均風(fēng)速，UH為模型頂部高度處平均風(fēng)速。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

剛性測(cè)壓模型由ABS 塑料板制作，具有足夠的剛度和強(qiáng)度；模型高度為750 mm，截面邊長(zhǎng)為100 mm，測(cè)壓管長(zhǎng)度均為850 mm。 考慮到風(fēng)力對(duì)建筑物的作用隨高度的增加而增加，測(cè)點(diǎn)層上密下疏，由于模型的對(duì)稱性，模型每個(gè)立面上的測(cè)點(diǎn)布置是相同的。 圖2（a）為模型測(cè)點(diǎn)布置，2（b）為試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯廨喞?/p>

圖2 剛性測(cè)壓模型

圖3 風(fēng)力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 層風(fēng)力系數(shù)

圖3 給出了四類風(fēng)場(chǎng)下結(jié)構(gòu)層升力、阻力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。 從圖中可以看出，四類風(fēng)場(chǎng)下層平均阻力系數(shù)隨著風(fēng)向角的增大而減小，A、B 類風(fēng)場(chǎng)平均阻力系數(shù)值較為接近且明顯大于C、D 類風(fēng)場(chǎng)；四類風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)阻力系數(shù)整體上隨著風(fēng)向角的增大而減小，且A、B 類風(fēng)場(chǎng)的變化曲線起伏較大。 四類風(fēng)場(chǎng)平均升力系與風(fēng)場(chǎng)類型成正相關(guān)關(guān)系且隨著風(fēng)向角先減小后增大，脈動(dòng)升力系數(shù)隨著風(fēng)向角增大而減小且與風(fēng)場(chǎng)類型成反相關(guān)關(guān)系。

2.2 脈動(dòng)風(fēng)力譜

圖4 給出了模型在四類風(fēng)場(chǎng)下不同風(fēng)向角單軸的基底彎矩功率譜。 風(fēng)向角為0°時(shí)，橫風(fēng)向受旋渦脫落產(chǎn)生的周期性渦激力的影響，四類風(fēng)場(chǎng)在高頻處出現(xiàn)尖峰（對(duì)應(yīng)方形截面建筑的斯托羅哈數(shù)），呈窄帶特性且譜峰值與風(fēng)場(chǎng)類型成反相關(guān)關(guān)系，在低頻段譜值與風(fēng)場(chǎng)類型成正相關(guān)關(guān)系。探究其原因是湍流對(duì)低頻段貢獻(xiàn)較大， 湍流度增大導(dǎo)致低頻段譜值有所增加，高頻段譜值減小。 隨著風(fēng)向角的增加，結(jié)構(gòu)單軸逐漸由橫風(fēng)向向順風(fēng)向轉(zhuǎn)移， 能量由高頻區(qū)向低頻區(qū)轉(zhuǎn)移，四類風(fēng)場(chǎng)的基底彎矩譜均呈寬帶特征。

3 結(jié)論

（1）A、B 類風(fēng)場(chǎng)平均阻力系數(shù)大于 C、D 類風(fēng)場(chǎng)，且其脈動(dòng)阻力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線起伏較大；四類風(fēng)場(chǎng)層平均升力系數(shù)與風(fēng)場(chǎng)類型成正相關(guān)關(guān)系，層脈動(dòng)升力系數(shù)與風(fēng)場(chǎng)類型成反相關(guān)關(guān)系。

（2）在橫風(fēng)向，四類風(fēng)場(chǎng)基底彎矩功率譜在高頻處出現(xiàn)尖峰，呈窄帶特性，且譜峰值與風(fēng)場(chǎng)類型成反相關(guān)關(guān)系。 順風(fēng)向譜峰消失，四類風(fēng)場(chǎng)基底彎矩功率譜密度呈寬帶特性。

圖4 基底彎矩功率譜