周邊建筑對大跨屋蓋風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)研究

李 波，楊慶山，馮少華，范 重

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中國建筑設(shè)計研究院，北京 100044）

周邊建筑對大跨屋蓋風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)研究

李 波1，楊慶山1，馮少華1，范 重2

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中國建筑設(shè)計研究院，北京 100044）

以天津國際金融會議酒店為例，采用多通道同步測壓風(fēng)洞試驗技術(shù)，研究了周圍高層建筑對大跨屋蓋風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)。試驗結(jié)果表明：位于大跨屋蓋兩側(cè)的高層建筑將引起明顯的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，作用于大跨屋蓋的風(fēng)荷載將顯著增加，但大跨屋蓋上游高層建筑的“遮擋”作用，有利于減小兩側(cè)高層建筑引起的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，而下游高層建筑會加劇屋蓋局部區(qū)域的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)。周圍高層建筑物的出現(xiàn)，增加了來流中的湍流成分，使得作用于大跨屋蓋的脈動風(fēng)荷載增大。

大跨屋蓋；干擾效應(yīng)；風(fēng)荷載；風(fēng)洞試驗；壓力系數(shù)

TU312.1

A

0 引 言

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)具有自重輕、柔性大、自振頻率低等特點，風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要控制荷載［1－2］。已有研究表明，屋蓋表面風(fēng)壓分布不僅與來流的脈動特性相關(guān)，還會受到由自身幾何形狀引起的特征湍流的影響［3－4］。針對這一特點，國內(nèi)外很多學(xué)者對典型屋蓋的風(fēng)荷載特性進行了相關(guān)研究，得到了一些有意義的結(jié)論［5－6］。然而，城市環(huán)境中周圍建筑物的高度普遍較大跨屋蓋高，作用于屋蓋的風(fēng)荷載還將顯著受到周圍建筑干擾效應(yīng)的影響［7］，這給該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計帶來很大困難。

天津國際金融會議酒店（圖1）位于天津濱海新區(qū)于家堡金融區(qū)起步區(qū)03～04地塊，地下2層，地上12層，建筑總高60m。天津國際金融會議酒店主體結(jié)構(gòu)是由8個巨型柱和巨型桁架梁組合構(gòu)成的巨型框架結(jié)構(gòu)。屋頂大跨屋蓋平面呈“∞”形，采用雙向桁架體系，將兩個塔樓連接為整體。大跨屋蓋沿周邊大懸挑，形成了獨特的建筑造型。由于天津國際金融會議酒店周圍有大量高層建筑，并且分布不均，作用于其上的風(fēng)荷載十分復(fù)雜。

圖1 天津國際金融會議酒店Fig.1 Tianjin international financial hotel

本文中筆者采用同步測壓技術(shù)［8］進行了天津國際金融會議酒店剛性模型風(fēng)洞試驗，研究了周圍高層建筑物對其屋蓋平均風(fēng)壓、脈動風(fēng)壓的影響，為該類結(jié)構(gòu)的風(fēng)致干擾效應(yīng)研究奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)洞試驗概況

1.1 試驗風(fēng)場

試驗在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心STY－1風(fēng)洞低速試驗段進行，該風(fēng)洞低速試驗段寬4.0m，高3.0m，長24.0m，最大風(fēng)速大于30.0m／s。在正式試驗前，首先通過尖塔和立方體粗糙元的組合，按照我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009－2001）的規(guī)定，模擬了1∶200的B類風(fēng)場（地面粗糙度指數(shù)α＝0.16），風(fēng)場平均風(fēng)剖面如圖2所示。圖中Z、Zr、U、Ur、α分別為高度、參考點高度、風(fēng)速、參考點處風(fēng)速和風(fēng)速剖面冪指數(shù)，本次試驗中，參考點設(shè)置在模型頂部高度處。

圖2 平均風(fēng)速與湍流度剖面Fig.2 Mean wind speed and turbulence profiles

1.2 試驗?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)處理

試驗?zāi)Ｐ蜑閯傂阅Ｐ停鶕?jù)設(shè)計圖紙，采用有機玻璃板制作，主體模型具有足夠的強度和剛度，在試驗過程不會發(fā)生變形和振動，以保證壓力測量的精度。根據(jù)實際建筑物的大小和風(fēng)洞試驗阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶200。

試驗分為單體和考慮周圍建筑物干擾效應(yīng)兩種工況，每種工況在0°～360°范圍內(nèi)每轉(zhuǎn)動10°測試一次，周圍建筑物分布與主要風(fēng)向角定義如圖3（a）所示。試驗中，屋蓋封閉區(qū)域采用單面測壓技術(shù)，在屋蓋外表面布置177個測壓點；屋蓋懸挑區(qū)域則采用雙面測壓技術(shù)，在屋蓋內(nèi)、外表面布置140個測壓點（圖3（b））。測點處設(shè)置測壓管，用來測量各點的瞬時風(fēng)壓。試驗中采用美國Scanivalve公司電子掃描閥測壓系統(tǒng)，采樣頻率312.5Hz，每個通道采樣點數(shù)為9000，采樣時間28.8s。

圖3 試驗?zāi)Ｐ图皽y點布置Fig.3 Test model and taps distribution

在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中，物體表面的壓力通常用對應(yīng)于參考點的無量綱壓力系數(shù)表示，該系數(shù)可按（1）式確定［9］：

風(fēng)壓符號約定為：壓力向上或向外為負，壓力向下或向內(nèi)為正。

2 平均風(fēng)荷載

基于風(fēng)洞試驗結(jié)果，給出典型風(fēng)向角單體和干擾狀態(tài)下天津國際金融會議酒店平均風(fēng)壓分布，用以揭示周圍建筑對平均風(fēng)壓的干擾效應(yīng)。

2.1 平均風(fēng)壓分布

圖4給出了天津國際金融酒店0°風(fēng)向角時，單體和干擾狀態(tài)的壓力系數(shù)均值分布圖。該風(fēng)向角干擾狀態(tài)時，來流上游無建筑物，來流下游僅在左半部分有建筑物，而在右半部分場地空曠，天津國際金融酒店兩側(cè)均有高層建筑。

由圖4可以看出，單體狀態(tài)時，平均風(fēng)壓分布對稱性較好，除屋蓋兩側(cè)懸挑區(qū)是正壓區(qū)外，屋蓋其它區(qū)域均為負壓區(qū)；懸挑屋蓋位于來流前緣的懸挑區(qū)壓力系數(shù)均值最大，其值達到－2.0，但衰減迅速，屋蓋后緣懸挑區(qū)壓力系數(shù)均值最小，其值僅為－0.1，屋蓋封閉區(qū)風(fēng)壓值變化不大，壓力系數(shù)均值大致為－0.6。干擾狀態(tài)時，受周圍建筑物不對稱分布的影響，屋蓋平均風(fēng)壓分布不再對稱；雖然正壓區(qū)、負壓區(qū)分布基本不變，但受兩側(cè)建筑物影響，氣流流動通道被壓縮，“穿堂風(fēng)”效應(yīng)明顯，整體而言屋蓋風(fēng)壓數(shù)值有明顯增加，來流前緣屋蓋懸挑區(qū)壓力系數(shù)均值增加至－2.8，封閉區(qū)則增加至－1.2；下游僅在屋蓋左半部分有高層建筑物的獨特布局顯著增加了屋蓋左側(cè)懸挑區(qū)的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，其平均壓力系數(shù)增加至2.0，而屋蓋右側(cè)懸挑區(qū)風(fēng)壓基本與單體狀態(tài)一致。

圖4 平均壓力系數(shù)分布圖Fig.4 Distributions of mean pressure coefficient with and without interference at 0°wind angle

圖5給出了天津國際金融酒店180°風(fēng)向角時，單體和干擾狀態(tài)的壓力系數(shù)均值分布圖。該風(fēng)向角干擾狀態(tài)時，來流上游僅在屋蓋左半部分有建筑物，而右半部分場地空曠，來流下流無建筑物。

圖5 平均壓力系數(shù)分布圖Fig.5 Distributions of mean pressure coefficient with and without interference at 180°wind angle

由圖5可以看出，單體狀態(tài)時，180°風(fēng)向角與0°風(fēng)向角風(fēng)壓分布基本相同。干擾狀態(tài)時，正壓區(qū)、負壓區(qū)分布仍基本不變；受上游建筑的遮擋，“穿堂風(fēng)”效應(yīng)不如0°風(fēng)向角明顯，屋蓋風(fēng)壓數(shù)值增加不大，尤其是受遮擋的左半部分，屋蓋來流前緣壓力系數(shù)均值為－2.4，屋蓋封閉區(qū)增加至－0.8。

綜上所述，由于氣流通道被壓縮，大跨屋蓋兩側(cè)的高層建筑將引起明顯的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，作用于屋蓋的風(fēng)荷載將顯著增加；值得注意的是，來流上游高層建筑的“遮擋”作用有利于緩解兩側(cè)高層建筑引起的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，而來流下游的高層建筑則會加劇屋蓋局部區(qū)域的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)。

2.2 平均風(fēng)壓的干擾因子

定義屋蓋平均風(fēng)壓干擾因子IFm為：

為了更好地說明屋蓋各部分平均風(fēng)壓受周圍建筑物干擾效應(yīng)的影響，將屋蓋懸挑區(qū)細分為4個區(qū)域（圖3（b）），圖6給出了屋蓋典型各區(qū)域平均風(fēng)壓干擾因子隨風(fēng)向角的變化曲線。

圖6 屋蓋平均風(fēng)壓干擾因子Fig.6 IFmfor mean pressure coefficients

由圖6可以看出，屋蓋各部分平均風(fēng)壓受周圍建筑的影響規(guī)律不盡相同，雖然某些風(fēng)向角作用下平均風(fēng)壓干擾因子小于1.0，但各部分最大平均風(fēng)壓干擾因子均達到2.0以上。這說明，作用于大跨屋蓋的平均風(fēng)荷載受周圍高層建筑的方位、高度、體量等諸多因素的影響，有必要加強周圍建筑對大跨屋蓋干擾效應(yīng)的研究。

3 脈動風(fēng)荷載

風(fēng)壓的脈動特性決定了大跨屋蓋的風(fēng)致動力效應(yīng)，本節(jié)將從壓力系數(shù)根方差（反映了脈動風(fēng)壓能量大小）分布的角度來分析周圍建筑物對該類結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)壓的影響。

3.1 脈動風(fēng)壓分布

圖7、8分別給出了天津國際金融酒店不同狀態(tài)下，0°和180°風(fēng)向角壓力系數(shù)根方差等值線圖。

圖7 壓力系數(shù)根方差分布圖Fig.7 Distributions of RMS pressure coefficient with and without interference at 0°wind angle

圖8 壓力系數(shù)根方差分布圖Fig.8 Distributions of RMS pressure coefficient with and without interference at 180°wind angle

可以看出，單體狀態(tài)時，壓力系數(shù)根方差分布對稱性較好，來流前緣屋蓋懸挑區(qū)根方差值最大，達到0.6；屋蓋其它區(qū)域壓力系數(shù)根方差值較小，大致為0.15。干擾狀態(tài)時，屋蓋壓力系數(shù)根方差分布不再對稱，周圍高層建筑對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)荷載分布的影響規(guī)律與平均風(fēng)荷載基本一致。

3.2 脈動風(fēng)壓的干擾因子

定義屋蓋脈動風(fēng)壓干擾因子IFf為：

圖9給出了屋蓋典型區(qū)域平均風(fēng)壓干擾因子隨風(fēng)向角的變化曲線。可以看出，受周圍高層建筑物的影響，來流中的湍流成分增加，作用于大跨屋蓋的脈動風(fēng)荷載總能量均不同程度的增大，即屋蓋脈動風(fēng)壓干擾因子均在1.0以上。這說明，周邊高層建筑物會增加作用于大跨屋蓋的脈動風(fēng)荷載，干擾引起的風(fēng)致動力效應(yīng)不容忽視。

圖9 屋蓋脈動風(fēng)壓干擾因子Fig.9 IFffor RMS pressure coefficients

4 結(jié) 論

周圍高層建筑對作用于大跨屋蓋風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)顯著，以天津國際金融酒店為例，進行了單體和干擾兩種狀態(tài)的多通道同步測壓風(fēng)洞試驗，在此基礎(chǔ)上對周圍建筑物對大跨屋蓋風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)進行了研究，可以得到如下主要結(jié)論：

（1）作用于大跨屋蓋的平均風(fēng)荷載受周圍高層建筑方位、高度、體量等因素的影響；

（2）典型風(fēng)向角的分析表明，位于大跨屋蓋兩側(cè)的高層建筑將引起明顯的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，作用于屋蓋的風(fēng)荷載將顯著增加；

（3）大跨屋蓋上游高層建筑的“遮擋”作用，有利于減小兩側(cè)高層建筑引起的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，下游高層建筑則會加劇屋蓋局部區(qū)域的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)；

（4）受周圍高層建筑物的影響，來流中的湍流成分增加，作用于大跨屋蓋的脈動風(fēng)荷載將有所增大，干擾引起的風(fēng)致動力效應(yīng)不容忽視。

［1］HOLMES J D.Wind load of structures［M］.New York：Spon Press，2001.

［2］張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］孫瑛.大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［4］李波，楊慶山，田玉基，等.國家網(wǎng)球中心新館可開啟屋蓋風(fēng)荷載特性［J］.土木工程學(xué)報，2010，43（S2）：112－118.

［5］顧志福，楊樂天，陳青松.大型機庫屋面風(fēng)荷載特性研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報，2008，44（4）：501－506.

［6］PRASAD D，ULIATE T，AHMED M R.Wind loads on low－rise building models with different roof configurations［J］.International Journal of Fluid Mechanics Research，2009，36（2）：231－243.

［7］方江生，丁潔民，王田友.北大體育館屋蓋的風(fēng)荷載及周邊建筑干擾影響的試驗研究［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2007，25（4）：443－448.

［8］陳學(xué)銳，顧志福，李燕.錐形渦誘導(dǎo)下建筑物頂面風(fēng)荷載［J］.力學(xué)學(xué)報，2007，39（5）：655－660.

［9］李波，楊慶山，田玉基，等.錐形超高層建筑脈動風(fēng)荷載特性［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31（10）：8－16.

李 波（1978－），男，博士，副教授。主要從事結(jié)構(gòu)風(fēng)工程及多高層鋼結(jié)構(gòu)的研究。通訊地址：北京交通大學(xué)土建學(xué)院（100044），電話：010－51687250，E－mail：libo－77＠163.com

Research on the interference effect of surrounding buildings on the wind load of long－span roof

LI Bo1，YANG Qing－shan1，F(xiàn)ENG Shao－h(huán)ua1，F(xiàn)AN Zhong2
（1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.China Architecture Design and Research Group，Beijing 100044，China）

Simultaneous multi－channel pressure measuring tests have been carried out in a wind tunnel to investigate the interference effects of surrounding buildings on the wind load of long－span roof，taking Tianjin international financial hotel for example.The test results show that：due to the narrow road effect caused by high－rise buildings on both sides of the long－span roof，the mean wind pressure on the roof increases significantly，but the windbreak effect of highrise buildings located on the upstream of the long－span roof decreases the narrow road effect and buildings located on the downstream increases the effect，resulting in increase of wind load on local areas of the roof.Due to the surrounding high－rise buildings，the turbulence in the coming flow is increased and the turbulence wind loads acting on the long－span roof is also increased.

long－span roof；interference effect；wind load；wind tunnel test；pressure coefficient

1672－9897（2012）05－0027－05

2011－09－02；

2012－04－16

國家自然科學(xué)基金重大研究計劃重點項目（90815021）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（2011JBM262）資助