青島某超高層住宅的風洞試驗研究

李建峰 郁有升

(1.青島騰遠設計事務所有限公司，山東 青島 266071;2.青島理工大學，山東 青島 266033)

0 引言

隨著社會的發展，城市用地越來越緊張，超高層建筑也越來越多，超高層建筑對風荷載極為敏感，在風的作用下極易發生大幅振動，風荷載是控制結構設計的主要荷載之一，因此對高層建筑結構風荷載及其響應的研究是一項重要的研究工作，超高層建筑的風荷載作用正受到學術界和工程界的極大關注[1-4]。

本文基于青島華潤中心超高層1號住宅工程，在湖南大學風洞實驗室對模型進行了風洞試驗，對設計風速作用下結構的風荷載分布規律、結構的位移、加速度響應進行風洞實驗研究，并根據風洞試驗結果，對結構的抗風安全性、結構三維風振特性及舒適性進行了分析。該樓位于青島市山東路10號，高度為201.15 m，1號樓的長度和寬度分別為72.4 m和20.15 m，為超限高層建筑，采用鋼筋混凝土局部轉換剪力墻結構體系。

1 試驗模型

試驗模型用ABS板制成，具有足夠的強度和剛度。模型與實物在外形上保持幾何相似，模型幾何縮尺比1∶300，周邊環境模型比例也為1∶300。將模型固定在風洞試驗室的轉盤上，圖1即為風洞試驗模型及周邊建筑分布情況。

圖1 風洞實驗模型及周邊建筑分布

2 試驗設備及測點布置

2.1 試驗設備及相關參數

該建筑剛性模型風洞試驗在湖南大學風洞實驗室進行。該試驗所使用的風洞為直流式矩形截面邊界層風洞，試驗段截面尺寸為3.0 m(寬)×2.5 m(高)，風速范圍為0 m/s～20.0 m/s。流場性能良好，試驗區流場的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5°。風洞試驗中使用了兩套測量系統，風速測量系統和風壓測量、記錄及數據處理系統。

鑒于該結構所處地理位置及周邊建筑情況，大氣邊界層的特性按C類地表模擬，地面粗糙度指數α=0.22。考慮到周圍建筑的干擾，風洞試驗以主建筑物為中心，模擬半徑500 m范圍內的主要建筑及地形。風洞試驗時，將模型置于風洞試驗段轉盤上進行數據采集，每一個風向測量一組數據。風向角間隔為15°，逆時針旋轉，如圖2所示，總共有24個風向。每個測點的采樣時間為32 s，采樣頻率為312.5 Hz。試驗風速為10 m/s。

圖2 風洞試驗風向角圖

2.2 測點布置

為了測取幕墻上的風壓分布，在模型外表面上共布置了474個測點，其中在頂部幕墻及雨篷處布置了雙層測點。

3 試驗結果

試驗時，將風洞中受建筑影響較小的位置定為參考點，并在該參考點布置一個熱線風速儀、來測量該點風速，其他測試點的風速通過與參考點比值而求得。試驗時取參考點高度為67 cm，對應大氣邊界層風場原型的高度為201 m。按風氣候分析結果及我國GB 50009-2001(2006年版)建筑結構荷載規范[5]，C類地貌、參考高度67 cm(相對實際為201 m)處的風壓、風速:50年重現期風壓值為1.385 kPa，風速為47.07 m/s;模型試驗中符號約定以壓力向內壓為正，向外吸為負。

3.1 風壓系數

模型試驗中符號約定以壓力向內壓為正，向外吸為負。模型表面各點的風壓系數由下列公式給出:

其中，cpi(t)為試驗模型上第i個測壓孔所在位置的風壓系數;pi(t)為該位置上測得的表面風壓值;p0，p∞分別為參考點處測得的平均總壓和平均靜壓。對于雙側受風的位置，內外對應布置兩個測壓孔，由內外表面對應的測壓點測出的壓力相減得到:

其中，Δcpi(t)為試驗模型上第i個測壓孔所在位置的風壓差系數;pii(t)，p0i(t)分別為該位置內外表面的風壓值，為了簡化敘述，本文均采用壓力系數cpi(t)來表示式(1)，式(2)兩種情況。

對于脈動風壓，可以通過式(3)來求得脈動風壓均方根值:

其中，Cpik為第i個測壓孔所在位置的風壓差系數時程;N為樣本數。

依此可以求出測點的最大峰值風壓系數:

各測點的風壓通過風壓系數與參考點風壓相乘而得到，因此風壓系數能直觀比較出各點的風壓大小。

3.2 局部體型系數

為比較不同建筑體型的優劣，還需要了解建筑的體型系數。測點體型系數的計算公式如下:

對于局部體型系數由下式得到:

其中，Ai為局部區域的某一小部分面積，其體型系數為μsi。建筑物圍護結構表面的設計風壓，一般參考24個風向中最大的極值風壓系數來進行計算。得到風壓系數后，再通過設計風速換算出參考高度處的實際風壓。

3.3 風壓值

根據風壓系數可由下式得到風壓值pi:

作用于建筑物表面的局部風壓亦可由下式得到:

其中，βz為風振系數(主要承重結構)或陣風系數(圍護結構);Cpi為建筑原型上相應第i測壓孔的位置的平均風壓系數;μzr為參考點的風壓高度變化系數;Cpiμzrw0為某重現期基本風壓下的測點平均風壓值。

各測點的最大峰值風壓及平均風壓見表1。

從表1中數據可以看出，單測點最大平均風壓系數為1.29，發生在 N5，風向角為 180°，相應的 50年重現期的風壓值為1.79 kPa;雙測點最大平均風壓系數為2.01，發生在PQ7，風向角為255°，相應的50年重現期的風壓值為2.78 kPa。單測點全風向極大峰值風壓系數為2.54，發生在H7，風向角為165°，相應的50年重現期的風壓值為3.51 kPa;雙測點全風向極大峰值風壓系數為2.39，發生在PQ3，風向角為105°，相應的50年重現期的風壓值為 3.31 kPa。

表1 各層測點最大(峰值、平均)風壓系數

4 結語

由青島華潤中心1號住宅樓風洞動態測壓試驗結果及分析可以得出以下幾點結論:

1)從青島華潤中心1號住宅樓墻體外表面測點的壓力系數結果可以看出，氣流在外墻面的棱角處出現明顯的分離，且在分離區出現較大的負壓;由于南北立面寬度大，在南北立面中部出現較大正風壓，在設計時應引起注意。2)從試驗結果可以看出，由于周邊建筑的影響，出現了明顯的群體超高層風干擾效應。3)總體來說，沿高度方向，較大正風壓出現在大樓約1/2以上高度處，并且在主體結構的四個周邊拐角區域、受內外壓影響的頂部，其風荷載較大;受周邊建筑的干擾，以至于極小峰值負壓分布特點不明顯。4)經數據分析，并與以往類似結構的風洞試驗結果相比較可以得出本試驗所獲得的數據是可靠的，達到了試驗目的。

[1] 趙 昕，丁潔民，孫華華，等.上海中心大廈結構抗風設計[J].建筑結構學報，2011，32(7):1-7.

[2] 賈 鋒，朱旭榮.無錫蘇寧廣場超限高層結構設計[J].建筑結構，2011，41(4):79-100.

[3] LIANG S G，LI QS.Torsional dynamo wind load on rectangular tall buildings[J].Engineering Structures，2004，26(1):129-137.

[4] 肖克艱，周定松，謝曉鋒，等.重慶英利大廈超高層結構設計[J].建筑結構，2010，40(9):91-95.

[5] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].