凹凸變化截面超高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究

肖 錕

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引言

風(fēng)荷載是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性荷載，風(fēng)災(zāi)給人類的災(zāi)害甚至大于地震荷載。風(fēng)力與建筑外形直接相關(guān):平面為圓形，則對(duì)抗風(fēng)有利;平面凹凸多變，則對(duì)抗風(fēng)不利。另外，風(fēng)力受建筑周圍環(huán)境影響較大，高層群中的高層抗風(fēng)更為不利［2］。為了美觀或功能要求，有時(shí)建筑師會(huì)考慮在超高層建筑的立面上設(shè)置凹槽或者做一些其他的不規(guī)則立面設(shè)計(jì)。這種情況將使得建筑表面的風(fēng)壓分布十分復(fù)雜，風(fēng)荷載無(wú)法用規(guī)范［4］的方法給出，需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定。

本文是基于兩棟高達(dá)300 m的超高層建筑的實(shí)際工程(如圖1所示，下文分別稱“北塔樓”和“南塔樓”)。該建筑周邊高層建筑密集，且兩塔樓間相距很近，氣動(dòng)干擾效應(yīng)可能很強(qiáng)，對(duì)流場(chǎng)的影響將非常復(fù)雜。通過(guò)對(duì)該工程的剛性模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)［3］，分析了凹凸變化截面及鄰近的姊妹塔樓對(duì)超高層建筑立面上最不利風(fēng)壓系數(shù)的影響，為復(fù)雜體型超高層建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

該項(xiàng)目的風(fēng)洞試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的，剛性試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2。模型的幾何縮尺比為1/400。由于建筑所在的位置屬于C類地貌，故本次試驗(yàn)在風(fēng)洞中模擬了C類地貌風(fēng)場(chǎng)，其平均風(fēng)速剖面、紊流度剖面和脈動(dòng)風(fēng)功率譜如圖3所示。同時(shí)試驗(yàn)還模擬了周圍1 200 m直徑范圍內(nèi)的主要建筑，以考慮風(fēng)荷載干擾效應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)將測(cè)試模型放置在轉(zhuǎn)盤中心，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風(fēng)向。

圖1 建筑效果圖

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

該項(xiàng)目的剛性測(cè)壓模型上布置了1 392個(gè)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)前經(jīng)仔細(xì)檢查，上述測(cè)點(diǎn)全部有效。南塔樓沿立面方向的部分測(cè)點(diǎn)的位置如圖4所示。

定義來(lái)流風(fēng)從正對(duì)目標(biāo)建筑北立面方向吹向本工程項(xiàng)目時(shí)風(fēng)向角為0°，風(fēng)向角按順時(shí)針方向增加。試驗(yàn)風(fēng)向角間隔取為15°，共有24個(gè)角度。本次風(fēng)洞試驗(yàn)的方位及風(fēng)向角定義如圖5所示。

試驗(yàn)參考點(diǎn)選在高度為1．237 m處，該高度在縮尺比為1/400的情況下對(duì)應(yīng)于實(shí)際高度495 m。風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)的參考點(diǎn)風(fēng)速為 10．23 m/s。

圖3 風(fēng)洞中模擬的C類地貌平均風(fēng)速剖面、紊流度剖面和脈動(dòng)風(fēng)功率譜

圖4 南塔樓測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖5 項(xiàng)目方位及風(fēng)向角定義

風(fēng)壓符號(hào)的約定為:壓力作用向測(cè)量表面(壓力)為正，而作用離測(cè)量表面(吸力)為負(fù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文給出的風(fēng)壓系數(shù)為體型系數(shù)，以測(cè)點(diǎn)高度處的來(lái)流風(fēng)壓為參考風(fēng)壓，計(jì)算式如下:

其中，Pi(θ，t)，Cpi(θ，t)分別為風(fēng)向角為 θ時(shí)測(cè)點(diǎn) i處的風(fēng)壓及風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程;ρa(bǔ)為空氣密度，這里取1．25 kg/m3;uzi為測(cè)點(diǎn)高度處的來(lái)流風(fēng)速。

根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論可知，各測(cè)點(diǎn)在某一風(fēng)向來(lái)流的作用下，其風(fēng)壓系數(shù)的極大值CPmax和極小值CPmin可表示為:

其中，k 為峰值因子，取值范圍 2．5 ～4，在這里取 k=3．5［1］。

對(duì)于每個(gè)測(cè)點(diǎn)，在所有風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的CPmax和CPmin中，總可以找到一個(gè)最大的CPmax和一個(gè)最小的CPmin，分別稱為該測(cè)點(diǎn)的最不利正風(fēng)壓系數(shù)和最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)。得到各測(cè)點(diǎn)的最不利正(負(fù))風(fēng)壓系數(shù)后，乘以梯度風(fēng)高度參考風(fēng)壓，即得到了各測(cè)點(diǎn)的最不利正(負(fù))風(fēng)壓。我國(guó)荷載規(guī)范［4］規(guī)定了，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)壓值應(yīng)按下述公式計(jì)算:

其中，μsi為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)荷載點(diǎn)體型系數(shù);μzi為測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓高度變化系數(shù);βgz為陣風(fēng)系數(shù);w0為基本風(fēng)壓。

由此可得到各測(cè)點(diǎn)在各個(gè)風(fēng)向角下用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)壓值。對(duì)于每個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓值，分別找出所有風(fēng)向角中的一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，即為該測(cè)點(diǎn)的最不利正風(fēng)壓和最不利負(fù)風(fēng)壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 最不利風(fēng)壓系數(shù)的分布

所選斷面上各測(cè)點(diǎn)的最不利正風(fēng)壓系數(shù)見圖6。各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最不利正風(fēng)壓系數(shù)的差別較小，在1．1～1．34之間變化，平均值為1．23，這表明，建筑表面的凹凸變化對(duì)最不利正風(fēng)壓系數(shù)基本沒有影響。圖7給出了各測(cè)點(diǎn)上的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)。可以看出，不同測(cè)點(diǎn)上的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)差別很大，在-0．89～-3之間變化，均值為-1．6。這表明，建筑表面的凹凸變化對(duì)最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)有較大影響。

圖6 各測(cè)點(diǎn)的最不利正風(fēng)壓系數(shù)

圖7 各測(cè)點(diǎn)的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)

由圖7還可以看出，測(cè)點(diǎn)C1，C11，C14，C21和C24的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)較大，都在-1．9～ -3之間;而測(cè)點(diǎn)C9，C22，C23和C25的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)較小，都在-0．8～-1．2之間。從圖4中我們可以看出，測(cè)點(diǎn)C1，C11，C14，C21和C24正好全部落在凸角，而測(cè)點(diǎn)C9，C22，C23和C25都落在圖5中的凹角。這表明，凸角的最不利負(fù)風(fēng)壓相對(duì)較大，而凹角的相對(duì)較小。測(cè)點(diǎn)C4，C7和C18上位于以上兩類測(cè)點(diǎn)之間，最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)都在-1．5 ～ -1．6 之間。

從立面上看，建筑立面凹槽處的風(fēng)壓系數(shù)相比于一般立面會(huì)有所不同。結(jié)合圖4，從表1可以看出，位于立面凹槽處測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)C12，C17，C25)的最不利正風(fēng)壓系數(shù)相比于一般立面處測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)C10，C15，C23)要大;而立面凹槽處測(cè)點(diǎn)的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)與一般立面處測(cè)點(diǎn)相比則偏小。

表1 所選測(cè)點(diǎn)的最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)

3．2 風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化

選取凹角部位三個(gè)測(cè)點(diǎn)C9，C10，C22和凸角部位三個(gè)測(cè)點(diǎn)C11，C21，C24進(jìn)行分析，得到各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)和最大最小風(fēng)壓系數(shù)隨著風(fēng)向角的變化情況，如圖8所示。由圖8可知，測(cè)點(diǎn)C9，C22，C25 的風(fēng)壓系數(shù)分別在 -1．2 ～ +1．2，-1．4 ～ +1．3，-1．2 ～ +1．3 之間變化;而測(cè)點(diǎn)C11，C21，C24 的風(fēng)壓系數(shù)分別在-2．2～ +1．25，-1．9 ～ +1．2，-2 ～ +1．3 之間變化，變化范圍相對(duì)較大。

圖8 測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)及最大最小風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化（一）

位于凹角的測(cè)點(diǎn) C9，C10，C22 分別在風(fēng)向?yàn)?270°，270°，105°時(shí)出現(xiàn)最不利正壓，位于凸角的測(cè)點(diǎn)C11，C21，C24分別在風(fēng)向?yàn)?40°，135°，60°時(shí)出現(xiàn)最不利正壓。這表明，迎風(fēng)時(shí)凹、凸角處均出現(xiàn)最不利正風(fēng)壓。測(cè)點(diǎn)C9，C10，C22分別在風(fēng)向?yàn)?95°，195°，80°時(shí)出現(xiàn)最不利負(fù)壓，測(cè)點(diǎn) C11，C21，C24分別在風(fēng)向?yàn)?195°，180°，15°時(shí)出現(xiàn)最不利負(fù)壓。這表明，切平面與風(fēng)向平行時(shí)，凹、凸角出現(xiàn)最不利負(fù)風(fēng)壓。北塔樓和南塔樓相距十分的近，樓體在風(fēng)力作用下，相互干擾是明顯的，并且由于建筑外型的不規(guī)則使得建筑表面的風(fēng)力作用更為突出。尤其是在兩建筑物的狹縫區(qū)，狹縫效應(yīng)的影響有時(shí)甚至是很危險(xiǎn)的。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，當(dāng)風(fēng)進(jìn)入狹縫區(qū)，將對(duì)狹縫內(nèi)各面的點(diǎn)產(chǎn)生明顯作用，并具有一定的規(guī)律性。結(jié)合圖4，圖5，從圖9可以看出，當(dāng)風(fēng)向垂直夾縫時(shí)，由于此時(shí)夾縫內(nèi)的吸力很小，夾縫內(nèi)立面出現(xiàn)最不利正壓;當(dāng)時(shí)風(fēng)向與夾縫方向平行時(shí)，風(fēng)通過(guò)夾縫時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的繞流，此時(shí)，風(fēng)對(duì)夾縫內(nèi)的點(diǎn)吸力作用很大，夾縫內(nèi)立面出現(xiàn)最不利負(fù)壓。

4 與規(guī)范結(jié)果對(duì)比

從圖10，圖11可以看出，按試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到的最不利正壓比規(guī)范結(jié)果小，而按試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法所得的最不利負(fù)壓則比規(guī)范結(jié)果大。因此，實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算結(jié)果和應(yīng)用統(tǒng)計(jì)理論計(jì)算結(jié)果，取最不利荷載作為最終結(jié)果。

圖9 測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)及最大最小風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化（二）

圖10 測(cè)點(diǎn)按試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法和規(guī)范方法計(jì)算得到的最不利正風(fēng)壓

圖11 測(cè)點(diǎn)按試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法和規(guī)范方法計(jì)算得到的最不利負(fù)風(fēng)壓

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目標(biāo)建筑模型的風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)及分析，得到如下結(jié)論:

1)建筑表面的凹凸變化對(duì)最不利正壓系數(shù)基本沒有影響，而對(duì)最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)影響較大;凸角處的最不利負(fù)風(fēng)壓相對(duì)較大，而凹角處的相對(duì)較小。2)立面凹槽處的最不利正風(fēng)壓系數(shù)相比于一般立面處要大;而最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)則比一般立面處偏小。3)迎風(fēng)時(shí)凹、凸角處均出現(xiàn)最不利正風(fēng)壓，切平面與風(fēng)向平行時(shí)凹、凸角上的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最不利負(fù)風(fēng)壓。4)同時(shí)兩塔樓之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)夾縫內(nèi)立面的最不利風(fēng)壓分布的影響很顯著;風(fēng)向垂直夾縫時(shí)夾縫內(nèi)立面出現(xiàn)最不利正壓，風(fēng)向與夾縫方向平行時(shí)，夾縫內(nèi)立面出現(xiàn)最不利負(fù)壓。5)按試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到的最不利正壓比規(guī)范結(jié)果小，而按試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法所得的最不利負(fù)壓則比規(guī)范結(jié)果大。

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［4］GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006修訂版)［S］．