串列布置受擾超高層建筑脈動風壓譜特性研究

韓 寧， 顧 明

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

建筑結構上的脈動風壓譜代表了來流湍流以及流體結構交互作用產(chǎn)生的湍流脈動對建筑表面風壓脈動能量的貢獻。已有針對高層建筑脈動風壓譜的研究主要集中在單體建筑。文獻[1-4]研究的是低矮和大跨屋蓋表面脈動風壓譜和特征湍流間的關系，并試圖給出屋面典型區(qū)域的脈動風壓譜模型。文獻[5-7]則針對單體高層建筑典型測點的脈動風壓譜進行了研究，指出迎風面脈動風壓譜能量主要反映了來流湍流脈動特性，而側風面脈動風壓譜在由前緣過渡到后緣過程中，由于流體再附作用會導致其高頻段能量顯著增加。葉豐等[8]系統(tǒng)研究了超高層建筑風壓的頻域特性，通過對水平向和垂直向典型測點脈動風壓譜的分析指出側風面脈動風壓能量要大于其他立面且主要集中在漩渦脫落處。然而針對高層建筑風壓譜干擾特性的研究較少，kim等[9]研究了受擾建筑典型測點脈動風壓功率譜特性，其主要研究的是中軸線處豎向3個典型測點在不同高度比和風向角下的風壓譜特性，發(fā)現(xiàn)當施擾建筑高度較高時中軸線處的功率譜均向高頻區(qū)域移動。

本文基于大規(guī)模剛性模型測壓風洞試驗數(shù)據(jù)，對串列布置受擾超高層建筑沿水平向典型測點風壓譜進行了細致的研究，首先給出了單體方形超高層建筑風壓譜的特征，然后研究了干擾狀態(tài)下風壓譜特性，主要分析了施擾位置和高度比的影響。

1 風洞試驗介紹

試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-2風洞進行。TJ-2風洞為閉口回流式矩形接口風洞，試驗段寬3 m、高2.5 m、長15 m。采用被動模擬方法在TJ-2風洞模擬了我國建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2001)[10]中的C類風場(風速剖面指數(shù)α=0.22)，幾何縮尺比為1∶400。試驗采用日本建筑荷載規(guī)范(AIJ2004)[11]建議的紊流度公式。詳細的平均風速剖面和紊流度剖面的模擬結果與理論值的比較見文獻[12]。

圖1 串列布置模型示意圖

圖2 施擾建筑模型示意圖

試驗模型尺寸為900 mm×150 mm×150 mm的方柱，幾何縮尺比為1∶400。在模型上共計布置496個測點，每個立面上均有124個測點，4個面測點布局相同，均在模型的最上部和棱邊處布置較密的測點,具體的測點布置圖見文獻[12]。考慮施擾模型位置變化的影響時，串列布置選取6個典型位置，并列布置選取4個典型位置，斜列布置選取6個典型位置。詳細的施擾位置見文獻[13]。本文僅分析串列布置時受擾建筑風壓譜特性，如圖1所示。考慮施擾模型高度變化的影響時，施擾模型橫截面均為150 mm×150 mm，高度分別為測試模型高度的0.7，1.0和1.3倍(即高度比ηh取0.7，1.0和1.3)。

2 單體典型測點脈動風壓系數(shù)自功率譜特性

通過已有研究[14]發(fā)現(xiàn)，當兩建筑串列布置時，受擾建筑迎風和側風面測點的干擾效應顯著，所以在對功率譜分析時，本文僅選取迎風面和側風面上的典型測點進行研究。圖3是單體建筑風壓譜特性分析時選取的典型測點示意圖。圖中符號含義定義如下，以“N11-3”為例，其中N代表立面名稱，11代表測點所在的層序號，3代表該層測點編號。這里測點11層對應于接近(2/3) H高度。

圖3 單體分析時選用的典型測點示意圖

測點風壓系數(shù)由下式給出：

Cpi(t)=(Pi(t)-P∞)/(P0-P∞)

(1)

式中，Pi(t)為模型上第i測點處的表面風壓值，P0和P∞則分別為參考點處的平均總壓和平均靜壓。參考點高度取為屋頂高度。圖4給出的是根據(jù)式(1)計算得到的單體建筑立面上的典型測點風壓系數(shù)時程。

圖4 典型測點風壓系數(shù)時程曲線

圖5 單體建筑典型測點風壓譜曲線

圖5中給出了0°風向角下單體方形建筑同一高度處迎風N面和側風W面10個典型測點的風壓譜曲線。由圖5(a)可見迎風N面測點風壓譜形狀隨位置發(fā)生變化且主要分為兩類：第一是靠近棱邊處測點的譜曲線在折算頻率0.09～0.1附近出現(xiàn)尖銳譜峰，這表明棱邊處流體發(fā)生分離并且產(chǎn)生漩渦脫落。第二是中部測點的譜曲線均為寬頻分布，沒有尖銳譜峰出現(xiàn)，但低頻段能量要遠大于棱邊附近測點風壓譜在低頻段的能量，說明迎風N面中間區(qū)域主要受來流湍流控制。在高頻段迎風N面中軸線測點的譜值略小于棱邊附近測點譜值，這或許是由于棱邊區(qū)域受流體分離影響相比中軸線處要大的原因[2]。在圖5(b)中，沿水平方向側風W面由于受到來流分離、漩渦脫落和瞬態(tài)再附的影響，測點風壓譜曲線均在折算頻率為0.09～0.1附近出現(xiàn)尖銳譜峰，但中軸線前緣譜峰幅值顯著大于后緣且譜峰對應的折算頻率略有增加。側風W面譜曲線的另一個顯著特征是：在由前緣向后緣移動中，譜曲線高頻段衰減斜率增大且高頻段能量顯著增大，這可能是前緣分離流在后緣發(fā)生瞬態(tài)再附所致[5-7]。

3 受擾建筑典型測點脈動風壓系數(shù)自功率譜特性

根據(jù)前文中對單體建筑迎風面和側風面上測點風壓譜曲線特征的分析，這里選取更為典型的測點來分析干擾狀態(tài)下的譜曲線特征。詳細的測點選擇如圖6所示。

圖6 受擾分析時選用的典型測點示意圖

3.1 串列布置條件下間距比的影響

圖7 串列布置迎風N面典型測點風壓譜曲線

圖7是0°風向角下串列布置時受擾建筑迎風N面上典型測點脈動風壓譜曲線。圖中括號內數(shù)字代表串列布置時的相對位置，為了分析方便用符號Sx代表[13]。由圖可以看出，除Sx=2.0外，棱邊處測點的譜值均大于中軸線處測點譜值。在圖7(a)中，任意間距比Sx下中軸線測點3的譜曲線和單體建筑相比均顯著向高頻區(qū)域移動，高頻段能量顯著增加而低頻段能量顯著減小，這表明串列布置下干擾效應在迎風N面中軸線處產(chǎn)生的小尺度漩渦增多，減小了來流湍流脈動產(chǎn)生的大尺度漩渦。隨間距比Sx增大，干擾效應減弱，譜曲線逐漸向單體狀態(tài)時靠近。特殊的是，在Sx≤3.0時，測點3的譜曲線出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，但譜值要小于側風面漩渦脫落引起的譜值，間接說明間距比較小時，兩建筑間形成了回旋渦。在圖7(b)中，迎風N面近棱邊測點5的譜曲線形狀相比單體建筑變化不大，任意間距比Sx下譜曲線均在折算頻率0.07～0.1出現(xiàn)尖銳譜峰，但當Sx=2.0時，譜曲線僅出現(xiàn)弱譜峰，譜峰幅值相比單體顯著減小且峰值頻率由0.1右移到折算頻率0.12附近，頻率變得更豐富。和中軸線測點3相比，棱邊測點5的高頻段能量相比單體建筑增加程度較小，但Sx=2.0處卻顯著增大；其低頻段能量相比單體均有減小，但Sx=2.0處減小程度最小。這說明，當間距比較小時，受擾建筑迎風面會處于上游施擾建筑后形成的分離剪切層當中，此時受擾建筑迎風面棱邊附近的流體分離減弱，高頻段能量增大。

圖8 串列布置側風W面典型測點風壓譜曲線

圖8是0°風向角下串列布置時受擾建筑側風W面上典型測點脈動風壓譜曲線。由圖可以看出，除Sx=2.0外，前緣棱邊測點能量均大于后緣棱邊測點。在圖8(a)中，和單體建筑相比，譜曲線形狀變化不大，任意間距比Sx下前緣棱邊測點1的譜曲線均出現(xiàn)尖銳譜峰，但譜峰值相比單體建筑減小，說明施擾建筑存在時，該處漩渦脫落強度減弱，尤其是在Sx=2.0處，譜曲線的譜峰寬而平坦，峰值頻率無法確定，說明間距比較小時，上游施擾建筑分離流產(chǎn)生的剪切層抑制了該點的漩渦脫落，導致譜峰消失而高頻段能量顯著增大。施擾建筑存在時，測點高頻段能量均顯著大于單體建筑且間距比Sx的影響不大；而低頻段能量均略小于單體建筑且(3,0)處減小程度最大。據(jù)此可以推斷，上游施擾建筑會在受擾建筑側風面前緣區(qū)域發(fā)生再附，所以其小尺度漩渦數(shù)量相比單體建筑顯著增加。由圖8(b)可以看出，W立面后緣棱邊測點5的譜曲線形狀相對單體沒有顯著變化，僅在中頻段存在弱譜峰，但峰值頻率向高頻區(qū)域移動，由單體建筑的0.1右移到0.12～0.2之間，也即施擾建筑存在時后緣處主導漩渦的尺度減小。但和單體建筑相比，高頻段能量均略有減小且間距比Sx的影響不大；低頻段能量除Sx=2.0外均大于單體建筑，說明施擾建筑存在時，再附區(qū)域向側風面的前緣移動，而漩渦逐漸形成也即后緣區(qū)域小尺度漩渦相比單體減少，大尺度漩渦相比單體略有增多。

3.2 串列布置條件下高度比的影響

圖9 典型串列位置處不同高度比迎風N面典型測點風壓譜曲線

圖9是0°風向角下典型串列位置(2,0)處受擾建筑迎風N面典型測點風壓譜曲線隨高度比變化的示意圖。由圖9(a)可以看出，中軸線測點3的譜曲線在ηh≥1.0時的功率譜曲線形狀類似，和單體建筑相比，其整體向高頻區(qū)域顯著移動[9]；但ηh=0.7時該高度處測點3的功率譜曲線和單體建筑接近，僅在高頻段譜值增大且沒有出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，說明該串列布置間距比下回旋流對高度處的測點影響較小。兩建筑高度越接近時，引起的特征湍流越大，而來流湍流影響越小，所以高頻段能量在ηh=1.0取得最大值。在圖9(b)中，和ηh=0.7時N立面近棱邊測點5的譜曲線形狀相比ηh≥1.0時的譜曲線整體向高頻區(qū)域移動且ηh=1.0時的譜值略大，也即兩建筑等高時對迎風2/3高度處棱邊測點的流場影響顯著。

圖10 典型串列位置處不同高度比側風W面典型測點風壓譜曲線

圖10是0°風向角下典型串列位置(2,0)處受擾建筑側風W面典型測點風壓譜曲線隨高度比變化的示意圖。由圖10(a)可以看出，前緣棱邊測點1的譜曲線在任意高度比ηh下均出現(xiàn)譜峰，但譜峰幅值相比單體建筑減小且ηh=1.0時的譜峰幅值最小。當間距比Sx較小時，兩建筑等高會導致側風W面2/3高度處漩渦脫落程度減弱最多。但此時高頻段能量在ηh=1.0時最大，或許是由于上游施擾建筑分離剪切層中夾帶的小尺度漩渦較多。在圖10(b)中，W立面后緣測點5的譜曲線形狀在ηh≥1.0時接近且譜峰值隨高度比增大而增大；但ηh=0.7時的譜曲線譜峰消失，能量分布在較寬的頻帶上且頻率豐富，低頻段能量顯著大于ηh≥1.0時的對應低頻段能量。由此說明該高度處的再附區(qū)域在高度比ηh=0.7時受到的影響最顯著。

4 結 論

基于剛性模型風洞測壓試驗，對0°風向角下方形受擾高層建筑迎風面和側風面上典型測點的脈動風壓譜特性進行了分析，得出如下結論：

(1) 單體方形高層建筑在迎風面中軸線區(qū)域的風壓譜曲線均為寬頻分布而在棱邊區(qū)域則出現(xiàn)尖銳譜峰，說明迎風面中間區(qū)域主要受來流湍流控制而棱邊處則受流動分離影響顯著。側風面的譜曲線均出現(xiàn)尖銳譜峰且自前緣向后緣過渡時，由于流體再附，高頻段能量顯著增大。

(2) 受擾建筑和施擾建筑串列布置時，任意間距比Sx下，靠近前緣棱邊測點的風壓譜曲線形狀和單體建筑類似，譜曲線依然存在尖銳譜峰。Sx<3.0時受擾建筑處于上游施擾建筑形成的剪切層包圍中，譜峰幅值相比單體建筑顯著減小。但在迎風面中軸線處，功率譜曲線均向高頻區(qū)域移動，值得注意的是Sx<3.0時，由于回旋流產(chǎn)生會出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，而在側風面后緣測點，施擾建筑存在導致再附區(qū)域發(fā)生變化，所以低頻段能量要大于單體建筑而高頻段則相對減小。

(3) 串列布置間距比較小時，和ηh=0.7時相比，迎風面測點在2/3高度處的功率譜曲線在ηh≥1.0時均向高頻區(qū)域移動且ηh=1.0的譜值最大，而ηh=1.3時在側風面上的譜值最大。

(4) 通過對測點風壓功率譜的分析，從頻域角度更清晰得看出圍護結構表面風壓在不同干擾因素下的變化規(guī)律，最后得出了有意義的結論，從而對幕墻結構設計給出定性參考。

參 考 文 獻

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