大開洞對高層建筑風效應的影響研究

陳伏彬, 李秋勝

(1．長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114; 2. 湖南大學 建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082； 3. 香港城市大學 土木及建筑工程系，香港 999077)

大開洞對高層建筑風效應的影響研究

陳伏彬1,2?, 李秋勝2,3

(1．長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114; 2. 湖南大學 建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082； 3. 香港城市大學 土木及建筑工程系，香港 999077)

在大氣邊界層風洞中開展了在0.5H和0.85H高度設置洞口的高層建筑剛性模型測力試驗，獲得不同洞口尺寸、高度、位置以及數量時的高層建筑風致基底反力.從基底彎矩系數和基底一階廣義氣動力譜研究了不同洞口設置對高層建筑風效應的影響.研究結果表明：1)順風向開洞能有效地降低順風向基底平均彎矩，并且上部開洞效果優于下部開洞，開洞率越大效果越明顯；橫向基底平均彎矩比較小，大開洞提高基底橫向平均彎矩，小開洞則相反；開洞對橫風向與順風向的基底脈動彎矩都有較大影響.2)不管是大開洞還是小開洞，在折算頻率約為0.12位置處，均出現了與旋渦脫落頻率相近的窄帶峰值，且不同工況下，低頻段的功率譜值差異略大于高頻段.

開洞；高層建筑；風效應；風洞試驗；高頻測力天平

隨著社會與經濟飛速發展，在經濟發達的城市建造了大量地標性的超高層建筑.隨著建筑造型的不斷豐富，到目前為止也建設了不少開設洞口的超高層建筑.如：日本NEC大廈在建筑物中部13～15層設置了一個44.6 m×12.6 m大的洞口[1]；我國上海的環球金融中心在頂部設置了一個大梯形孔(上邊長約172 m，下邊長約135 m，高約120 m)[2]；廣州珠江城煙草大廈在兩個設備層位置設置了4個洞口，并安裝了風力發電機用于發電[3].對于超高層建筑而言，風荷載是其主要的控制荷載，現有的荷載規范不能完全給出合適的風荷載條件，因此對于超高層建筑的風荷載特性的研究就尤顯重要.超高層建筑在不同的風場條件的風致荷載及其響應有較大差異[4]，一般可通過改變建筑造型以及結構優化計算來提高其抗風性能[5].

超高層建筑中開設洞口的目的各異，有的是為了建筑造型[1-2]，有的是為了節能與風力發電[3].但洞口設置的位置、大小、高度等都可能對結構的風致荷載產生影響.Kwok等[6]針對立面開洞的CAARC標準模型進行了風洞實驗研究，指出水平雙向開洞能夠顯著減小建筑順風向與橫風向的風荷載與風致響應.Kikitsu等[7]進行的減少高層建筑氣動力響應的風洞試驗結果表明：開洞在一定范圍內能顯著改變高層建筑的氣動力特征；合理開洞可以有效降低結構在一定風速范圍內的風致氣動力響應，提高結構的臨界風速，避免結構在使用過程中發生風致失穩振動.張耀春等[8-10]通過數值模擬[8]和風洞試驗[9-10]對開洞高層建筑的靜力風荷載進行系統的研究，指出當風向與開洞方向平行時，結構平均風荷載降低，但局部風壓較大，將洞口開在建筑物上部對減小風荷載最為有利.李秋勝等[11-13]以廣州煙草大廈為研究背景，研究了洞口中設置風機對結構風荷載的影響以及通過設置洞口進行風力發電的可行性，研究結果表明：風機的存在能增加基底反力；洞口具有風速放大的作用，其對風力發電是有利的.

本文以自行設計的2棟超高層開洞建筑(截面邊長為36 m×36 m,高180 m)為研究對象,在邊界層風洞中開展測力試驗，研究不同開洞位置及開洞率對結構整體風荷載的影響.

1 試驗介紹

1.1 試驗模型

兩個測力模型實際結構截面：長36 m, 寬36 m, 高180 m，其高寬比為5.在模型0.5H以及0.85H高度處的4個側面分別開設洞口，洞口相互連通.模型采用輕質航空木板以及泡沫塑料填充制成,幾何縮尺比為1∶300.模型1(M-1)為大開洞,洞口尺寸為12 m×12 m；模型2(M-2)為小開洞,洞口尺寸為6 m×6 m.模型幾何參數如圖1所示.通過對洞口進行封堵可實現不同側面上的開洞工況.

圖1 模型幾何參數

1.2 風場條件

測力試驗在湖南大學HD-2邊界層風洞高速試驗段進行.地貌類型按國家《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2001)[14]中規定的B類地貌考慮，地貌粗糙度系數(指數律)α=0.16.在試驗之前，首先以二元尖塔、擋板及粗糙元來模擬B類地貌的風剖面、湍流度剖面分布以及參考點高度處來流順風向歸一化功率譜，如圖2所示.參考點設置在前方不受擾動且與目標建筑物等高的位置處(即60 cm高度處)，參考點風速為7.7 m/s.

1.3 試驗工況

在兩個測力模型上通過對洞口的封堵，實現了超高層建筑未開洞(全封閉)、上部開洞、下部開洞、全開洞等14種工況.各種測力試驗工況匯總如表1所示．

圖2 風場參數

表1 測力試驗工況

注：L代表大開洞工況，S代表小開洞工況；開洞率=洞口面積/相應立面的總面積.

2 結果分析

2.1 彎矩系數

(1)

(2)

式中：B和H分別是模型迎風面的寬度和高度；UH是模型頂部高度處的平均風速.表2～表5列出了不同開洞工況下無量綱基底彎矩系數.

其中，w1、w2—分別表示經濟性和環保性的權重系數，兩值都介于0～1之間，且兩值之和為1；對應目標的權重系數越大，則表示該目標重要程度越高；f2—以綠色節能為目標時的綠色性指標值；f1—以經濟性為目標時的經濟性指標值。

表2 基底順風向平均彎矩系數

表3 基底橫風向平均彎矩系數

表4 基底順風向脈動彎矩系數

表5 基底橫風向脈動彎矩系數

從表2可以看出，全封閉工況下基底平均彎矩系數為0.749；順風向側面大開洞明顯降低了順風向的基底彎矩，3種工況下降幅為10.8%～14.5%，開洞率越大其降幅越大，且上部開洞略高于下部開洞；順風向小開洞也有與大開洞相同的趨勢，但是其降幅較小，約為3%～4%.從表2亦可發現，橫風向側面開洞亦影響到順風向基底彎矩，大開洞使得基底平均彎矩有所增大，然而小開洞使得其有一定減??；橫向開洞率越大，對順向基底平均彎矩影響也越大，且上部開洞效果更為明顯.

從表3可以看出，基底橫風向平均彎矩遠小于順風向基底平均彎矩，這主要是因為作用于側面上的風荷載主要是由于氣流的分離引起的，而順風向風荷載則是由于迎風面空氣顆粒直接撞擊建筑物表面和背風面空氣尾流引起的；開洞率越大對橫風向平均風載的影響越大；大開洞情況下提高了基底橫向平均彎矩系數，且順風向開洞更明顯于橫向開洞；不管是何種小開洞情況,均降低了橫風向平均基底彎矩,但基本是保持同一水平.

從表4與表5可以看出，不管是大開洞還是小開洞工況，開洞均提高了順風向基底脈動彎矩系數，提高的幅度基本相當；開洞對基底橫風向脈動彎矩影響較大，特別是橫風向上下部開大洞工況.

2.2 橫風向基底一階廣義氣動力譜

圖3與圖4分別給出了大開洞與小開洞各工況下橫風向基底一階廣義氣動力譜.從圖3與圖4可以看出，在折算頻率約為0.12位置處，各種工況下均出現了與旋渦脫落頻率相近的窄帶峰值；在低頻段(折算頻率小于0.12)，歸一化功率譜值隨著開洞工況的不同有較為明顯的差異，而在高頻段(折算頻率大于0.12)，其值差異較小.

圖3 大開洞工況橫風向基底一階廣義氣動力譜

圖4 小開洞工況橫風向基底一階廣義氣動力譜

為了更好地比較相同開洞率下不同開洞形式對橫向基底彎矩的影響，圖5給出了4種開洞率下的橫風向基底一階廣義氣動力譜.從圖5可以看出開洞率越大，開洞形式對基底氣動力譜影響也越大；在低頻段(折算頻率小于0.12)橫風向開洞能使橫向風載能量更為集中，即其峰值尖峰更為突兀；而對于高頻段能量較為相近.

圖5 不同開洞率時橫風向基底一階廣義氣動力譜

2.3 順風向基底一階廣義氣動力譜

研究表明，橫風向氣動力主要是與旋渦脫落、再附有關，順風向氣動力主要是來自來流空氣微粒的撞擊與尾流引起，其氣動力譜和來流的脈動風速譜較為相近.從上節對基底橫風向平均彎矩系數分析可知，單個洞口的大小對橫風向基底平均彎矩影響較大，故本節選取大開洞與小開洞的最大開洞率時的工況為研究對象，分析不同洞口朝向對順風向基底一階廣義氣動力譜的影響.

圖6分別給出2種開洞率下與全封閉工況(工況L-7，S-7) 的基底氣動力譜.從圖6可以看出，順風向基底彎矩功率譜較為平坦，且與來流脈動風速譜較為相似；順風向開洞對降低順風向基底彎矩更為明顯，且開洞率越大其降幅越明顯.

圖6 順風向基底一階廣義氣動力譜

3 結 論

本文針對2個在0.5H和0.85H高度開設洞口的超高層模型開展動態測力試驗研究，分析了洞口對基底彎矩系數與基底一階廣義氣動力譜的影響，得出以下結論：

1) 測力試驗表明，順風向開洞能有效地降低順風向基底平均彎矩，并且上部開洞優于下部開洞，開洞率越大效果越明顯；橫風向基底平均彎矩比較小，大開洞可提高基底橫向平均彎矩，小開洞的結果則相反.

2)開洞對橫風向與順風向的基底脈動彎矩都有較大影響，特別是開洞率比較大的情況.

3)不管是大開洞還是小開洞，在折算頻率約為0.12位置處，均出現了與旋渦脫落頻率相近的窄帶峰值，且不同工況下，低頻段的功率譜值差異略大于高頻段.

4)開洞率對基底橫風向能量分布影響較大，順風向基底彎矩功率譜較為平坦，且與來流脈動風速譜較為相似；順風向開洞對降低順風向基底彎矩更為明顯，且開洞率越大其降幅越明顯.

5)由于高層建筑風效應與其高寬比、邊長比密切相關，本文針對高寬比為5的方形高層建筑在開洞情況下的荷載效應屬于其中一個特例，相關內容仍需要開展大量的研究工作，本文的研究方法可為其他類似開洞建筑的設計提供參考.

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Investigation of the Influence of Openings on the Wind Effect of Tall Buildings

CHEN Fu-bin1,2?, LI Qiu-sheng2,3

(1. School of Civil Engineering and Architecture，Changsha Univ of Science & Technology，Changsha, Hunan 410114, China;2. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of Ministry of Education , Hunan Univ，Changsha, Hunan 410082, China;3. Dept of Civil and Architectural Engineering, City Univ of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)

Force tests of tall buildings with openings at its two levels of 0.5Hand 0.85Hwere conducted in the atmospheric boundary layer wind tunnel, and then the wind-induced base forces were obtained with different parameters, such as the dimension, height, location and amount of the openings. The influences on the wind effects of tall buildings with different openings were investigated on the basis of the basement bending moment coefficients and basement first mode aerodynamic force spectrums. The results show that the basement mean bending moment can be reduced efficiently by the opening at along-wind direction, the reduction is more evident for the opening at higher location than that at lower location, and the larger opening also plays more effectual roles for the reduction of basement mean bending moment. The basement mean bending moment at across-wind direction is small, and the value increases in case of large opening, contrary to that for small opening. Furthermore, both of the openings at along-wind and at across-wind directions have influence on the basement fluctuating bending moment. The narrow band frequency with a peak value of 0.12, which is close to the reduced frequency of the vortex shedding, is found for both the cases of large opening and small opening. The difference of power spectrum value is more remarkable in lower-frequency section than that in high-frequency section for different cases.

opening; tall building; wind effect; wind tunnel test; HFFB

1674-2974(2015)03-0084-05

2014-03-26

國家自然科學基金資助項目(51178179，51408062)，National Natural Science Foundation of China(51178179,51408062); 長沙理工大學橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目(13KB01); 國家級大學生創新創業訓練計劃項目(2013-112)作者簡介：陳伏彬(1981-)，男，福建寧德人，長沙理工大學講師，博士

TU973

A

?通訊聯系人，E-mail:fbchen88@126.com