超高層建筑周圍風場特性實測研究

郁 雯,何浩博,熊春寶

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室,河北 張家口 075000; 2.河北建筑工程學院土木工程學院,河北 張家口 075000;3.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142;4.天津大學建筑工程學院,天津 300072)

0 引言

隨著經濟的發展,城鎮化進程不斷加快,人口集中趨勢不斷加大。為了提高土地面積利用率,超高層建筑逐漸興起[1-2]。相比于低層建筑,超高層建筑通常具有低阻尼的高柔特性,對于風荷載的作用十分敏感[3-4],因此關于超高層建筑周圍風場特性的研究對于結構安全性評估具有重要意義。

國內外學者對此均進行了大量的探索:Kaimal等[5]基于一高32 m的高塔,通過在2～32 m范圍內劃分梯度等級,進行關于風荷載湍流尺度與建筑高度關系的探究,結果表明風荷載湍流尺度隨著建筑高度的增加而減小;Shiau等[6]采用超聲風速儀對脈動風速進行探究分析,結果表明在低空范圍內脈動風速符合高斯分布。徐揚等[7]、季俊[8]分別采用有限容積法及風洞模擬技術對不同類型建筑物周圍的風場特性進行了模擬分析,結果表明風洞試驗與數值模擬技術的結合可以更精確地反映高層建筑實際風致響應特性;戎操等[9]同樣基于風洞試驗與有限元結合的分析方法對不同湍流強度下的大型風機葉片進行動態監測,結果表明湍流強度越大,平均風壓越小,位移極差越大;王建爍等[10]以黃驊港VTS塔為研究對象,采用CFD方法對其進行風載模擬,探究建筑頂點凸起承載結構周圍風場分布規律,結果表明建筑凸起結構對周圍風場及風壓分布影響較大;武占科等[11]以上海環球金融中心為研究對象,探究了中強度脈動風荷載作用機理,結果表明平均風速越大,湍流度越小;許偉[12]以CAARC標模為研究對象,通過HFPI計算方法研究了施擾建筑對順風及橫風向基底彎矩譜的影響,結果表明施擾建筑高度越高,對橫風向基底彎矩譜削弱程度越大;姚永革等[13]通過對超高層建筑布置豎向阻尼器,探究風載作用下建筑頂點不同位置測點處的加速度及位移變形情況,以評價阻尼器的減風振效果,結果表明黏滯阻尼器的布置具有較好的降低風振效果。

綜上所述,目前對于超高層建筑高空周圍風場特性的研究相對較少,且多數停留于理論分析。基于此,本文以天津117大廈為研究對象,探究風載作用下該大廈高空周圍的平均風速、脈動風速、湍流強度、湍流積分尺度、Von Karman譜等相關風場特性。

1 試驗概況

天津117大廈建筑屬于典型的框架-核心筒復合結構,其地上建造117層,建筑高度達596.5 m,其主體結構首層建筑面積為4 200 m2,并以0.88°漸變角度向上逐層遞減,直至頂層減為2 100 m2。本試驗綜合現場環境影響,將試驗測點布在核心筒西北角處進行分析。

如圖1所示,試驗采用DZZ2型采集系統,風速及風向傳感器分別采用EL15-1型(測量范圍:0.3～0.6 m/s;測量誤差:±0.3 m/s)和EL15-2型(測量范圍:0°～360°;最大允許誤差:±3°),試驗采集頻率設為1 Hz。將衛星接收機分別設置在地面基準站與監測點位置處的移動站,使其協同工作,同時實時監測測點處動態信息,以分析該超高層建筑周圍風場特性。

圖1 試驗相關設備圖Fig.1 Test related equipment

2 試驗結果

為探究該超高層建筑高空周圍的風場特性,本文以2 000 min為采樣節點,對標高596.5 m處高空周圍的平均風速、脈動風速、湍流強度、湍流積分尺度、Von Karman譜等相關風場特性進行分析。

2.1 平均風速

為確定該超高層建筑周圍平均風速,本試驗通過現場實測采集實際風速序列Uz(t)及風速方向與正北方向夾角α(t)(記順時針方向為正方向),并由式(1)～(4)計算求得平均風速Uz和平均風向角φz。由文獻[14—15]可知,試驗中規定時距為10 min。

(1)

(1)

(3)

(4)

由實測數據計算出平均風速及平均風向角隨時間變化規律,并將其繪于圖2。

圖2 平均風速及平均風向角隨時間變化規律Fig.2 Variation of average wind speed and average wind direction angle with time

由圖2可得,2 000 min時間節點范圍內,平均風速值隨時間變化呈先增大后減小的變化規律,且有兩個明顯的峰值點,瞬時風速最大為17.5 m/s,平均風速最大為12.1 m/s;平均風向角隨時間變化規律曲線類似于正弦波變化曲線,最大瞬時風向角為67°,最大平均風向角為63°。

2.2 脈動風速

瞬時風速對平均風速的偏差形成脈動風速,由式(5)、(6)確定順風向脈動風速u(t)及橫風向脈動風速v(t)。順風向及橫風向脈動風速隨時間變化規律試驗結果如圖3所示。

圖3 順風向及橫風向脈動風速隨時間變化規律Fig.3 Variation of the longitudinal and lateral fluctuating wind speed with time

u(t)=ux(t)cosφz+uy(t)sinφz-Uz

(5)

v(t)=-ux(t)sinφz+uy(t)cosφz

(6)

高斯分布是具有兩個參數μ(均值)和σ2(方差)的連續型隨機變量的分布。服從高斯分布的概率規律為臨近均值μ的值對應概率大,離均值μ越遠的值對應概率越小。概率密度函數表示隨機變量的輸出值在某個確定取值點附近的可能性函數,高斯分布是通過概率密度函數來定義的。將脈動風假設為高斯分布可以更方便地研究其對超高層建筑結構的作用特性,因此對117大廈實測脈動概率分布進行理論分析,試驗結果如圖4所示。

圖4 順風向及橫風向概率密度分布Fig.4 Longitudinal and lateral probability density distribution

當峰度系數為3、偏度系數為0時即滿足標準高斯分布。由圖3(a)可知,順風向脈動風速峰度系數>3,且存在負方向峰值;由圖4(a)可知,峰度系數為5.71,偏度系數為-0.31<0。由此可知,順風向概率密度分布向左偏移,即出現左拖尾現象,且在均值附近大于標準正太分布。由圖3(b)可知,橫風向脈動風速峰度系數>3,且存在正方向峰值;由圖4(b)可知,峰度系數為7.73,偏度系數為0.07>0。由此可知,橫風向概率密度分布向右偏移,即出現右拖尾現象,且在均值附近大于標準正太分布。

綜上所述,順風向及橫風向脈動風速均不服從標準高斯分布,且由7.73>5.71可知,相比順風向,橫風向脈動風速更集中。這是由于117大廈周圍環境復雜,高空湍流容易受到影響,從而使得大氣中存在較長漩渦脫落尾跡,使脈動風速概率分布偏移,違背高斯分布。

2.3 湍流強度

湍流強度是反映脈動風速強弱的物理量,其表達式為:

(7)

式中:σu(z)為z高度處脈動風速的標準差;Uz為z高度處平均風速。

由實測數據結合式(7)計算得出順風向及橫風向湍流強度隨時間變化規律(圖5)。

由圖5分析可知,順風向及橫風向湍流強度與平均風速呈負相關。當平均風速大于10 m/s時,湍流強度隨時間變化曲線基本保持水平;當平均風速在小于10 m/s范圍內變化時,湍流強度變化較為顯著。由此可知,湍流強度變化程度與平均風速范圍有關,當平均風速較大時湍流強度幾乎不發生變化。

圖5 順風向及橫風向湍流強度隨時間變化規律Fig.5 Variation of longitudinal and lateral turbulence intensity with time

2.4 湍流積分尺度

湍流是由大小不一的漩渦組合而成,且不同組合具有不同程度的誘導流場能力及影響范圍。湍流積分尺度即表征不同尺度漩渦的影響機理,其表達式為:

(8)

式中:ui、uj為空間i、j兩點處的脈動風速;Ruiuj(x)為i、j兩點相距x時的互相關函數:

(9)

由泰勒假設,式(9)可以化為具有相應時間差的同一點脈動速度的自相關,即:

(10)

式中:τ=x/U,U為主流流速。

將式(10)代入到式(9)中,并且結合式(8),則可以轉化為:

(11)

根據實測數據,并結合式(11)進行計算,得出如圖6所示的順風向及橫風向湍流積分尺度變化圖。

由圖6可知,順風向及橫風向湍流積分尺度隨時間變化趨勢相同,均呈先增大后減小的變化規律,其中順風向湍流積分尺度隨時間變化幅度較橫風向更大。與圖2(a)對比發現,順風向及橫風向湍流積分尺度隨時間變化規律與平均風速有關,平均風速越大,其湍流積分尺度越大;平均風速越小,其湍流積分尺度越小,即湍流中旋渦對流場誘導能力越強,影響范圍越大。

圖6 順風向及橫風向湍流積分尺度隨時間變化規律Fig.6 Variation of longitudinal and lateral turbulence integral scale with time

2.5 Von Karman譜

Von Karman譜是比較常見的脈動風速功率譜,表示不同頻率段脈動風速能量的分布情況,其表達式為:

(12)

(13)

式中:Si(n)為脈動風速功率譜;f為頻率。

由實測數據,并結合式(12)、(13)得出順風向及橫風向脈動風速譜變化規律,試驗結果如圖7所示。

由圖7可知,在低頻范圍內實測脈動風速譜與Von Karman風速譜基本吻合;當頻率較大時實測脈動風速譜與Von Karman風速譜出現較大偏差。由此可知,Von Karman譜對低頻范圍內超高層高空周圍風場特性描述較為準確,但不能很好地描述高頻范圍內風場特性。

圖7 順風向及橫風向脈動風速譜Fig.7 Longitudinal and lateral fluctuating wind velocity spectra

3 結論

本文對天津117大廈周圍的平均風速、脈動風速、湍流強度、湍流積分尺度、Von Karman譜等風場特性進行分析,并得出以下結論:

(1)順風向及橫風向脈動風速均出現左右拖尾的現象,其概率密度分布在均值附近大于標準正態分布,且相比順風向脈動風速,橫風向脈動風速更集中。

(2)順風向及橫風向湍流強度與平均風速呈負相關,其變化程度與平均風速范圍有關,當平均風速較大時湍流強度幾乎不發生變化。

(3)順風向及橫風向湍流積分尺度與平均風速有關,平均風速越大,其湍流積分尺度越大。

(4)Von Karman譜對低頻范圍內超高層高空周圍風場特性描述較為準確,但不能很好地描述高頻范圍內風場特性。