豎條對二維方柱風壓特性影響研究

為探究豎條對二維方柱風壓特性的影響，本試驗設置了參考模型以及豎條布置位置改變共三種模型，通過風洞試驗的方法，對比分析了在均勻紊流場情況下，有無豎條以及豎條位置發生改變時，二維方柱平均風壓和脈動風壓的差異；各工況下氣動力差異。研究表明：當豎條靠近迎風拐角布置時，迎風邊緣出現較大的風致吸力。模型表面布置豎條均能有效降低側風面、背風面風壓值。當豎條位置靠近模型內側布置時，平均阻力系數降幅達為35.2%。因此，通過合理布置豎條能夠有效降低二維方柱表面風壓以及整體風荷載。

二維方柱; 豎條; 風洞試驗; 氣動力系數; 風壓分布

TU312+1A

工程結構工程結構

［定稿日期］2023-03-14

［作者簡介］呂偉（1996—），男，在讀碩士，研究方向為結構風工程。

0" 引言

為了滿足人們對建筑美學和功能的需求，高層建筑表面通常設置陽臺、豎框、裝飾條等各種形式的粗糙條，而這些粗糙條的布置會對建筑表面風荷載產生一定的影響。研究人員通過大量的風洞實驗探索了粗糙條的布置對局部風壓的影響。

Stathopoulos和Zhu［1］研究了僅一面帶豎框對局部風壓的影響，結果表明：豎框的存在使得建筑邊緣產生了很高的風致吸力；Yuan等［2］發現，附屬物能有效抑制整個側面負極值風壓的變化，且與參考模型相比，當連續水平隔板垂直間距比為8%時，其風壓脈動值的折減率達60%；Maruta［3］研究了四面均帶陽臺且陽臺寬度變化對高層建筑表面風壓的影響，研究表明隨粗糙度增加，抑制了漩渦脫落。與此同時，側壁前緣附近局部峰值壓力也顯著降低。劉子荷等［4］通過風洞試驗研究了不同豎向外伸肋板布置方式對高層建筑氣動力的影響，發現豎向肋板可以有效降低基底彎矩系數的極值，其中順風向和橫風向的基底彎矩系數極值最大降幅分別為28.64% 和 39.02%。黃冬梅等［5］發現利用砂紙增大建筑立面整體粗糙度，使得建筑物各層平均阻力、脈動阻力、脈動升力系數有所減小（減小幅度在25%以內）。

上述研究表明：建筑物表面設置附屬物對高層建筑整體或者局部風荷載有所影響，但是定量研究豎條安裝位置的改變對二維方柱風壓分布影響相對較少。通過風洞試驗研究了豎條安裝位置改變對二維方柱表面風壓的影響，對比分析了在均勻紊流場下，豎條位置改變情況下二維方柱平均風壓和脈動風壓的差異以及氣動力差異。研究成果為豎條在高層建筑抗風中的布置位置提供參考。

1" 試驗參數

1.1" 試驗模型及裝備

本研究的風洞試驗安排在XNJD-2號風洞中進行，風洞試驗斷面尺寸為1.3 m×1.5 m，計算得到阻塞率為4.62%，滿足風洞試驗要求。測壓模型為90 mm×90 mm的方形斷面，模型長度為1 m，在模型中部210 mm范圍內布置測點，采用的豎條間距分別設置為70 mm，50 mm，30 mm，60 mm的A、B、C、D、E 5個條帶，其中條帶C位于模型中間，每個條帶共布置28個測點，且測點分布情況相同見圖1（a）來流風速設置為U=10 m/s，風向角設置為0°，如圖1（b）所示。模型由加厚的有機玻璃制成，在模型內部設置加勁肋來保證模型的整體穩定性。為了模擬無限跨度條件并防止端部效應，在模型的兩端安裝了20 cm×20 cm的方形端板。將模型水平安裝在工作段中。豎條采用亞克力板，豎條厚度均為2 mm，本試驗采用不同寬度豎條且豎條沿展向通體布置。本試驗共模擬了三種工況（圖2），其中試驗模型A1如圖3所示，測壓模型具體設置情況詳見表1。

測壓系統采用DSM-4000 電子掃描閥，每個掃描閥有64個通道，精度為全量程的±0.08%。為了減少實驗誤差，將最大數量的壓力掃描儀連接到同一個Scanivalve DSM4000數字服務模塊，以實現不同條帶上測點壓力的同步采集。所有測壓閥置于模型內部，采樣頻率為 256 Hz，采樣時間為 90 s。數據長度 23 040。塑料導管過長對采樣信號影響較大，為避免壓力信號失真，確保測壓管的長度在 15 cm 以內。

1.2" 格柵紊流場參數

為了避免試驗模型造成的干擾，在壓力測量之前，在空風洞中的模型前緣位置測量了流場特性。使用TFI Cobra探頭進行流場測量，采樣頻率為256 Hz，采樣時間為90 s，以獲得均勻紊流場，表2為本次試驗的紊流場參數。為了確保格柵湍流能充分發展到近似均勻和各向同性狀態，測試模型水平安裝在格柵下游約4.5m的鋼支架上，如圖4所示。

紊流脈動功率譜反映了紊流動能在不同尺度漩渦中的分布情況，由圖5（a）可知（k1Su（k1）/σu2為順風向歸一化的脈動風壓功率譜，k1為波數，Su（k1）為順風向脈動風速功率譜，σu2為順風向脈動風速均方根）試驗中的格柵紊流基本符合von Karman 譜。為驗證試驗測壓區格柵紊流場均勻性，在模型中心高度處沿展向對不同測點紊流強度（Iu、Iw分別為縱向、豎向的紊流強度）進行比較。由圖5（b）可知，同一高度，沿展向不同測點紊流強度十分接近，且在模型試驗測壓區內分布均勻，可認為格柵紊流場具有良好的均勻性。

2" 風壓系數

Cp=Pi－P

SymboleB@ 0.5U2

式中：Pi為模型表面第i個測點風壓值；P∞為來流靜壓值；

SymbolrA@ 為空氣密度；U為來流風速。

由于均勻格柵紊流作用下，每個條帶風壓分布情況相同，故將五個條帶風壓值求和再取平均作為分析結果。針對0°風向角這一典型風向角下各模型風壓系數展開對比分析。

2.1" 豎條位置改變對平均風壓分布的影響

以參考模型S、模型A1、模型B1為研究對象，此時豎條外伸寬度均為d=10%D，比較豎條位置改變對平均風壓分布影響，結合圖6，平均風壓分布如圖7所示。

工程結構呂偉： 豎條對二維方柱風壓特性影響研究

（1）迎風面：來流在各模型迎風面中點處停滯，然后往四周分流，當氣流經過豎條時，在豎條上發生局部分離，從而使得模型A1的風壓值急劇降低，在6號測點表現為負壓值，其值為-0.36；而迎風邊緣7號測點表現為正壓值。而當豎條位置靠近迎風邊緣時，即模型B1，由于豎條改變了迎風邊緣氣流漩渦脫落，使得7號測點風壓系數急劇下降，迎風邊緣出現很大的負壓值，其值為-1.05。這與Stathopoulos和Zhu［1］的結論一致，即當最外側豎框靠近迎風邊緣時，使得建筑邊緣產生了很高的風致吸力。

（2）側風面、背風面：總體上，參考模型S在側風面、背風面負壓絕對值均大于模型A1、B1。豎條位置改變使得側風面氣流分離位置發生改變。模型A1 在側風面氣流分離點8號測點處產生很大的負壓值，而模型B1在此處負壓值較小，對于負壓值而言： A1＞S＞B1。對于模型A1，由于氣流在靠近迎風前緣的豎條上發生分離，使得9號測點負壓值進一步增大，此時負壓值達最大，其值為-1.61。而且可以發現，參考模型S側風面風壓變化較小，側風面前后緣風壓相差不大，模型表面安裝豎條使得側風面前后緣風壓差距變大。其中，模型A1側風面前后緣風壓變化較為明顯，差距較大。模型A1在迎風前緣平均風壓達最大，其值為-1.61，平均風壓沿側風面呈現梯度式減小，在后緣達最小，其值為-0.71。模型A1最小最大平均負壓系數差值為0.90；而模型S和B1，其差值分別為0.08和0.34。最小最大平均負壓系數差值： A1＞B1＞S，由此，安裝豎條使得模型負壓分布不均勻性變大，其中A1的負壓分布的不均勻程度最大。出現這種現象的原因可能是模型表面所布置的豎條對高層建筑橫向擾流的局部阻礙作用［6］。模型B1側風面負壓平均值較參考模型S降幅最大，最大降幅為19.1%。而模型A1降幅很小，僅為1.9%。

2.2" 豎條位置改變對脈動風壓分布的影響

以參考模型S、模型A1、模型B1為研究對象，此時豎條外伸寬度均為d=10%D，比較豎條位置改變對脈動風壓分布影響，如圖8所示。

總的來看， 參考模型S側風面、背風面脈動風壓值都比模型A1、B1大，說明豎條的布置能明顯降低側風面、背風面脈動風壓值，從而抑制側風面氣流分離。

（1）迎風面： 當測點位于兩豎條之間區域時，脈動風壓分布與參考模型S基本一致。當測點位于豎條附近時，即模型A1的6號測點和模型B1的7號測點，風壓脈動值突然增大，其值分別為0.31和0.33。與平均風壓在出現的負值原因相同，主要由氣流在豎條上發生局部分離從而引起較大的氣流紊亂。

（2）側風面、背風面：可以觀察到，模型A1在側風面9號、12號測點出現脈動風壓峰值，模型B1在側風面8號測點脈動值達最大，其值為0.44。這說明對于模型A1，氣流在側風面前后緣豎條上均產生了局部分離現象；而對于模型B1，氣流僅在前緣側面后緣豎條上發生局部分離。

模型A1、B1側風面脈動風壓平均值較參考模型S降幅均超過40%。豎條的布置可以明顯降低背風面脈動風壓值，而豎條安裝位置的改變對背風面脈動風壓影響較小，其中A1模型背風面脈動風壓平均值最小，其值為0.09左右，相比參考模型S整體降幅最大，其值為53.6%。

3" 研究模型表面氣動力系數

在風壓系數研究的基礎上，通過對比平均阻力系數、脈動升力系數的大小變化來分析豎條位置的改變對建筑氣動力特性的影響。阻力系數、升力系數按時程表達式為式（1）、式（2）：

Cd=∑28i=1Pidisin（αi）0.5U2D（1）

Cl=∑28i=1PiLicos（αi）0.5U2D（2）

Pi為模型表面第 i 個測點風壓值;Li為第 i 個測點所對應的計算長度；αi 表示各測點所在邊與水平線夾角； D表示模型斷面寬度；

SymbolrA@ 為空氣密度;U為來流風速。

為研究豎條對各模型氣動力的影響，通過降幅R=C_S－C_MC_S×100%作為評判標準。

其中C_M表示不同模型方柱的氣動力，C_S表示參考模型S的氣動力。

如表3所示，顯示了各模型平均阻力系數、脈動升力系數。結果表明：相比于參考模型S，模型表面布置豎條都可以降低二維方柱氣動力。兩種模型平均阻力系數降幅均超過20%，脈動升力系數降幅均超過46%；同時，值得注意的是，模型A1的平均阻力系數降幅較大，為35.2%。因此當豎條靠近模型內側布置時，更有利于降低二維方柱表面風荷載。

4" 結論

通過研究均勻紊流情況下，豎條布置位置的改變對二維方柱局部風壓和氣動力影響，對比分析了有無豎條以及豎條位置改變情況下，二維方柱平均風壓、脈動風壓的差異，并且在此基礎上研究了三種工況下氣動力系數的差異。得出幾點結論：

（1）豎條的布置對于靠近迎風邊緣測點風壓影響較大，其中當豎條位置靠近迎風拐角時（即模型B1），迎風邊緣出現 較大的風致吸力。豎條的布置均能有效降低側風面、背風面風壓值。模型A1、B1側風面脈動風壓平均值較參考模型S降幅均超過40%。

（2）相比于參考模型S，模型表面布置豎條都可以降低二維方柱氣動力。其中模型A1的平均阻力系數降幅較大，為35.2%。因此當豎條位置靠近模型內側時，更有利于降低二維方柱表面風荷載。

參考文獻

［1］" STATHOPOULOS T， ZHU X. Wind pressures on building with appurtenances［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1988， 31（2）： 265-281.

［2］" YUAN K， HUI Y， CHEN Z． Effects of facade appurtenances on the local pressure of high-rise building ［J］． Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2018，178： 26-37

［3］" MARUTA E， KANDA M， SATO J. Effects on surface roughness for wind pressure on glass and cladding of buildings［J］. Journal of Wind Engineering amp; Industrial Aerodynamics. 1998， 74： 651-663.

［4］" 劉子荷，回憶，楊慶山.豎向外伸肋板對高層建筑氣動力特性影響的試驗研究［J］.建筑結構學報，2021，42（11）：172-181.

［5］" 黃東梅，何世青，朱學，等.表面粗糙度對超高層建筑風荷載與風振響應的影響［J］.湖南大學學報（自然科學版），2017，44（9）：41-51.

［6］" 程旭. 粗糙條圍護結構對高層建筑風荷載影響的研究［D］.成都：西南交通大學，2020.