典型高層住宅建筑風壓分布特性的試驗研究*

李秋勝,李永貴,郅倫海

(1.湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點試驗室,湖南長沙 410082;2.香港城市大學建筑系,香港九龍)

典型高層住宅建筑風壓分布特性的試驗研究*

李秋勝1,2?,李永貴1,郅倫海1

(1.湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點試驗室,湖南長沙 410082;2.香港城市大學建筑系,香港九龍)

在大氣邊界層風洞中對某高層住宅建筑模型進行了風壓分布風洞試驗,分析了單體及受擾后建筑表面風壓的分布特性.結果表明:凹形立面同高度處風壓的相關性高,雙層懸挑屋檐中,上層受負風壓控制,下層受正風壓控制,頂部玻璃擋板也受正風壓控制;建筑物的風壓分布受周邊建筑及地形的干擾后產生較大變化,尤其是1倍于干擾物高度范圍內,脈動風壓的大小及分布的改變十分明顯;受擾后,建筑物的最小極小風壓增大了28%.

高層建筑;風干擾;風壓分布;風洞試驗

隨著人們生活水平的大幅度提高,各地涌現出大量高品質的住宅樓盤,這些樓盤通常具有一個共同的特點:地理位置優(yōu)越,建筑形式獨特.而在這些樓盤中,往往會有少數幾棟特別突出,被稱之為“樓王”.

某高層住宅建筑就是“樓王”的代表之一,建筑地面以上49層,設計高度195.77m.每戶均設計有獨立的游泳池,3個立面呈“凹形”,凹入深度為11.5 m和14m,同時這3個立面上有懸挑4 m的陽臺;在建筑頂部,有上下兩層懸挑6 m的屋檐;在建筑頂部,有高5 m的玻璃欄板;以上局部位置的風環(huán)境較復雜.該住宅建筑依山望海,周邊有近100 m高的山體,多棟高100m左右的高層建筑,2棟與該住宅建筑同高、體型類似的高層建筑,周圍高層建筑及所在地形,形成一個較復雜的風場環(huán)境.為了對該住宅建筑進行合理的抗風設計,對該建筑進行了詳細的風洞模型試驗研究,所得結論可為以后類似工程的抗風設計提供參考.

1 試驗簡介

1.1 試驗設備

試驗在湖南大學風工程試驗研究中心的HD-2大氣邊界層風洞的高速試驗段進行.該風洞為水平回流式,包括高速試驗段和低速試驗段.高速試驗段尺寸為高2.5 m、寬3.0 m、長17m,轉盤直徑為1.8 m,風速在0～60 m/s范圍內連續(xù)可調.地貌類型按國家《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)[1]的B類地貌考慮,地貌粗糙度系數(指數率)α=0.16.

1.2 試驗模型

風洞試驗模型是用ABS板制成的剛體模型,具有足夠的強度和剛度.模型與實際建筑在外形上保持幾何相似,縮尺比為1∶300.周邊模型比例也為1∶300,相對位置見圖1(3#建筑為研究對象).

圖1 模型位置及風向角示意圖Fig.1 Model site and wind direction illustrations

為測取建筑的表面壓力,在主模型外表面上共布置了376個測點,沿高度分12層(圖2).測點層A～J每層布置28個測點(圖3),測點層K,L分別布置20、16個測點,測點層M,N布置于頂部玻璃欄板,M為外測點,N為測點,均為20個.此外,在上下兩層懸挑屋檐上分別布置了12對雙測點.

圖2 測點分層圖Fig.2 Pressure tap layers

圖3 A～J層測點布置圖Fig.3 Pressure tap distributions o f layer A to layer J

1.3 試驗工況

試驗分3種工況進行,分別為單體(工況1),所有建筑(工況2),所有建筑與地形(工況3).風洞試驗時,每一個風向測量一組數據,采樣頻率為333 Hz,采樣長度為10 000,滿足文獻[2]指出的信號采樣頻率的要求.每種工況風向角間隔均為15°,共24個風向.風向角定義見圖1.試驗參考點高度為63.7 cm(與模型頂部同高),參考點控制風速10m/s.

1.4 數據處理

數據處理中符號約定以壓力向內、向下(壓)為正,向外、向上(吸)為負.各點的風壓系數由式(1)給出:

式中:Δcpi(t)為測點i處的風壓差系數時程; pui(t),pdi(t)為試驗時測得的測點i處上(外)、下(內)的風壓力時程.為了簡化敘述,本文均采用壓力系數cpi(t)來表示式(1)和式(2)表示的兩種情況.

式中:cpi(t)為測點i處的風壓系數時程;pi(t)為試驗時測得的測點i處的風壓力時程;p0和p∞分別為參考點處測得的平均總壓和平均靜壓.cpi(t)的平均值為平均風壓系數,cpi(t)的根方差值為脈動風壓系數.對于雙側點位置,由上下(外內)表面對應的測點測出的壓力相減得到:

2 結果分析

2.1 單體情況

2.1.1 平均風壓系數

圖4給出了A～J層測點在180°風向角下平均風壓系數的等值線圖,從圖中可看出,正面的平均風壓系數最大為0.8,這與已有研究結果是一致的[3].從分布上看,懸挑屋檐下均出現了較大的正風壓,這與懸挑屋檐改變了建筑上部的繞流有關.在正面的邊緣出現了負壓,其大小與側面相鄰位置的平均風壓系數相當,這主要是由于正立面邊緣測點(測點8,18)實際上是處于氣流分離區(qū)內所造成的.背面平均風壓系數的分布規(guī)律與文獻[3]基本上是一致的.側面的平均風壓系數沿高度逐漸減小,這與文獻[3]的結論剛好相反,產生這種差別的主要原因是該住宅樓平面并非典型的矩形,從而導致氣流分流現象與文獻[3]的不一致.

2.1.2 脈動風壓系數

圖5給出了A～J層測點在180°風向角下脈動風壓系數的等值線圖,從圖5可以看出,正面的脈動風壓系數在0.15和0.30之間,且從下往上有減小的趨勢,這完全是由于來流紊流引起的.背面的脈動風壓系數在0.15和0.20之間.側面的脈動風壓系數沿風向從0.30逐漸減小到0.15.在迎風面兩側的棱角處,由于氣流的分離,脈動風壓明顯大于其他位置.

圖4 180°風向角下的平均風壓系數分布(工況1) (從左至右依次為南立面、東立面、西立面、北立面,下同)Fig.4 Contour of themean pressure coefficient for 180°w ind direction(Condition 1)

圖5 180°風向角下的脈動風壓系數分布(工況1)Fig.5 Contour of the fluctuating pressure coefficient for 180°wind direction(Condition 1)

2.1.3 凹形立面的風壓分布特點

圖6給出了G12,G13和G14 3個測點之間在全風向下的互相關系數,“凹陷”立面上同高度測點間的相關度非常高.圖7給出了G12,G13和G14 3個測點在全風向下的平均風壓系數,G12,G14的平均正風壓系數比G13略大,平均負風壓系數比G13略小,對于由負壓控制的幕墻設計而言,G12,G14的風壓系數取值可以由G13確定.對凹形立面內其他同高度的測點進行分析,也能得到相同的結論.

圖6 測點互關系數Fig.6 Correlation coefficient of pressure tap

圖7 平均風壓系數對比Fig.7 Comparison ofmean w ind p ressure coefficient

2.1.4 懸挑屋檐的風壓分布特點

圖8 懸挑屋檐全風向角下最大(最小)平均風壓系數Fig.8 M ax(M in)mean wind p ressure coefficient for all wind directions of the cantilevered roof

頂部懸挑屋檐高度相差14.19 m,圖8給出了頂部上下兩層懸挑屋檐在全風向角下最大/最小平均風壓系數.從圖可看出,上層懸挑屋檐的負風壓占主導地位,最小平均風壓系數為-1.76,但值得注意的是,上層懸挑屋檐在角部的最大平均風壓系數也比較大.下層懸挑屋檐的正風壓占主導地位,最大平均風壓系數為1.16,最小平均風壓系數為-0.94.產生這種現象的原因可解釋為:當懸挑屋檐位于來流側面或背面時,上下表面均主要表現為負風壓,因而懸挑屋檐上下的風壓差不大;當懸挑屋檐位于來流正面時,氣流撞擊上下懸挑屋檐間的立面后分別向上下分離,以至于上層懸挑屋檐承受較大的負風壓,而下層懸挑屋檐承受較大的正風壓.(嚴格來說,上述解釋應做流場顯示.)

2.1.5 玻璃擋板的風壓分布特點

圖9給出了頂部玻璃擋板在全風向角下最大/最小平均風壓系數.從圖中可看出,玻璃擋板的正風壓占主導地位,最大平均風壓系數為1.73,最小平均風壓系數為-0.69.圖10給出了M 19,N19測點(此兩測點為北立面中間外、內測點)在全風向角下的平均風壓系數,從圖中可看出:由于來流風在建筑頂部的繞流,內測點在全風向角下均為負壓,外測點在正面來流時為正壓,側面和背面來流時為負壓.因而外內壓差在正面來流時為正風壓,側面和背面來流時為負風壓.全風向角下,正風壓為頂部玻璃擋板的控制風壓.

圖9 玻璃擋板全風向角下最大(最小)平均風壓系數Fig.9 M ax(M in)mean w ind p ressure coefficient for allwind directions of the glass tailgate

圖10 平均風壓系數Fig.10 Mean wind p ressure coefficient

2.2 干擾現象

復雜建筑群體間的風干擾效應是結構風工程領域的研究熱點[4],目前干擾問題的研究主要針對總體荷載及其動靜態(tài)響應,以結構局部的風壓系數為目標的干擾問題的研究在一定程度上可能更加復雜,所以目前以結構局部的風壓系數為目標的干擾問題的研究主要是結合實際工程背景進行的[5-8].

2.2.1 地形及周邊建筑干擾對風壓分布的影響

圖11 180°風向角下的平均風壓系數分布(工況2)Fig.11 Contour of themean p ressure coefficient for 180°wind direction(Condition 2)

圖12 180°風向角下的脈動風壓系數分布(工況2)Fig.12 Contour of the fluctuating pressure coefficient for 180°wind direction(Condition 2)

圖11～圖14分別為工況2和工況3在180°風向角下各立面平均風壓系數和脈動風壓系數的等值線圖.工況2,南立面平均風壓系數比工況1明顯增大,且西側的負風壓明顯減小,西立面平均風壓系數與工況1有所不同,數值也略微減小;南立面東側下部的負風壓明顯減小,上部也有所減小,而東立面的平均風壓分布及數值較工況1均有較大差別;北立面的平均風壓分布已不再對稱,且負壓較工況1有所增大.上述現象的出現就是由周邊建筑的干擾所引起的,由于該住宅樓與東西側建筑間距很小,以至于氣流在立面棱角處分離后相互擠壓,導致迎風面正風壓區(qū)域擴大,正風壓增大,負壓減小;東西立面負壓值沒有太大改變,反應出東西側面處的風速并沒有出現明顯的放大效應,這可能是由于下游建筑的堵塞引起的.至于北立面平均風壓分布的不對稱現象,則完全是由于周邊建筑的不對稱所引起的.工況2各立面的脈動風壓分布與工況1均有較大不同,在建筑迎風面棱角處的數值明顯增大,多個測點的脈動風壓系數超過0.5.工況3,增加山體后,由于山體遮擋,南立面下部出現負風壓,而上部的正壓較工況2而有所減少,這主要是由于山體坡度對來流路徑的影響所造成的.從各工況的對比結果還可看出,該住宅樓的風壓分布在周邊建筑及地形2倍高度范圍內均受到影響,在周邊建筑及地形1倍高度范圍內,脈動風壓改變較大.

圖13 180°風向角下的平均風壓系數分布(工況3)Fig.13 Contour o f themean p ressure coefficient for 180°wind direction(Condition 3)

圖14 180°風向角下的脈動風壓系數分布(工況3)Fig.14 Contour of the fluctuating p ressure coefficient for 180°w ind direction(Condition 3)

2.2.2 不同工況最小極小風壓系數比較

對于幕墻設計而言,通常關心的是峰值負壓.為進一步量化周邊建筑及地形對該住宅樓風壓分布的影響,借用“遮擋因子”來衡量這種影響并定義遮擋因子SF為:

式中:Cp m in,Cp0m in分別為有干擾和無干擾時的最小峰值風壓系數,按式(4)計算:

表1 遮擋因子Tab.1 Shielding factor(SF)

3 結 論

以結構局部的風壓系數為目標的干擾問題是相當復雜的,因此在受擾后,本文只具體分析了一個風向角下該樓各立面風壓分布的變化;而在分析SF時,是分區(qū)域后全風向考慮的.通過本文研究得到以下結論:

1)單體情況下,凹形立面內同高度處的風壓相關性高.

2)雙層懸挑屋檐中,上層受負壓控制,下層受正壓控制;頂部玻璃擋板受正壓控制.

3)主體建筑受擾后,風壓分布在兩倍于干擾物的高度范圍均有改變,在一倍于干擾物的高度范圍內的改變較大.

4)上風向周邊建筑對主體建筑風壓的干擾效應明顯,主體建筑尾流受到周邊建筑干擾時也會對風壓分布造成影響,但干擾效應相對較小.

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Experimental Investigation of the W ind Pressure Distributions on a Typical Tall Residential Building

LIQiu-sheng1,2?,LI Yong-gui1,ZH ILun-hai1

(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of M inistry o f Education,Hunan Univ,Changsha, Hunan 410082,China;2.City Univ of H ong Kong,Kow loom,Hong Kong,China)

A detailed testo f thewind p ressure distribution of a tall residential buildingw as carried out in a Boundary LayerWind Tunnel.Thew ind pressure distributionson the building were investigated.The resultshave shown that the correlationsof wind pressureson the concave surface are very high at the same height.For the design of the double cantilevered roof,the upper is controlled by negative w ind p ressure and the low er by positive wind pressure.The glass tailgate at the top of the building is also controlled by positive wind pressure.The wind pressure distributions of the building are changed m ore noticeably if the surrounding buildings and topography exist.Especially under the height of the disruptors,the change of fluctuating wind pressure is significant.The min peak wind pressure has an increase of 28%when the building is disturbed.

tallbuilding;w ind interference;w ind pressure distribution;wind tunnel test

TU 973

A

1674-2974(2011)04-0014-06 *

2010-05-16

國家自然科學基金重大研究計劃重點資助項目(90815030);“十一五”國家科技支撐計劃資助項目(2006BAJ03B04-02)

李秋勝(1962-),男,湖南永州人,教育部長江學者講座教授,博士

?通訊聯系人,E-mail:b cqsli@cityu.edu.hk