大開洞對高層建筑風(fēng)效應(yīng)的影響研究

陳伏彬 李秋勝

摘要：在大氣邊界層風(fēng)洞中開展了在0.5H和0.85H高度設(shè)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(shù)量時的高層建筑風(fēng)致基底反力.從基底彎矩系數(shù)和基底一階廣義氣動力譜研究了不同洞口設(shè)置對高層建筑風(fēng)效應(yīng)的影響.研究結(jié)果表明：1）順風(fēng)向開洞能有效地降低順風(fēng)向基底平均彎矩，并且上部開洞效果優(yōu)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(fēng)向與順風(fēng)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(xiàn)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.

關(guān)鍵詞：開洞；高層建筑；風(fēng)效應(yīng)；風(fēng)洞試驗；高頻測力天平

中圖分類號：TU973 文獻標(biāo)識碼：A

隨著社會與經(jīng)濟飛速發(fā)展，在經(jīng)濟發(fā)達的城市建造了大量地標(biāo)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(shè)了不少開設(shè)洞口的超高層建筑.如：日本NEC大廈在建筑物中部13～15層設(shè)置了一個44.6 m×12.6 m大的洞口＼[1＼]；我國上海的環(huán)球金融中心在頂部設(shè)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(shè)備層位置設(shè)置了4個洞口，并安裝了風(fēng)力發(fā)電機用于發(fā)電＼[3＼].對于超高層建筑而言，風(fēng)荷載是其主要的控制荷載，現(xiàn)有的荷載規(guī)范不能完全給出合適的風(fēng)荷載條件，因此對于超高層建筑的風(fēng)荷載特性的研究就尤顯重要.超高層建筑在不同的風(fēng)場條件的風(fēng)致荷載及其響應(yīng)有較大差異＼[4＼]，一般可通過改變建筑造型以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算來提高其抗風(fēng)性能＼[5＼].

超高層建筑中開設(shè)洞口的目的各異，有的是為了建筑造型＼[1-2＼]，有的是為了節(jié)能與風(fēng)力發(fā)電＼[3＼].但洞口設(shè)置的位置、大小、高度等都可能對結(jié)構(gòu)的風(fēng)致荷載產(chǎn)生影響.Kwok等＼[6＼]針對立面開洞的CAARC標(biāo)準(zhǔn)模型進行了風(fēng)洞實驗研究，指出水平雙向開洞能夠顯著減小建筑順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)荷載與風(fēng)致響應(yīng).Kikitsu等＼[7＼]進行的減少高層建筑氣動力響應(yīng)的風(fēng)洞試驗結(jié)果表明：開洞在一定范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)在一定風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)致氣動力響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的臨界風(fēng)速，避免結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生風(fēng)致失穩(wěn)振動.張耀春等＼[8-10＼]通過數(shù)值模擬＼[8＼]和風(fēng)洞試驗＼[9-10＼]對開洞高層建筑的靜力風(fēng)荷載進行系統(tǒng)的研究，指出當(dāng)風(fēng)向與開洞方向平行時，結(jié)構(gòu)平均風(fēng)荷載降低，但局部風(fēng)壓較大，將洞口開在建筑物上部對減小風(fēng)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(shè)置風(fēng)機對結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響以及通過設(shè)置洞口進行風(fēng)力發(fā)電的可行性，研究結(jié)果表明：風(fēng)機的存在能增加基底反力；洞口具有風(fēng)速放大的作用，其對風(fēng)力發(fā)電是有利的.

本文以自行設(shè)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(fēng)洞中開展測力試驗，研究不同開洞位置及開洞率對結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載的影響.

1試驗介紹

1.1試驗?zāi)Ｐ?/p>

兩個測力模型實際結(jié)構(gòu)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(cè)面分別開設(shè)洞口，洞口相互連通.模型采用輕質(zhì)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（M1）為大開洞，洞口尺寸為12 m×12 m；模型2（M2）為小開洞，洞口尺寸為6 m×6 m.模型幾何參數(shù)如圖1所示.通過對洞口進行封堵可實現(xiàn)不同側(cè)面上的開洞工況.

本文以自行設(shè)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(fēng)洞中開展測力試驗，研究不同開洞位置及開洞率對結(jié)構(gòu)整體風(fēng)荷載的影響.

1試驗介紹

1.1試驗?zāi)Ｐ?/p>

兩個測力模型實際結(jié)構(gòu)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(cè)面分別開設(shè)洞口，洞口相互連通.模型采用輕質(zhì)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（M1）為大開洞，洞口尺寸為12 m×12 m；模型2（M2）為小開洞，洞口尺寸為6 m×6 m.模型幾何參數(shù)如圖1所示.通過對洞口進行封堵可實現(xiàn)不同側(cè)面上的開洞工況.

1.2風(fēng)場條件

測力試驗在湖南大學(xué)HD2邊界層風(fēng)洞高速試驗段進行.地貌類型按國家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）＼[14＼]中規(guī)定的B類地貌考慮，地貌粗糙度系數(shù)（指數(shù)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(fēng)剖面、湍流度剖面分布以及參考點高度處來流順風(fēng)向歸一化功率譜，如圖2所示.參考點設(shè)置在前方不受擾動且與目標(biāo)建筑物等高的位置處（即60 cm高度處），參考點風(fēng)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(xiàn)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?cè)绫?所示.

2.1彎矩系數(shù)

根據(jù)動態(tài)測力天平原理，天平獲得的基底彎矩就是模型的一階廣義風(fēng)荷載.試驗中獲得的基底彎矩平均分量與脈動分量分別記為x， y和x， y.則其平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載下的無量綱彎矩系數(shù)CmMx，CmMy和CrMx，CrMy分別定義如下：

CmMx=xρU2HBH2/2，CmMy=yρU2HBH2/2；（1）

CrMx=xρU2HBH2/2，CrMy=yρU2HBH2/2.（2）

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

表2基底順風(fēng)向平均彎矩系數(shù)

Tab.2Basement mean bending moment coefficients

at alongwind direction

從表2可以看出，全封閉工況下基底平均彎矩系數(shù)為0.749；順風(fēng)向側(cè)面大開洞明顯降低了順風(fēng)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(fēng)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(fā)現(xiàn)，橫風(fēng)向側(cè)面開洞亦影響到順風(fēng)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小；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(fēng)向平均彎矩遠(yuǎn)小于順風(fēng)向基底平均彎矩，這主要是因為作用于側(cè)面上的風(fēng)荷載主要是由于氣流的分離引起的，而順風(fēng)向風(fēng)荷載則是由于迎風(fēng)面空氣顆粒直接撞擊建筑物表面和背風(fēng)面空氣尾流引起的；開洞率越大對橫風(fēng)向平均風(fēng)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(shù)，且順風(fēng)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(fēng)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(fēng)向基底脈動彎矩系數(shù)，提高的幅度基本相當(dāng)；開洞對基底橫風(fēng)向脈動彎矩影響較大，特別是橫風(fēng)向上下部開大洞工況.

2.2橫風(fēng)向基底一階廣義氣動力譜

本節(jié)討論模型橫風(fēng)向基底一階廣義氣動力功率譜，分析中采用歸一化的基底彎矩功率譜密度.橫坐標(biāo)為無量綱頻率fB/UH（其中，B為模型迎風(fēng)面寬度，UH為模型頂部風(fēng)速），縱坐標(biāo)為無量綱功率譜密度fSM（f）/σ2M（其中，SM（f）為基底彎矩功率譜密度，σM為基底彎矩根方差）.

圖3與圖4分別給出了大開洞與小開洞各工況下橫風(fēng)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(xiàn)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.

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(fēng)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(fēng)向開洞能使橫向風(fēng)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.

2.3順風(fēng)向基底一階廣義氣動力譜

研究表明，橫風(fēng)向氣動力主要是與旋渦脫落、再附有關(guān)，順風(fēng)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(fēng)速譜較為相近.從上節(jié)對基底橫風(fēng)向平均彎矩系數(shù)分析可知，單個洞口的大小對橫風(fēng)向基底平均彎矩影響較大，故本節(jié)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?qū)橈L(fēng)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L7，S7） 的基底氣動力譜.從圖6可以看出，順風(fēng)向基底彎矩功率譜較為平坦，且與來流脈動風(fēng)速譜較為相似；順風(fēng)向開洞對降低順風(fēng)向基底彎矩更為明顯，且開洞率越大其降幅越明顯.

3結(jié)論

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

1） 測力試驗表明，順風(fēng)向開洞能有效地降低順風(fēng)向基底平均彎矩，并且上部開洞優(yōu)于下部開洞，開洞率越大效果越明顯；橫風(fēng)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(jié)果則相反.

2）開洞對橫風(fēng)向與順風(fēng)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(xiàn)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(fēng)向能量分布影響較大，順風(fēng)向基底彎矩功率譜較為平坦，且與來流脈動風(fēng)速譜較為相似；順風(fēng)向開洞對降低順風(fēng)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(fēng)效應(yīng)與其高寬比、邊長比密切相關(guān)，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(yīng)屬于其中一個特例，相關(guān)內(nèi)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(shè)計提供參考.

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