典型高層建筑風荷載試驗研究

盧啟財　趙敬義　周晉芳

【摘 要】在大氣邊界層風洞中開展了典型高層建筑風洞測驗試驗，得到了幕墻設計風荷載及主體結(jié)構(gòu)設計風荷載。結(jié)果表明：墻面中間區(qū)域負風壓起控制，懸挑部分以正風壓控制；周邊建筑的干擾效應明顯，X向和Y向基底剪力最大值分別發(fā)生在60°與30°風向角。

【關鍵詞】高層建筑；風荷載；風洞試驗

中圖分類號： TU973.213 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0014-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.004

【Abstract】Wind tunnel tests of a typical high-rise building were conducted in the atmospheric boundary layer，and then the designed wind loads for curtain and main structure were obtained.The results indicate that：the control wind loads for middle wall was negative wind pressure，and positive wind pressure for cantilever wall；the interference effect was obvious influenced by the surrounding buildings，and the largest value of basement shear force for X and Y directions was 60°and 30°，respectively.

【Key words】High-rise building；Wind load；Wind tunnel test

1 引言

隨著設計經(jīng)濟的高速發(fā)展，人口膨脹，土地資源日趨緊缺，建筑不斷向高度方向發(fā)展，形成了以高層建筑為主體的建筑群體不斷涌現(xiàn)。伴隨著高強材料的使用，建筑的隨著高度的增長，結(jié)構(gòu)越來越柔、阻尼比越來越小，風荷載成為其主要的控制荷載之一[1，2]?，F(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]對簡單的單體建筑的體型系數(shù)有相關規(guī)定，而對于處于復雜周邊條件下的高層建筑風荷載并未涉及。數(shù)值模擬和風洞試驗是開展待建建筑風荷載研究的主要手段，收到現(xiàn)有數(shù)值模擬技術的局限性，目前主要是通過風洞試驗確定結(jié)構(gòu)設計風荷載[4]。

濟南歷下區(qū)金融商務服務中心位于濟南市歷下區(qū)經(jīng)十東路，其主要功能以辦公為主，兼含金融機構(gòu)的商務及其他用途。由兩棟塔樓構(gòu)成，A塔樓高193.8米，B塔樓高140.2米，A、B塔樓由裙樓連接。按我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]，濟南地區(qū)50年重現(xiàn)期、10米高度處、10分鐘平均的基本風壓為。

本文以濟南歷下區(qū)金融商務服務中心A塔樓為對象，研究在有周邊干擾作用下的高層建筑風荷載特性，成果可為其抗風設計提供依據(jù)，同時可為其它類似工程提供參考。

2.1 試驗概況

試驗是在湖南大學建筑與環(huán)境風洞實驗室進行的。該風洞為直流式矩形截面邊界層風洞，試驗段截面尺寸為3.0m（寬）×2.5m（高），風速范圍在0～20.0m/s內(nèi)可調(diào)。流場性能良好，試驗區(qū)流場的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5度。地貌類型按國家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[3]的C類地貌考慮，地貌粗糙度系數(shù)。在實驗之前，以粗糙元、擋板和二元尖塔來模擬C類地貌的風剖面及湍流度分布，如圖1所示模擬結(jié)果與目標值吻合的較好。

2.2 試驗模型與測點布置

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。模型與實物在外形上保持幾何相似，縮尺比為1：300，高度為64.6cm。試驗模型外表開設許多風壓孔，并將模型內(nèi)部挖空，裝設測壓管，最后將模型安放在風洞試驗段，并將測壓管接至電子式壓力掃描閥，對建筑物幕墻表面風壓進行測量。周邊環(huán)境模型比例也為1：300。將模型固定在風洞試驗室的轉(zhuǎn)盤上，主體模型置于轉(zhuǎn)盤中心，相對位置如圖2及圖3所示。

為了測取幕墻上的風壓分布，在模型外表面上共布置了個370測點。風洞試驗時，每一個風向測量一組數(shù)據(jù)。風向角間隔為15°，逆時針旋轉(zhuǎn)，風向角的定義如圖3所示，總共有24個風向。試驗時，對每個測點，采樣時間為32秒，采樣頻率為312.5Hz，試驗控制風速為10m/s。

2.3 數(shù)據(jù)處理

模型試驗中以壓力向內(nèi)（壓）為正，向外（吸）為負。表面各點的風壓系數(shù)由下式（1）：

式中：cpi（t）是試驗模型上第i個測壓孔所在位置的風壓系數(shù)，pi（t）是該位置上測得的表面風壓值，p0和p∞分別為參考點處測得的平均總壓和平均靜壓。

脈動風壓可通過公式（2）來求得脈動風壓均方根值Cprms：

3 結(jié)果分析

3.1 圍護結(jié)構(gòu)設計風荷載

圍護結(jié)構(gòu)設計風荷載可通過兩種方法獲得，其一就是根據(jù)現(xiàn)行荷載規(guī)范給出的圍護結(jié)構(gòu)風荷載（見規(guī)范8.1.1-2）；另外一種方法就是根據(jù)風洞試驗結(jié)果，根據(jù)概率理論進行計算，如式（3）和（4）。本文根據(jù)第二種方法，給出了用于覆蓋層設計用的風荷載設計值，圖4和圖5分別給出了用于圍護結(jié)構(gòu)設計用的極值峰值風壓和極小值峰值風壓分布圖。從圖4可以看出，由于建筑角部幕墻為懸伸構(gòu)造，受到正面的正風壓和背面負風壓的共同作用，局部設計風壓較大；頂部幕墻也是類似影響，其風壓較大。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，受到東面建筑和B塔樓的干擾作用，形成峽谷風效應，導致東立面（如圖5b）和西立面（如圖5d）出現(xiàn)較大的負風壓。對比圖4與圖5不難看出，在雙面受風區(qū)域正風壓起控制，而對于中間區(qū)域墻面負風壓起主導，因此在進行幕墻結(jié)構(gòu)設計時應采用包絡設計法以保證幕墻結(jié)構(gòu)安全。