圓柱形建筑雙幕墻結構的內部風效應

樓文娟，張 敏，2

(1.浙江大學建筑工程學院，杭州310027，louwj@zju.edu.cn;2.桂林理工大學土木工程系，廣西桂林541004)

在建筑結構的抗風設計中，設計人員往往把注意力集中在外部風荷載對結構的作用上，而對結構內部風壓則關注很少.現行GB50009-2001《建筑結構荷載規范》［1］對體型各異的封閉式建筑的風荷載體型系數作了明確規定，而對結構內部風壓僅提供了關于封閉式建筑物的建議，即按外表面風壓的正負取-0.2或0.2.而對雙層幕墻［2-3］來說，其特點就是在外層幕墻上開有一定面積的永久性通風孔，如圖1所示，氣流可以通過通風孔作用于內層幕墻，并且氣流在雙層幕墻之間的通風廊道內形成復雜的流動，因此雙幕墻有3個受風表面，即外層幕墻的內、外表面以及內幕墻的外表面，其內幕墻的風壓主要由廊道內的風壓決定，外幕墻的風載則由外壓和廊道內壓的共同決定作用，外壓的分布主要是由建筑體型決定，這部分的研究較多，荷載規范［1］也做了詳細的規定，但廊道內氣流的復雜性使得荷載規范規定的建議值遠不能滿足工程設計的需求，可見了解結構部分開孔時的內部風荷載特性是風工程研究中亟待解決的重要課題.

圖1 廊道式通風雙幕墻及其縱向剖面圖

開孔結構內部風效應研究在國外開展得較早，以Liu和Saathoff［4］為代表的一批學者率先發展了在結構設計中考慮內部風壓的方法，從此Woods和Blackmore等［5］學者通過一系列剛性模型風洞試驗對結構內部風壓進行了細致的研究，關于風致內壓靜力問題的理論研究也迅速開展起來，1999年Ginger和Letchford［6］進行了足尺房屋墻面開洞時內部風壓測定試驗，使人們對結構內部風效應有了更深的了解.但這些研究成果基本都是針對大跨屋蓋結構的內壓，雙幕墻結構與大跨屋蓋結構的內部流場有很大的不同.國內外關于雙幕墻結構風荷載的研究［7-10］只是基于個別的工程項目的試驗對雙幕墻的風壓分布進行了分析，而對影響雙幕墻的風荷載分布的因素卻鮮有涉及.因此，深入了解雙幕墻結構內部風效應的特性并明確其產生機理，并且在理論上得到估算內部風荷載的方法，對于雙幕墻結構的抗風設計無疑是非常有意義的.本文針對不同開孔面積及不同廊道間距的雙幕墻剛性模型進行風洞試驗，研究了風致內壓的空間分布規律、廊道內平均風壓的產生機理與理論估算問題.

1 模型試驗概況

模型原型為直徑20 m的圓柱形建筑，圓弧雙幕墻的圓心角為120°，內外幕墻的間距分別為0.5 m、1 m和1.5 m，廊道高度為3.6 m.模型幾何縮尺比為1:50，在每個樓層的外層幕墻的頂部和底部分別設有出風和進風孔，空氣只能通過這些開孔交流，其它地方均密閉.為了得到雙幕墻3個受風表面的風壓，在模型外幕墻的內、外表面的對應位置分別布置測點，并且在內幕墻外表面的相應位置也布置測點(見圖2).在試驗時實現了雙幕墻3個受風面對應測點的同步測壓，以得到內、外幕墻表面的同步風壓時程數據.

試驗模型如圖3所示，監測的雙幕墻布置在模型高度的中部.為了模型對比性各高度風速一致，均為9.4 m/s.采樣頻率273 Hz，采樣時間為15 s.每個測點一個工況的風壓系數時程樣本包含4 096個數據.測壓風向角從0～360°，每隔15°為一個工況，風向角定義見圖2.考慮到雙層幕墻的風壓特征與外幕墻開孔率(即開孔面積與外幕墻面積的比值)及廊道間距有關，研究工況如表1所示.

圖2 模型平面圖、測點布置圖及風向角定義

圖3 風洞試驗模型

表1 風洞試驗工況表

在風洞試驗中，采取將各測點的壓力相對于參考點高度處動壓無量綱化的方法，故其風壓系數定義為

2 雙幕墻廊道內壓的空間分布特性

圖4是圓弧型雙幕墻的內幕墻各測點在全風向角下的風壓系數分布圖，可以看出，迎風向和側風向(-90°≤α≤90°)時，廊道內各測點的平均風壓系數不一致，而背風向時，其值則非常接近，這主要是迎風向和側風向時，外幕墻各開孔處的風壓不一致，使得廊道內的空氣流動非常劇烈，空氣流動的過程中與通風孔和廊道內壁產生摩阻損失，導致了其內壓不均勻;而背風向時，其外幕墻各孔口處的風壓基本相同，使得雙幕墻廊道內的空氣流動緩慢或不流動，使得壓力損失很小，因此，廊道內的壓力分布均勻，其值大約等于各孔口風壓的平均值.

圖4 工況4的雙幕墻廊道內各測點的平均風壓系數

3 雙幕墻廊道風壓的穩態理論估算

由空氣動力學的理論和試驗研究成果［11］，孔口兩側的壓差與流經該孔的空氣流量有如下關系

式中:Q為空氣體積流量，K為流動系數，與開孔的形狀有關，反映了孔口的損失系數，A為開孔面積，ΔP為孔口兩側的壓差，t為流動指數，研究［11-12］表明t介于0.5～0.8.

圖5 廊道氣流和孔口氣流示意圖

若雙幕墻的外幕墻面有n個通風孔，并把雙幕墻分隔成n個區域，假定每個區域的內壓一致，如圖5所示，則第j個通風孔兩側的空氣流量為

式中:AE為通風孔的開孔面積，CPE，j為第j孔口外表面風壓系數，CPI，j為結構廊道內的第j個區域內的風壓系數.

由于摩擦阻力的存在，空氣在雙幕墻廊道內流動，產生壓力損失，根據文獻［13-14］中達西-威斯巴哈公式可得:其廊道內第j+1區域的空氣流入相鄰的第j區域的空氣流量應為

式中:AI相鄰兩區域的通風孔面積，在此即為雙幕墻廊道的橫斷面面積;λ為沿程摩阻系數，與雷諾數及廊道壁的粗糙系數有關;CPI，j為結構廊道內的第j個區域處的風壓系數;R為水力半徑，L為空氣流經的距離，在此為相鄰兩分隔區域的中心點間距.

在穩態計算時，考慮空氣的不可壓縮性，廊道內第j區域的空氣流入和流出的流量相等，可得

根據雙幕墻廊道內的每個區域的空氣流量平衡，可列出n個方程，由于處于圓弧雙幕墻端部的兩個區域分別只有一個相鄰的區域，因此j=1時.將外幕墻各開孔處的孔口平均風壓系數CPE，j代入，求解上面這個方程組，就可以得出CPI，j，即廊道內各區域的平均風壓系數.

根據本次試驗的模型參數，并經過多輪擬合最終確定符合本試驗條件狀況的參數值，見表2.

表2 各工況下的模型參數

由前面分析已知，30°風向角時外幕墻各孔口處的風壓相差較大，180°風向角時其風壓則較接近，且篇幅所限，在此就取30°和180°風向角這兩個較有代表性的風向角下的各工況的計算結果與試驗進行對比驗證，如圖6所示.從圖中可以看出，絕大多數工況的廊道內各測點的平均風壓系數與計算值都很較接近，特別是180°風向角時，計算值和試驗值幾乎一致.

4 影響內壓分布的參數探討

由于K和t均只是反應孔口和廊道的物理環境，在相同孔口條件的前提下，可以討論其余參量對內壓的影響.以下將通過平均內壓系數的分析，探討影響內壓的主要因素，為設計提供參考.

圖6 各工況的計算結果與試驗對比

4.1 開孔率

此處取5種開孔率(分別為3%、6%、9%、12%、15%)變化為例，圖7為圓弧雙幕墻的廊道間距為20 mm的工況下外幕墻開孔率變化時的內壓變化情況，可以看出:

1)當外壓不均勻時，廊道內壓隨開孔率的增大而變得越來越不均勻，其各測點處的風壓越來越接近孔口處的壓力;

2)當外壓均勻時，廊道內的壓力也很均勻，且開孔率的變化對內壓的影響很小.

4.2 廊道間距

此處取5種廊道間距(分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm)變化為例，圖8為圓弧雙幕墻的外幕墻開孔率為9%的工況下廊道間距變化時的內壓變化情況，可以看出:

1)當外壓不均勻時，同一開孔率的雙幕墻，廊道間距越小，其內壓受外壓的影響越大，就越不均勻;

2)當外壓均勻時，廊道內的壓力也很均勻，且廊道間距的變化對內壓的影響很小.

圖7 外幕墻開孔率對內壓分布的影響

圖8 廊道間距對內壓分布的影響

4.3 來流風速

此處取5種來流風速(分別為4 m/s、8 m/s、12 m/s、16 m/s、20 m/s)變化為例，圖9為圓弧雙幕墻的外幕墻開孔率為9%的工況下來流風速變化時的內壓變化情況，可以看出:

1)當外壓不均勻時，來流風速越大，廊道內氣流越劇烈，產生的風壓損失越多，廊道內的風壓就越不均勻;

2)當外壓均勻時，廊道內的壓力也很均勻，且來流風速的變化對內壓的影響很小.

圖9 來流風速對內壓分布的影響

從以上分析可知:廊道內氣流流動是否劇烈是各參數對廊道內壓分布影響大小的關鍵.當圓弧雙幕墻的外幕墻各孔口處的風壓基本相同時，廊道內的空氣流動緩慢或不流動，使得氣流與廊道內壁和通風孔摩擦產生的壓力損失很小，因此，此時外幕墻開孔率、廊道間距和來流風速的變化對雙幕墻平均內壓的影響很小，其廊道的內壓分布均勻，且大致與孔口處的風壓相等.當圓弧雙幕墻的外幕墻各孔口處的風壓非常不均勻時，壓差使得廊道內的空氣流動非常劇烈，與通風孔和廊道內壁產生較大的摩阻損失，導致了其內壓不均勻;此時空氣流動劇烈，因此開孔率、廊道間距和來流風速的大小對風壓摩阻損失的影響不一樣;開孔率大時，孔口的風壓損失小，內壓與外壓更接近，同時孔口的空氣流量大，使得廊道內的空氣流動更劇烈，摩阻損失也增大;廊道間距減小時，廊道內空氣的摩阻損失增大，使得廊道內的風壓更不均勻;來流風速增大使得廊道內的氣流流動更加劇烈，增大了摩阻損失，使得廊道內的壓力更加不均勻.

圖10給出了30°和180°風向角下模型風洞試驗的廊道內各測點的風壓系數圖，可以看出，外壓均勻時(180°風向角)，廊道內的風壓分布受外幕墻開孔率和廊道間距的影響很小;外壓不均勻時(30°風向角)，廊道內風壓分布隨開孔率的增大和廊道間距的減小越來越不均勻，這與理論分析結果完全吻合，證明前述的理論分析完全正確.

圖10 30°和180°風向角下各工況內壓分布的對比

5 結論

1)圓弧型雙幕墻在迎風向和側風向時，廊道內的平均風壓不均勻，而背風向時，廊道內的平均風壓則非常均勻.

2)采用穩態理論估算雙幕墻廊道內部各區域的平均風壓與試驗值吻合較好，當開孔率不是特別小時，其估算值可滿足工程精度要求.

3)當外幕墻開孔處的風壓均勻時，雙幕墻的開孔率和廊道間距的大小及來流風速對其平均內壓影響很小，可以忽略.

4)當外幕墻開孔處的風壓不均勻時，隨外幕墻開孔率的增大、廊道間距減小或來流風速增大，廊道內壓變得更加不均勻.

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