超高層雙塔建筑體型系數風洞試驗研究

柳美玉，楊 璐

(1.中元國際工程公司，北京 100089;2.北京工業大學建工學院，北京 100124)

隨著社會的進步，城市建設和科學技術的發展，現代高層建筑發展速度迅猛。輕質高強新型建筑材料的不斷涌現，高層建筑不但建筑形式變化多樣，而且結構體型也朝著高大、輕柔的方向發展，風荷載對高層建筑的影響越來越大，風荷載成為建筑結構設計中不可忽略的重要組成部分［1］。

同時，現代城市的高速發展造就了越來越多的高層建筑，同時也使得建筑之間也越來越密集。由于相鄰建筑物之間的流場相互干擾，將使得相鄰建筑物之間的風荷載以及風性態與單體建筑物時的性質發生改變。可能造成建筑物所受風力比單體建筑物時大大增加或者建筑物局部風荷載急劇增加，從而引起了抗風設計中許多其它安全問題［2］［3］。

本文主要介紹了東直門東華廣場的風洞試驗對體型系數和風荷載研究情況。得到了該雙塔的體型系數以及風荷載情況，可為主體結構設計以及外圍幕墻等其他圍護結構設計提供參考和指導作用。

1 工程背景介紹

東直門交通樞紐暨東華國際廣場商務區最為突出的建筑是高度為175 m的雙塔寫字樓。雙塔建成后將成為東直門附近區域標志性的建筑，如圖1。

圖1 東直門東華國際廣場效果圖

由于雙塔之間的間距約20 m，而塔高則有175 m，預計流經這個垂直方向狹窄通風道的氣流迥然有別于簡單塔狀建筑物的周圍氣流，按國家建筑結構荷載規范進行風洞試驗是必要的，而且風洞試驗的結果將為數值風洞研究的結果提供驗證依據。

2 試驗設備及測點布置

2.1 試驗設備

試驗在北京大學環境學院2號環境風洞進行。該風洞為直流吸式，試驗段長32 m、寬3 m、高2～2.5 m(頂板可調)。建筑物前方來流風速控制在17 m/s左右。遠離模型的上游設置尖塔，并在模型與尖塔之間鋪擺粗糙元以達到所需的平均風速廓線指數。

風速的測量使用丹麥產DISA熱膜風速儀，使用前用DISA自備的校正單元——射流風洞進行校正。速度信號經A/D由聯想昭陽筆記本電腦采樣并進行處理。來流的監視使用KANOMAX 6250風速風溫儀。風壓的測量使用美國產Scanivalve電子壓力掃描閥，如圖2。

圖2 Scanivalve電子壓力掃描閥

2.2 模型測點布置

為區別不同模型側面測點，將模型側面編號，分別為1、2、…、12計12個面，合計341個測點。由于篇幅限制，僅以雙塔西立面測點布置為例，見圖3。

圖3 雙塔西立面測點布置

2.3 試驗過程

風向角間隔采用10°，按風向角間距 Δθ=10°，在0 ～360°范圍內共有36個來流風向。采樣頻率設置為500 Hz，時間段長為10 s。當壓力指向正對測點所在參考面時，壓力為正;當壓力指向離開測點所在參考面時，壓力為負。

3 試驗結果及分析

3.1 體型系數

表1給出了雙塔幕墻各立面正壓和負壓體型系數絕對值中最大的兩個值及其相關信息。

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從測量的結果看，各立面的最大正壓體型系數除了南塔南立面點超出0.8，其余測點均未超出規范中建議的0.8。這與南側與東側比較空曠的東直門外大街、東直門外斜街以及雙塔周邊的建筑布局有關。

雙塔結構的最大負壓體型系數大多集中在雙塔連廊附近，這說明雙塔之間的風速明顯大于其它位置，雙塔之間的相互影響不可忽略。

表2給出了雙塔連廊屋頂面體型系數正壓和負壓體型系數絕對值中最大的兩個值及其相關信息。

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從表2可以看出:雙塔連廊東西中間部位體型系數比較大，。雙塔北連廊的最大負壓體型系數，在測點573(θ=130°)為 μs= －1.92。

3.2 風荷載

體型系數能直接反映風荷載的方向和大小，起主要作用的體型系數還不是風荷載的全部因素，除此之外還有基本風壓、風壓高度變化系數等［4］。

在此次風洞試驗的結果數據中，有些測點的體型系數較大，個別點甚至達到μs=－3.34。但這些點基本都位于結構的底層，由于較低層數的風速較低，造成的風荷載并不是最大的。

從試驗結果可以看出，雙塔塔冠的風荷載有這樣的特點，即雙塔相對的面上的正壓要小于負壓，而其他面上負壓則大于正壓。塔冠上的50 a重現期的正壓大多在1.74 kPa左右，絕對值大于相應重現期的負壓風荷載絕對值;而其它立面測點的50 a重現期負壓則最大達到－2.18 kPa，絕對值大于相應重現期的正壓風荷載絕對值。

連廊上的正壓風荷載不超過+0.8 kPa，但50 a重現期負壓風荷載最大達到－1.64 kPa。

4 小結

(1)通過進行1∶300縮尺模型的風洞試驗，得到了36個不同來風方向所有測點風壓數據，并對測量數據進行后處理得到了每個測點的平均風壓和脈動風壓以及不同測點的最大正壓、負壓體型系數以及風荷載。

(2)試驗結果表明雙塔的結構形式對風場存在較大的影響，特別是雙塔之間通道和立面的角隅附近影響更加明顯;因局部的環境風速較大，需要注意人員的安全，建議大風時不要到連廊及商業樓屋頂上去;

(3)雙塔塔冠女兒墻上有可能出現較大的風荷載，其數值接近或超過－2.00 kPa，尤其是在進行北塔南立面和南塔北立面塔冠部位的設計時需要特別注意;

(4)對于雙塔雨棚，試驗測得的風荷載小于規范中用建議使用的體型系數2.0所求得的風載，按照規范規定進行設計施工將偏于安全。

［1］A.G.Davenport.How can we simplify and generalize wind loads.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.1995:54－55，657 －669

［2］沈國輝，孫炳楠，樓文娟.復雜體型高層建筑單體和雙塔時的風荷載［J］.浙江大學學報，2005，39(8):1229 －1233

［3］傅小堅，嚴曉萍，許明輝.雙塔高層建筑風荷載靜力干擾效應的數值研究［J］.工程建設，2007，39(1):1 －5

［4］GB 50009－2001建筑結構荷載規范［S］