周邊建筑對大跨屋蓋風荷載的干擾效應研究

李 波，楊慶山，馮少華，范 重

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國建筑設計研究院，北京 100044）

周邊建筑對大跨屋蓋風荷載的干擾效應研究

李 波1，楊慶山1，馮少華1，范 重2

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國建筑設計研究院，北京 100044）

以天津國際金融會議酒店為例，采用多通道同步測壓風洞試驗技術，研究了周圍高層建筑對大跨屋蓋風荷載的干擾效應。試驗結果表明：位于大跨屋蓋兩側的高層建筑將引起明顯的“穿堂風”效應，作用于大跨屋蓋的風荷載將顯著增加，但大跨屋蓋上游高層建筑的“遮擋”作用，有利于減小兩側高層建筑引起的“穿堂風”效應，而下游高層建筑會加劇屋蓋局部區域的“穿堂風”效應。周圍高層建筑物的出現，增加了來流中的湍流成分，使得作用于大跨屋蓋的脈動風荷載增大。

大跨屋蓋；干擾效應；風荷載；風洞試驗；壓力系數

TU312.1

A

0 引 言

大跨屋蓋結構具有自重輕、柔性大、自振頻率低等特點，風荷載是其結構設計中的主要控制荷載［1－2］。已有研究表明，屋蓋表面風壓分布不僅與來流的脈動特性相關，還會受到由自身幾何形狀引起的特征湍流的影響［3－4］。針對這一特點，國內外很多學者對典型屋蓋的風荷載特性進行了相關研究，得到了一些有意義的結論［5－6］。然而，城市環境中周圍建筑物的高度普遍較大跨屋蓋高，作用于屋蓋的風荷載還將顯著受到周圍建筑干擾效應的影響［7］，這給該類結構的抗風設計帶來很大困難。

天津國際金融會議酒店（圖1）位于天津濱海新區于家堡金融區起步區03～04地塊，地下2層，地上12層，建筑總高60m。天津國際金融會議酒店主體結構是由8個巨型柱和巨型桁架梁組合構成的巨型框架結構。屋頂大跨屋蓋平面呈“∞”形，采用雙向桁架體系，將兩個塔樓連接為整體。大跨屋蓋沿周邊大懸挑，形成了獨特的建筑造型。由于天津國際金融會議酒店周圍有大量高層建筑，并且分布不均，作用于其上的風荷載十分復雜。

圖1 天津國際金融會議酒店Fig.1 Tianjin international financial hotel

本文中筆者采用同步測壓技術［8］進行了天津國際金融會議酒店剛性模型風洞試驗，研究了周圍高層建筑物對其屋蓋平均風壓、脈動風壓的影響，為該類結構的風致干擾效應研究奠定基礎。

1 風洞試驗概況

1.1 試驗風場

試驗在石家莊鐵道大學風工程研究中心STY－1風洞低速試驗段進行，該風洞低速試驗段寬4.0m，高3.0m，長24.0m，最大風速大于30.0m／s。在正式試驗前，首先通過尖塔和立方體粗糙元的組合，按照我國《建筑結構荷載規范》（GB50009－2001）的規定，模擬了1∶200的B類風場（地面粗糙度指數α＝0.16），風場平均風剖面如圖2所示。圖中Z、Zr、U、Ur、α分別為高度、參考點高度、風速、參考點處風速和風速剖面冪指數，本次試驗中，參考點設置在模型頂部高度處。

圖2 平均風速與湍流度剖面Fig.2 Mean wind speed and turbulence profiles

1.2 試驗模型及數據處理

試驗模型為剛性模型，根據設計圖紙，采用有機玻璃板制作，主體模型具有足夠的強度和剛度，在試驗過程不會發生變形和振動，以保證壓力測量的精度。根據實際建筑物的大小和風洞試驗阻塞率的要求，模型幾何縮尺比選為1∶200。

試驗分為單體和考慮周圍建筑物干擾效應兩種工況，每種工況在0°～360°范圍內每轉動10°測試一次，周圍建筑物分布與主要風向角定義如圖3（a）所示。試驗中，屋蓋封閉區域采用單面測壓技術，在屋蓋外表面布置177個測壓點；屋蓋懸挑區域則采用雙面測壓技術，在屋蓋內、外表面布置140個測壓點（圖3（b））。測點處設置測壓管，用來測量各點的瞬時風壓。試驗中采用美國Scanivalve公司電子掃描閥測壓系統，采樣頻率312.5Hz，每個通道采樣點數為9000，采樣時間28.8s。

圖3 試驗模型及測點布置Fig.3 Test model and taps distribution

在結構風工程中，物體表面的壓力通常用對應于參考點的無量綱壓力系數表示，該系數可按（1）式確定［9］：

風壓符號約定為：壓力向上或向外為負，壓力向下或向內為正。

2 平均風荷載

基于風洞試驗結果，給出典型風向角單體和干擾狀態下天津國際金融會議酒店平均風壓分布，用以揭示周圍建筑對平均風壓的干擾效應。

2.1 平均風壓分布

圖4給出了天津國際金融酒店0°風向角時，單體和干擾狀態的壓力系數均值分布圖。該風向角干擾狀態時，來流上游無建筑物，來流下游僅在左半部分有建筑物，而在右半部分場地空曠，天津國際金融酒店兩側均有高層建筑。

由圖4可以看出，單體狀態時，平均風壓分布對稱性較好，除屋蓋兩側懸挑區是正壓區外，屋蓋其它區域均為負壓區；懸挑屋蓋位于來流前緣的懸挑區壓力系數均值最大，其值達到－2.0，但衰減迅速，屋蓋后緣懸挑區壓力系數均值最小，其值僅為－0.1，屋蓋封閉區風壓值變化不大，壓力系數均值大致為－0.6。干擾狀態時，受周圍建筑物不對稱分布的影響，屋蓋平均風壓分布不再對稱；雖然正壓區、負壓區分布基本不變，但受兩側建筑物影響，氣流流動通道被壓縮，“穿堂風”效應明顯，整體而言屋蓋風壓數值有明顯增加，來流前緣屋蓋懸挑區壓力系數均值增加至－2.8，封閉區則增加至－1.2；下游僅在屋蓋左半部分有高層建筑物的獨特布局顯著增加了屋蓋左側懸挑區的“穿堂風”效應，其平均壓力系數增加至2.0，而屋蓋右側懸挑區風壓基本與單體狀態一致。

圖4 平均壓力系數分布圖Fig.4 Distributions of mean pressure coefficient with and without interference at 0°wind angle

圖5給出了天津國際金融酒店180°風向角時，單體和干擾狀態的壓力系數均值分布圖。該風向角干擾狀態時，來流上游僅在屋蓋左半部分有建筑物，而右半部分場地空曠，來流下流無建筑物。

圖5 平均壓力系數分布圖Fig.5 Distributions of mean pressure coefficient with and without interference at 180°wind angle

由圖5可以看出，單體狀態時，180°風向角與0°風向角風壓分布基本相同。干擾狀態時，正壓區、負壓區分布仍基本不變；受上游建筑的遮擋，“穿堂風”效應不如0°風向角明顯，屋蓋風壓數值增加不大，尤其是受遮擋的左半部分，屋蓋來流前緣壓力系數均值為－2.4，屋蓋封閉區增加至－0.8。

綜上所述，由于氣流通道被壓縮，大跨屋蓋兩側的高層建筑將引起明顯的“穿堂風”效應，作用于屋蓋的風荷載將顯著增加；值得注意的是，來流上游高層建筑的“遮擋”作用有利于緩解兩側高層建筑引起的“穿堂風”效應，而來流下游的高層建筑則會加劇屋蓋局部區域的“穿堂風”效應。

2.2 平均風壓的干擾因子

定義屋蓋平均風壓干擾因子IFm為：

為了更好地說明屋蓋各部分平均風壓受周圍建筑物干擾效應的影響，將屋蓋懸挑區細分為4個區域（圖3（b）），圖6給出了屋蓋典型各區域平均風壓干擾因子隨風向角的變化曲線。

圖6 屋蓋平均風壓干擾因子Fig.6 IFmfor mean pressure coefficients

由圖6可以看出，屋蓋各部分平均風壓受周圍建筑的影響規律不盡相同，雖然某些風向角作用下平均風壓干擾因子小于1.0，但各部分最大平均風壓干擾因子均達到2.0以上。這說明，作用于大跨屋蓋的平均風荷載受周圍高層建筑的方位、高度、體量等諸多因素的影響，有必要加強周圍建筑對大跨屋蓋干擾效應的研究。

3 脈動風荷載

風壓的脈動特性決定了大跨屋蓋的風致動力效應，本節將從壓力系數根方差（反映了脈動風壓能量大?。┓植嫉慕嵌葋矸治鲋車ㄖ飳υ擃惤Y構脈動風壓的影響。

3.1 脈動風壓分布

圖7、8分別給出了天津國際金融酒店不同狀態下，0°和180°風向角壓力系數根方差等值線圖。

圖7 壓力系數根方差分布圖Fig.7 Distributions of RMS pressure coefficient with and without interference at 0°wind angle

圖8 壓力系數根方差分布圖Fig.8 Distributions of RMS pressure coefficient with and without interference at 180°wind angle

可以看出，單體狀態時，壓力系數根方差分布對稱性較好，來流前緣屋蓋懸挑區根方差值最大，達到0.6；屋蓋其它區域壓力系數根方差值較小，大致為0.15。干擾狀態時，屋蓋壓力系數根方差分布不再對稱，周圍高層建筑對大跨屋蓋結構脈動風荷載分布的影響規律與平均風荷載基本一致。

3.2 脈動風壓的干擾因子

定義屋蓋脈動風壓干擾因子IFf為：

圖9給出了屋蓋典型區域平均風壓干擾因子隨風向角的變化曲線?？梢钥闯?，受周圍高層建筑物的影響，來流中的湍流成分增加，作用于大跨屋蓋的脈動風荷載總能量均不同程度的增大，即屋蓋脈動風壓干擾因子均在1.0以上。這說明，周邊高層建筑物會增加作用于大跨屋蓋的脈動風荷載，干擾引起的風致動力效應不容忽視。

圖9 屋蓋脈動風壓干擾因子Fig.9 IFffor RMS pressure coefficients

4 結 論

周圍高層建筑對作用于大跨屋蓋風荷載的干擾效應顯著，以天津國際金融酒店為例，進行了單體和干擾兩種狀態的多通道同步測壓風洞試驗，在此基礎上對周圍建筑物對大跨屋蓋風荷載的干擾效應進行了研究，可以得到如下主要結論：

（1）作用于大跨屋蓋的平均風荷載受周圍高層建筑方位、高度、體量等因素的影響；

（2）典型風向角的分析表明，位于大跨屋蓋兩側的高層建筑將引起明顯的“穿堂風”效應，作用于屋蓋的風荷載將顯著增加；

（3）大跨屋蓋上游高層建筑的“遮擋”作用，有利于減小兩側高層建筑引起的“穿堂風”效應，下游高層建筑則會加劇屋蓋局部區域的“穿堂風”效應；

（4）受周圍高層建筑物的影響，來流中的湍流成分增加，作用于大跨屋蓋的脈動風荷載將有所增大，干擾引起的風致動力效應不容忽視。

［1］HOLMES J D.Wind load of structures［M］.New York：Spon Press，2001.

［2］張相庭.結構風工程［M］.北京：中國建筑工業出版社，2006.

［3］孫瑛.大跨屋蓋結構風荷載特性研究［D］.哈爾濱工業大學，2007.

［4］李波，楊慶山，田玉基，等.國家網球中心新館可開啟屋蓋風荷載特性［J］.土木工程學報，2010，43（S2）：112－118.

［5］顧志福，楊樂天，陳青松.大型機庫屋面風荷載特性研究［J］.北京大學學報，2008，44（4）：501－506.

［6］PRASAD D，ULIATE T，AHMED M R.Wind loads on low－rise building models with different roof configurations［J］.International Journal of Fluid Mechanics Research，2009，36（2）：231－243.

［7］方江生，丁潔民，王田友.北大體育館屋蓋的風荷載及周邊建筑干擾影響的試驗研究［J］.空氣動力學學報，2007，25（4）：443－448.

［8］陳學銳，顧志福，李燕.錐形渦誘導下建筑物頂面風荷載［J］.力學學報，2007，39（5）：655－660.

［9］李波，楊慶山，田玉基，等.錐形超高層建筑脈動風荷載特性［J］.建筑結構學報，2010，31（10）：8－16.

李 波（1978－），男，博士，副教授。主要從事結構風工程及多高層鋼結構的研究。通訊地址：北京交通大學土建學院（100044），電話：010－51687250，E－mail：libo－77＠163.com

Research on the interference effect of surrounding buildings on the wind load of long－span roof

LI Bo1，YANG Qing－shan1，FENG Shao－hua1，FAN Zhong2
（1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.China Architecture Design and Research Group，Beijing 100044，China）

Simultaneous multi－channel pressure measuring tests have been carried out in a wind tunnel to investigate the interference effects of surrounding buildings on the wind load of long－span roof，taking Tianjin international financial hotel for example.The test results show that：due to the narrow road effect caused by high－rise buildings on both sides of the long－span roof，the mean wind pressure on the roof increases significantly，but the windbreak effect of highrise buildings located on the upstream of the long－span roof decreases the narrow road effect and buildings located on the downstream increases the effect，resulting in increase of wind load on local areas of the roof.Due to the surrounding high－rise buildings，the turbulence in the coming flow is increased and the turbulence wind loads acting on the long－span roof is also increased.

long－span roof；interference effect；wind load；wind tunnel test；pressure coefficient

1672－9897（2012）05－0027－05

2011－09－02；

2012－04－16

國家自然科學基金重大研究計劃重點項目（90815021）和中央高校基本科研業務費（2011JBM262）資助