開洞高層建筑風荷載的試驗研究

李永貴, 李秋勝, 戴益民

(1．湖南科技大學土木工程學院，湖南　湘潭　411201； 2．湖南大學建筑安全與節能教育部重點試驗室，長沙　410082； 3．香港城市大學，香港九龍)

第一作者李永貴男，博士，講師，1981年生

開洞高層建筑風荷載的試驗研究

李永貴1,2, 李秋勝2,3, 戴益民1

(1．湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭411201； 2．湖南大學建筑安全與節能教育部重點試驗室，長沙410082； 3．香港城市大學，香港九龍)

摘要：對開洞高層建筑剛性模型進行了風洞測壓試驗，基于試驗結果，研究了設置洞口對高層建筑風荷載的影響。結果表明：立面開洞后，基底風荷載減?。粏卧O上洞口和單設下洞口對減小順風向平均基底剪力的效果比較接近，但上部開洞對減小順風向平均基底彎矩和橫風向根方差基底彎矩更為有利；擬合得到了順風向平均基底彎矩系數和橫風向根方差基底彎矩系數的相對值隨開洞率變化的計算公式。設置洞口后，層風力的分布規律與未開洞時有很大差異，在抗風設計時應引起重視。

關鍵詞：開洞高層建筑；風洞試驗；風荷載

基金項目：國家自然科學基金重大研究計劃(91215302);國家自然科學基金(51178179);湖南省自然科學基金(14JJ6026);廣西防災減災與結構安全重點實驗室開放課題(2013ZDK 06)

收稿日期：2014-01-08修改稿收到日期：2014-05-29

通信作者李秋勝男，博士，教授，1962年生

中圖分類號:TU312

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.012

Abstract:Wind pressure measurements of tall buildings with openings were carried out in a boundary layer wind tunnel. Based on the test results, the influence of openings on wind loads of tall buildings was investigated. The results indicateed that openings can reduce the base wind loads on buildings; the reduction of along-wind mean base shear for opening on upper part is very close to that for opening on lower part; but opening on upper part is more favorable for decreasing the along-wind mean base moment and the across-wind RMS base moment; empirical formulas for calculating the relative values of the along-wind mean base moment coefficient and the across-wind RMS base moment coefficient are obtained with the fitting method; the distributions of wind force at each floor of tall buildings with openings are quite different to those without opening, this should receive special attention in wind-resist design of tall buildings with openings.

Tests for wind load of tall buildings with openings

LIYong-gui1,2,LIQiu-sheng2,3,DAIYi-min1(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. MOE Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Hunan University, Changsha 410082, China;3. City University of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong, China)

Key words:tall building with openings; wind tunnel test; wind loads

自Davenport[1]建立陣風荷載因子法以來，高層建筑結構的風荷載和風致響應方面的研究工作有了長足的發展，形成了較為成熟的理論和計算方法，各國規范[2-5]對常見的高層建筑類型有具體的抗風設計條文。隨著社會經濟和科技水平的提高，高層建筑形式日趨多樣化，立面開洞就是其中一種，此類建筑的抗風設計找不到規范依據。在高層建筑立面上開洞，可以顯著減少主體結構的風荷載[6]，Kwok等[7-8]、Irwin[9]均發現水平雙向開洞是一種有效的方式；Dutton等[10]也得到了類似的結論，并指出開洞后方形截面的橫風向基底彎矩譜變為雙峰，斯托羅哈數分別為0.09與0.18；Hitomitsu等[11]指出，在高層建筑0.8倍～0.9倍高度處設置洞口，可以有效減小橫風向的風致響應，在0.6倍高度及以下設置洞口的效果不明顯。Okada 等[12]對開洞高層建筑進行了氣彈模型試驗，結果表明：雙向開洞時動力響應的減少最為明顯，當雙向開洞率為1.5%時，橫風向動態位移減小20%～25%。張耀春等[13-14]對兩種開洞率、三種不同開洞位置的高層建筑模型進行了測壓試驗研究，結果表明：在建筑物上部開洞對減小基底彎矩非常有利，當風向與開洞方向平行時基底平均風荷載最小。謝壯寧等[15]結合工程項目，研究了頂部設備和避難層在不同風走廊(氣動措施)情況下對結構的風荷載和風致響應的影響，氣動措施顯示出良好的抗風效果。李秋勝等[16]對用于風力發電的開洞高層建筑進行了風洞試驗研究，指出高層建筑中開設洞口對減少結構風荷載是有益的。

本文對開洞高層建筑模型進行了風洞試驗，考慮了開洞率和開洞位置的影響，對開洞高層建筑的風荷載特性進行了研究，得到了一些結論供設計參考。

1試驗介紹

風洞試驗在湖南大學建筑安全與節能教育部重點實驗室——建筑與環境風洞中進行。該風洞為直流式矩形截面邊界層風洞，截面寬3.0 m、高2.5 m，流場性能良好。采用澳大利亞TFI公司生產的眼鏡蛇風速測試儀進行風速測量，采用尖劈和粗糙元的組合來模擬1/500的湍流風場，風場調試和洞口風速測試試驗時0.6 m高度處來流平均風速約為9 m/s，風場模擬結果見圖1。

圖1　平均風速和湍流度剖面Fig.1 Mean wind speed and turbulence intensity profiles

試驗模型采用ABS板制作，具有足夠的強度和剛度。模型外觀尺寸為100×150×600 mm3，長邊所在立面設置有兩個方形截面洞口，洞口中心對應的高度分別為300 mm(0.5H)、510 mm(0.85H)，同一模型上下洞口截面尺寸一樣，模型M1～M4的洞口邊長及單洞口開洞率(單個洞口的截面積與其所在立面面積的比值)見表1。圖2為模型M3的測點布置圖，測點主要布置在洞口周邊和上洞口內部，共254個；模型M4測點布置與模型M3類似；模型M1、M2在洞口兩側只布置了一層測點。風向角與計算主體結構風荷載的參考坐標系見圖3。每個模型均按表2中的4種工況進行試驗，在0～90°內每間隔5°采集一組數據。測壓信號采樣頻率為312.5 Hz，采樣時間為32 s，采樣長度為10 000個數據。

圖2　模型M3的測點布置圖Fig.2 Pressure tap distribution on model M3

圖3　風向角及風荷載坐標系示意圖Fig.3 Wind direction and coordination system illustrations

模型M1M2M3M4洞口邊長/mm30507090單洞口開洞率0.0100.0280.0540.090

表2　工況表

2數據處理

鑒于測點布置方案，只分析X軸(洞口方向)風荷載的特點，風荷載系數按下式計算：

(1)

(2)

3結果分析

3.1基底風荷載系數

圖4給出了各模型不同工況下X軸向的平均基底彎矩系數。0°風向角時，X軸為順風向，平均基底彎矩系數最大，90°風向角時，X軸為橫風向，平均基底彎矩系數接近于0。風向角從0°變化到90°的過程中，平均基底彎矩系數逐漸減小。立面設置洞口導致平均基底彎矩系數減小，減小的程度隨著開洞率的增大而增大；單獨開洞時，工況2比工況3對減小平均基底彎矩更為有效，雙開洞時平均基底彎矩系數最小。立面開洞后受風面積減小，且部分來流經洞口進入尾流區，立面風壓分布發生變化，這兩個因素都導致了平均基底彎矩的減小。

圖5給出了各模型不同工況下X軸向的根方差基底彎矩系數。工況1，0°和90°風向角時根方差基底彎矩系數達到局部最大，橫風向根方差基底彎矩系數(90°風向角)比順風向(0°風向角)大；開洞后，根方差基底彎矩系數隨風向角的變化趨勢總體上與工況1是一致的，數值比工況1小。

圖4　X軸向平均基底彎矩系數隨風向角的變化情況Fig.4 Variation of mean base moment coefficient with wind directions on the X Axis

圖5　X軸向根方差基底彎矩系數隨風向角的變化情況Fig.5 Variation of RMS base moment coefficient with wind directions on the X Axis

對0°風向角平均基底彎矩系數相對值和90°風向角根方差基底彎矩系數相對值分別進行了擬合，得到如下表達式：

0°風向角，平均基底彎矩系數相對值：

工況2：

βCMx=19.3R2-4.26R+1.02

工況3：

βCMx=16.4R2-3.37R+1.02

工況4：

90°風向角，根方差基底彎矩系數相對值：

工況2：

工況3：

工況4：

模型M1～M3，洞口邊長不到所在立面寬度的一半，順風向平均基底風荷載系數相對值隨開洞率的變化接近于線性，平均基底剪力系數表現得更為明顯，模型M4，洞口邊長超過所在立面寬度的一半，洞口對水平向風力的影響得不到充分發揮，平均基底風荷載系數相對值的減小速度降低。因此，擬合結果均為開洞率R的二次函數。文獻[13]給出了順風向平均基底彎矩系數相對值的線性回歸公式，兩者有一定差別，這可能是由于研究方法不同所導致的，本文擬合公式基于風洞試驗結果，文獻[13]回歸公式基于數值模擬結果。從預測的結果來看，本文對平均基底彎矩系數相對值的預測結果更加接近文獻[13]的試驗結果。從上述的分析可知，開洞后受風面積的減小只是導致風荷載減小的原因之一，因此，擬合公式計算的風荷載系數相對值應不大于1-R。

圖6　風荷載系數相對值與開洞率R的關系Fig.6 Relationship between relative values of wind load coefficients and opening ratio R

為進一步考察開洞對順風向風荷載的影響，按文獻[17]引入無量綱的相對折算高度來分析基底彎矩和基底剪力的相對關系，定義靜力相對折算高度如下：

圖7給出了所有模型0°風向角時的靜力相對折算高度，未開洞時，各模型的相對折算高度在0.543～0.547之間，與文獻[17]的D類風場下的相對折算高度較為接近。工況2，相對折算高度隨著開洞率的增大而降低；工況3，相對折算高度隨著開洞率的增大而升高；工況4，規律性不明顯。

圖7　靜力相對折算高度Fig.7 Relative reduced height of static wind loads

圖8　模型M3的層風力系數Fig.8 Local wind load coefficients of model M3

3.2層風力系數

圖8給出了模型M3平均阻力系數和根方差升力系數沿高度的分布。未設置洞口時，平均阻力系數和根方差升力系數的分布規律與文獻[17]類似。開洞后，洞口高度處的層風力明顯減小，其他高度處的層風力大多數也有所減小，所以基底風荷載減?。坏枰⒁獾氖?，開洞后層風力的分布規律與開洞之前發生了明顯的變化，工況2，洞口上方相鄰層的平均阻力系數比不開洞時略大，工況3，模型上部的根方差升力系數的分布規律及大小與工況1非常接近，其他各模型開洞后層風力系數也有類似的變化特點，這在抗風設計時應引起足夠重視。

4結論

基于開洞高層建筑測壓試驗，分析了洞口方向風荷載的一些特點，得到如下結論：

(1)立面開洞后，受風面積減小，部分來流經洞口進入尾流區，立面風壓的分布發生變化，這兩個因素都導致了基底風荷載的減小；開洞率達到一定值時，設置兩個洞口對風荷載的減小效果小于單獨設置洞口對風荷載的減小效果之和。

(2)單設上洞口和單設下洞口對減小基底剪力的效果比較接近，但在上部開洞對減小順風向平均基底彎矩和橫風向根方差基底彎矩更為有利；對順風向平均基底彎矩系數和橫風向根方差基底彎矩系數的相對值隨開洞率的變化進行了擬合。

(3)設置洞口后，層風力的分布規律與未開洞時有很大差異，少數層風力系數與不開洞時較為接近甚至更大，在抗風設計時應引起重視。

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