外附網架對高層建筑主體結構風荷載的影響

第一作者全涌男，博士，教授，1971年生

外附網架對高層建筑主體結構風荷載的影響

全涌1，涂楠坤2，嚴志威3，顧明1，馮遠4

(1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092; 2.綠地控股集團有限公司，上海200023;3.浙江綠城東方建筑設計有限公司，杭州310012;4.中國建筑西南設計研究院有限公司，成都610041)

摘要：基于剛性模型的高頻天平測力風洞試驗，對一外附網架的超高層建筑的基底彎矩和扭矩特性進行了分析，詳細討論了復雜的周邊建筑環境和外附網架對近似橢圓形截面目標建筑的整體氣動力特性的影響。研究結果表明，復雜周邊建筑對目標建筑的氣動力均值的影響主要表現為遮擋效應，但在一定條件下可能放大目標建筑所受到的脈動氣動力；建筑兩側面繞流區的外附網架所受切向氣動力使建筑順風向氣動力均值及脈動值增大，增大的程度與阻擋氣流繞流的外附網架面積大小相關；外附網架對建筑表面粗糙度的改變使建筑兩側氣流的旋渦脫落強度削弱，導致橫風向脈動氣動力減小，但對橫風向脈動氣動力均值沒有影響；周期性旋渦脫落引起的外附網架上的脈動風力將部分抵消主體結構上的渦激力脈動導致的結構氣動扭矩脈動值，對氣動扭矩均值沒有明顯影響。這些結論為高層建筑的設計提供了參考。

關鍵詞：超高層建筑；外附網架；復雜周邊

基金項目：國家自然科學基金項目(50878159，90715040)；上海市浦江人才計劃(08PJ1409500)；土木工程防災國家重點實驗室自主課題(SLDRCE10B-03)

收稿日期：2013-03-15修改稿收到日期：2013-10-08

中圖分類號:TU312

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.17.003

Abstract:With the high frequency force balance (HFFB) technique, a rigid model of an actual grids-attached super-tall building with an approximate ellipse cross section was tested to obtain effects of complex surrounding and attached grids on its base moments and torques. The results indicated that complex surroundings mainly have a sheltering effect on the mean value of aerodynamic force on the principle building; however, it may enlarger the fluctuating aerodynamic force on the principle building under some particular conditions; the tangential aerodynamic force on grids located in flow region of two sides of the principle building enlarges the mean value and RMS of aerodynamic force in along-wind direction, and the increased magnitude is determined by the area of the attached grids obstructing the flow; moreover, the varying of the surface roughness induced by attached grids of the principle building reduces vortex shedding strength, and causes the decrease in fluctuating aerodynamic force in cross-wind direction, and does not affect the RMS of fluctuating aerodynamic force; the fluctuating wind force on attached grids induced by periodic vortex shedding partially offsets fluctuating aerodynamic torque on the main structure induced by fluctuating vortex-induced force, and does not affect the mean value of aerodynamic torque. These conclusions provided a reference for the design of high-rise buildings.

Effects of attached grids on wind loads of main structure of a high-rise building

QUANYong1,TUNan-kun2,YANZhi-wei3,GUMing1,FENGYuan4(1. Sate Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Greenland Holding Group Co., LTD, Shanghai 200023, China;3. Zhejiang Greentown Oriental Architectural Design co., LTD, Hangzhou 310012, China;4. Southwest Architectural Design co., LTD, Chengdu 610041, China)

Key words:super-tall building; attached grids; complex surroundings

高層建筑是典型的風敏感結構，風荷載是高層建筑結構設計的主要控制荷載之一。伴隨著經濟的快速發展出現了高樓林立的群體高層建筑，而群體建筑間的干擾效應是比較復雜的。人們對高層建筑模型間的干擾機理進行了大量的研究[1-5]，提出了遮擋效應和穿堂風效應，以及目標建筑響應譜的變化。本文通過不同模型工況的對比，詳細討論了復雜周邊環境對目標建筑的氣動干擾效應。

當旋渦脫落頻率與結構橫風向自振頻率比較接近時，結構的橫風向共振響應將非常大[6-7]。為了減少共振響應，工程師們提出一些有益的氣動措施，發現水平開槽、角部開槽、切角和高度方向錐度化處理可以降低高層建筑風振響應[8-9]。學者也對建筑立面上開洞、截面階梯變化或流線化、設置擾流板等不同氣動措施進行了大量的研究[10-12]，然而對外附網架這種新穎的氣動措施的研究很匱乏。本文通過有無外附網架的模型工況間的對比試驗，初步探索了外附網架對高層建筑主體結構風荷載的影響。

1實驗概述

成都金融城是由兩幢設計完全相同的公寓塔樓(下文簡稱目標建筑)及其姊妹樓-辦公塔樓-組成，見圖1。目標建筑高206m，橫截面是一長軸約為38m短軸約為25m的橢圓形，長軸的南端被切除，切除部分隨高度逐步階梯收縮。目標建筑立面上外附一層鏤空率約為68%的鋁合金網架，其中鏤空率等于網架所在面的鏤空面積與整個面積的比例。網架距離建筑幕墻為90cm左右，由6cm寬的鋁條構成。受限于模型制作精度，試驗模型中鋁條寬度調整到15cm(即模型空間0.5mm)，但保持鏤空率不變(網架、幕墻與建筑物之間的相對空間關系見圖2)。其姊妹樓在目標塔樓南邊，橫截面及建筑高度與目標塔樓完全一樣。姊妹樓與目標塔樓呈軸對稱布置，最近處相距25m，見圖3。在目標塔樓長軸的西北方向延長線上有一高度為175m的橫截面近似方形的周邊干擾建筑。除此之外，其它周邊干擾建筑高度都在100m以下。

同濟大學土木工程防災國家重點實驗室對該建筑進行了高頻天平測力試驗。風洞試驗在TJ-2大氣邊界層風洞中進行的，該風洞試驗段長15m、寬3m、高2.5m。風洞試驗模型的幾何縮尺比為1/300，目標建筑及周邊建筑試驗模型見圖3。試驗風向角定義見圖3。風向角間隔取為15°，共有24個風向。試驗在模擬C類大氣邊界層風場中進行，其平均風速剖面和湍流度剖面見圖5。模型頂部高度處試驗風速為6.9m/s，高頻天平的采樣頻率為1000Hz，采樣時間為60s。試驗風速比和時間縮尺比分別取1∶5.2和1∶57，對應于實際采樣頻率17.5Hz和數據樣本長度57min。

圖1 目標建筑效果圖Fig.1Designmodelofthebuilding圖2 網架、幕墻與建筑物之間的相對空間關系Fig.2Relativespacerelationshipamongattachedgrids,curtainwallbuildings圖3 試驗模型Fig.3Testmodelofthebuilding

圖4　風向角及坐標軸定義 Fig.4 Definition of body axis and wind direction

設定了4種試驗模型工況，依次消除多余變量來研究單一變量的影響，如表1和圖6所示。本文中整體氣動力的主要影響因素有175m高的超高層建筑，姊妹樓和外附網架。通過Case1和Case2的比較可以了解復雜周邊建筑的影響，比較Case2和Case3可知姊妹樓的影響，比較Case3和Case4得到外附網架的影響。

2數據處理

本文給出的基底彎矩系數和扭矩系數計算式如下：

(1)

(2)

圖5　風洞中模擬的C類地貌平均風速、湍流強度及 建筑頂部高度處的脈動風功率譜 Fig.5 Simulated results of wind field

圖6　試驗模型模型工況 Fig.6 Testing cases for models

(3)

其中:ρ為大氣密度，取1.25kg/m3；H為建筑高度；UH為結構頂部來流風速；Bx、By、Bz分別為建筑兩個平動方向和扭轉向的平均特征尺寸，由于該建筑在頂部樓層逐步收縮導致不同樓層各方向的特征尺寸不一致，所以在此采用平均特征尺寸：

(4)

無量綱基底彎矩系數和扭矩系數的功率譜表示為：

(5)

(6)

(7)

3試驗結果及分析

為了敘述上的方便，對立面及迎風角范圍進行約定，見圖7。大曲率曲面A1和A3分別指點P1到P3之間的區域和點P5到P7之間的區域，其迎風角度范圍分別為45°～135°和225°～315°；小曲率曲面A2指點P3到P5之間的區域，迎風角度范圍為315°～45°；經切除處理的面為A4，其范圍指點P1到P7之間的區域，迎風角度范圍為135°～225°。

圖7　曲面以及迎風角示意圖 Fig.7 Definition of surfaces and wind direction

3.1平均氣動力

為方便起見，下文討論中將分別以My、Mx和Tz為代表討論X方向、Y方向氣動力及氣動扭矩。

圖8和圖9分別顯示了Case1和Case2及Case3、Case3和Case4模型工況下平均氣動力和平均氣動扭矩隨風向角的變化曲線。下面分別探討周邊建筑和外附網架對它們的影響。

(1)周邊建筑的影響

圖8　模型工況case1、case2和case3下建筑三個氣動力分量平均值隨風向角變化曲線 Fig.8 Curves of mean value of three aerodynamic components against wind direction in case1, case2 and case3

圖9　模型工況case3和case4下建筑三個氣動力分量均值隨風向角變化曲線 Fig.9 Curves of mean value of three aerodynamic components against wind direction in case3 and case4

(2)外附網架的影響

目標建筑所受到的順風向氣動力均值主要有兩個方面的來源：主體結構迎風面和背風面所受法線方向的風壓和側面阻擋氣流切向流動所受切向風壓。當來流沿長軸方向吹來時，主體結構的迎、背風面面積較小，所受風壓較?。坏莾蓚让嫱飧骄W架面積較大，所受切向氣動力較大，故外附網架對順風向氣動力的影響很大。當來流方向偏離長軸轉向短軸方向時，主體結構迎、背風面面積逐漸增加，主體結構氣動力也逐漸增大；而兩側面外附網架面積逐漸減小，所受切向氣動力也逐漸減小，故外附網架對基底彎矩均值的影響逐漸減弱。氣流方向旋轉到與短軸方向時，外附網架對順風向氣動力的影響最小。

對于目標建筑各方向的氣動力均值而言，姊妹樓及其它周邊建筑的氣動干擾效應主要表現為遮擋效應；作用在建筑側面繞流區外附網架上切向氣動力導致目標建筑氣動基底彎矩均值隨風向角的變化更劇烈，但使目標建筑氣動扭矩均值隨風向角的變化變得平緩。

3.2脈動氣動力

圖10和圖11分別顯示了Case1和Case2及Case3模型工況、Case3和Case4模型工況下氣動基底彎矩和扭矩系數均方根值隨風向角變化的曲線，下面分別探討周邊建筑和外附網架對它們的影響。

圖10　模型工況case1、case2和case3下建筑三個脈動氣動力分量隨風向角變化曲線 Fig.10 Curves of RMS value of three aerodynamic components against wind direction in case1, case2 and case3

圖11　模型工況case3和case4下建筑三個脈動氣動力分量隨風向角變化曲線 Fig.11 Curves of RMS value of three aerodynamic components against wind direction in case3 and case4

(1)周邊建筑的影響

比較Case1和Case2可知，在0°風向角下，由于上游175m高層建筑的遮擋，目標建筑模型工況Case1中的兩體軸方向基底彎矩和扭矩的均方根值都明顯小于模型工況Case2，該遮擋效應隨著風向的偏移而逐漸減小。在240°風向角附近，由于上游串列布置且與目標建筑相距很近的姊妹樓的遮擋，與Case3相比，Case1和Case2中目標建筑兩體軸基底彎矩系數的均方根值的波動較為劇烈，x方向氣動力系數σCMy還出現了較高的峰值，而扭矩系數的均方根值變化不大。這兩個主要的施擾建筑與目標建筑不同的間距以及尾流特性等因素的差異使得它們對目標建筑氣動力均方根值的影響很不相同。

(2)外附網架的影響

比較Case3和Case4可以看出，當來流沿著短軸方向吹向A1、A3曲面時，外附網架對y方向(順風向)脈動氣動力系數σCMx和脈動扭轉系數σCTz影響很小，而大幅減小了x方向(橫風向)脈動氣動力σCMy；當來流沿著長軸吹向A2曲面時，外附網架會增大順風向(x方向)脈動氣動力σCMy，減小脈動氣動扭矩σCTz和y方向(橫風向)脈動氣動力σCMx；而來流沿著長軸吹向A4曲面時，橫風向(y方向)氣動力σCMx卻變化不大。

建筑上的脈動氣動力主要來源于來流湍流和尾流激勵兩個方面，順風向的脈動氣動力主要來源于前者，橫風向和扭轉向的脈動氣動力通常來源于后者。當風向角方向由長軸向短軸發生偏移時，主體結構的迎、背風面面積逐漸變大，而側面外附網架總面積逐漸變小，這使得外附網架上附加的脈動氣動力對作用在建筑上總的順風向(x方向)脈動氣動力σCMy的影響減弱，直到來流沿短軸方向時幾乎沒有影響。

對于橫風向和扭轉向氣動力而言，當來流沿長軸方向吹向曲面A2時，在曲面A1和A3的中部會形成交替的旋渦脫落，旋渦脫落分離點分別在點P2與P1之間及點P6與P7之間。該區域將產生很大的負壓，該負壓對截面形心將形成正扭矩。主體結構外附網架后，外附網架上也會承受較大的切向風力，該切向風力與主體結構立面上的負風壓同步脈動，表現出來的現象就是外附網架對橫風向(y方向)脈動氣動力σCMx的小幅度抑制和對脈動氣動扭矩σCTz的大幅度削弱。氣流沿長軸方向吹向曲面A4時，目標建筑的脈動氣動力具有類似的表現。當來流沿短軸方向吹向曲面A1和A3時，由于曲面A2的曲率較大，A4面有明顯的尖角，旋渦脫落強度相對較大，導致Case4中橫風向(x方向)脈動氣動力σCMy較大，但旋渦脫落分離點比較靠近兩端點，這使得兩端區域渦激作用引起的脈動風壓對截面形心的氣動扭矩σCTz相對較小；而外附網架的出現增大了建筑表面的粗糙度，削弱了規則性的旋渦脫落，從而使得σCMy明顯低于Case4。

圖12給出了0°和90°風向角下建筑基底彎矩和扭矩功率譜，再一次證實了上述分析。

圖12　不同模型工況下0°和90°風向角的氣動力譜 Fig.12 Power spectrum density for the aerodynamic forces at typical wind directions

總之，周邊建筑的出現，在一定條件下可能放大目標建筑所受到的脈動氣動力；建筑兩側面繞流區的外附網架所受切向氣動力增大了建筑順風向脈動氣動力，增大的程度與阻擋氣流繞流的外附網架面積大小相關；外附網架對建筑表面粗糙度的改變使建筑兩側氣流的旋渦脫落強度削弱，導致橫風向脈動氣動力減小；周期性旋渦脫落引起的外附網架上的脈動風力將部分抵消主體結構上的渦激力脈動導致的結構氣動扭矩脈動值。

4結論

基于剛性模型的不同模型工況下的高頻天平測力試驗，分析了復雜周邊環境下有外附網架超高層建筑的主體結構風荷載特性，得到如下結論：

(1)復雜周邊建筑對目標建筑的氣動力均值的影響主要表現為遮擋效應，但在一定條件下可能放大目標建筑所受到的脈動氣動力；

(2)建筑兩側面繞流區的外附網架所受切向氣動力使建筑順風向氣動力均值及脈動值增大，增大的程度與阻擋氣流繞流的外附網架面積大小相關;

(3)建筑兩側面繞流區的外附網架所受切向氣動力增大了建筑順風向脈動氣動力，增大的程度與阻擋氣流繞流的外附網架面積相關；外附網架對建筑表面粗糙度的改變使建筑兩側氣流的旋渦脫落強度削弱，

導致橫風向脈動氣動力減?。恢芷谛孕郎u脫落引起的外附網架上的脈動風力將部分抵消主體結構上的渦激力脈動導致的結構氣動扭矩脈動值。

本文結論并不一定適用于建筑截面和外附網架和本文中差別較大的情況。

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