風場類型對高層建筑風壓特性的影響研究

劉 鋼 李永貴 肖翅翔 李 毅

（1.湖南科技大學結構抗風與振動控制湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學<土木工程學院>，湖南 湘潭 411201）

0 引言

風荷載是高層建筑設計中的控制性水平荷載，高層建筑在強風作用下會發生較大幅度的振動，引起比較明顯的氣動彈性效應， 產生較大的風致響應。Kareem[1]通過測壓實驗，獲得了橫風向外加氣動力譜，并用于計算結構的風致響應。 張建國等人[2]通過7 種典型高層建筑剛性模型同步測壓試驗，分析了各層橫風向荷載的橫向湍流作用和旋渦脫落激勵作用并求得各自對應的橫風向1 階廣義力譜， 研究結果表明：橫向湍流對橫風向氣動力譜的貢獻較小，而旋渦脫落激勵對總橫風向氣動力譜的貢獻較大；在不同的風場中這些貢獻會發生改變。 張明月等[3]研究了地貌類型對矩形截面高層建筑風力特性的影響規律，研究結果表明：隨著地貌類型的增加，順風向平均風力減小，脈動風力增大，橫風向脈動風力整體上變化較小，扭轉向脈動風力明顯增大。

圖1 風洞中四類風場的流場參數

本文在已有研究的基礎上，以高度為300 m 的方形建筑為原型制作了縮尺剛性測壓模型，對四類地貌下模型的風力特性進行研究，分析了風場類型對高層建筑風壓特性的影響，研究結果可為工程設計提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試驗風場

風洞試驗在湖南科技大學風工程試驗研究中心大氣邊界層風洞中進行。風洞試驗段尺寸為4 m×3 m×21 m（寬×高×長），風速在 0～30 m/s 范圍連續可調，流場性能優良。 采用澳大利亞TFI 公司生產的三維脈動風速儀進行風速和湍流強度測量。風場是指建筑結構所處的風環境，我國（GB 50009—2012）[4]根據不同地理環境和人口密集程度劃分出了A、B、C、D 四類風場（四類地貌對應四類風場），對應的地面粗糙度指數分別為 0.12、0.15、0.22、0.30。 試驗目標風場為 1∶400 的A、B、C、D 類風場，四類風場的平均風速剖面、湍流強度剖面見圖 1。 圖中，UZ為 Z 高度處平均風速，UH為模型頂部高度處平均風速。

1.2 試驗模型

剛性測壓模型由ABS 塑料板制作，具有足夠的剛度和強度；模型高度為750 mm，截面邊長為100 mm，測壓管長度均為850 mm。 考慮到風力對建筑物的作用隨高度的增加而增加，測點層上密下疏，由于模型的對稱性，模型每個立面上的測點布置是相同的。 圖2（a）為模型測點布置，2（b）為試驗模型外輪廓。

圖2 剛性測壓模型

圖3 風力系數隨風向角變化規律

2 試驗結果及分析

2.1 層風力系數

圖3 給出了四類風場下結構層升力、阻力系數隨風向角的變化規律。 從圖中可以看出，四類風場下層平均阻力系數隨著風向角的增大而減小，A、B 類風場平均阻力系數值較為接近且明顯大于C、D 類風場；四類風場的脈動阻力系數整體上隨著風向角的增大而減小，且A、B 類風場的變化曲線起伏較大。 四類風場平均升力系與風場類型成正相關關系且隨著風向角先減小后增大，脈動升力系數隨著風向角增大而減小且與風場類型成反相關關系。

2.2 脈動風力譜

圖4 給出了模型在四類風場下不同風向角單軸的基底彎矩功率譜。 風向角為0°時，橫風向受旋渦脫落產生的周期性渦激力的影響，四類風場在高頻處出現尖峰（對應方形截面建筑的斯托羅哈數），呈窄帶特性且譜峰值與風場類型成反相關關系，在低頻段譜值與風場類型成正相關關系。探究其原因是湍流對低頻段貢獻較大， 湍流度增大導致低頻段譜值有所增加，高頻段譜值減小。 隨著風向角的增加，結構單軸逐漸由橫風向向順風向轉移， 能量由高頻區向低頻區轉移，四類風場的基底彎矩譜均呈寬帶特征。

3 結論

（1）A、B 類風場平均阻力系數大于 C、D 類風場，且其脈動阻力系數隨風向角的變化曲線起伏較大；四類風場層平均升力系數與風場類型成正相關關系，層脈動升力系數與風場類型成反相關關系。

（2）在橫風向，四類風場基底彎矩功率譜在高頻處出現尖峰，呈窄帶特性，且譜峰值與風場類型成反相關關系。 順風向譜峰消失，四類風場基底彎矩功率譜密度呈寬帶特性。

圖4 基底彎矩功率譜