豎向肋條對高層建筑局部覆面風壓的影響

柯延宇,沈國輝,謝霽明

(浙江大學 建筑工程學院,杭州 310058)

為了滿足日益增長的建筑美學和遮陽等功能需求,建筑表面設置的局部裝飾構件已越來越常見。建筑表面突出的肋條、陽臺、百葉板等局部構件增加了表面粗糙度,對建筑表面的風壓會產生一定影響。

已有研究探討了建筑物外附構件對局部風壓的影響。Stathopoulos等[1]研究發現,迎風面上部、側面和背風面下部的局部風壓隨著粗糙度的增大而減小,而其他區域的影響較小;Chand等[2]發現陽臺會顯著改變建筑物迎風面上的風壓分布,但不會引起背風面上的明顯變化;Maruta等[3]研究了不同陽臺寬度對局部風壓的影響,他們發現由于表面粗糙度的增加抑制了渦脫,導致分離氣泡引起的脈動風壓有所降低;Montazeri等[4]通過CFD模擬發現陽臺可能導致建筑物風壓分布發生非常強烈的變化,因為它們會在立面上引入多個流動分離和再循環區域;沈國輝等[5]研究了外部開孔裝飾構件對扭曲型高層建筑風壓分布的影響,研究發現裝飾構件可明顯降低建筑表面兩側的負壓峰值;Hu等[6]發現帶開口雙層幕墻的側面開口抑制了側面的分離泡,因此可以有效降低側面和背風面的壓力;Yuan等[7]使用水平薄分流板模擬覆面構件,發現覆面構件可以降低側面角部區域的局部負壓峰值,與參考模型相比風壓標準差的最大折減效率達60%;Liu等[8]用高頻粒子測速技術對模型周圍的流場進行了研究,發現豎向肋條可以顯著地減弱分離剪切層和近尾流區的湍流強度,降低側面和背風面的脈動風壓。以上研究發現了外附粗糙構件對局部風荷載的影響,但對于常見的豎向肋條對高層建筑局部風壓的研究較少。

本文通過風洞試驗研究三種豎向肋條布置對高層建筑局部風壓的影響,對比有無豎向肋條情況下高層建筑平均風壓和脈動風壓的差異,分析各工況下風壓點的功率譜和風壓POD模態的差異,通過風壓點的分布概率密度探究豎向肋條導致風壓非高斯性分布的變化,最后獲得有豎向肋條情況下的高層建筑表面風壓的極值。研究成果為帶裝飾條的高層建筑圍護結構抗風設計提供參考。

1 試驗概況

選取高度H=368 m的方形截面超高層建筑為研究對象,建筑邊長B=48 m,模型幾何縮尺比為1∶400。試驗模型采用ABS塑料等材料制作而成,共模擬了三種工況,其中工況1(參考工況)表面光滑,未布置豎向肋條。由于高層建筑上半部分對風壓更為敏感[9],文獻[7-8]也大多在上半部分布置肋條,因此工況2、工況3在表面風壓較大的上半部分布置豎向肋條,肋條外伸寬度b=2 m,相對寬度b/B≈4%。由于建筑角部對負風壓更加敏感,為了探究角區的肋條對建筑覆面風壓的影響程度,對工況2和3設置不同的肋條分布形式,其中工況2僅在模型上半部分的角區布置豎向肋條,工況3在模型上半部分全部布置豎向肋條。基于工程項目實踐,裝飾條的間距為4 m,在本文設置為常量。三種工況的橫截面見圖1。其中工況3的試驗模型見圖2。為敘述方便,以上三種工況分別簡稱為光滑、半布、全布。由于對于方形截面,氣流分離點不發生改變,氣流分離后也不會發生再附,因此對于本試驗不考慮雷諾數效應的影響。

圖1 三種工況截面示意

圖2 工況3試驗模型

三個模型測點布置保持一致,共布置10個測層,見圖3,從下至上測層名稱依次為A-H、J、K,對應高度分別為40、80、120、160、200、240、270、300、330、360 m,每一層測點布置也均相同。測點層的測點布置見圖3,每個面均布置8個測點,每層共布置32個測點,每個測點的測壓管垂直建筑物表面[10]。坐標系定義見圖3(b),其中編號1-8位于X正面,編號9-16位于Y正面。由于建筑具有雙軸對稱性,風洞試驗測試0～90°風向角,間隔為10°,并增加了5°和85°的風向角測試。

圖3 測點與測層布置

風洞試驗在浙江大學的ZD-1邊界層風洞中進行,試驗段長18 m、寬4 m、高3 m。風壓測試采用美國DSM340電子掃描閥,對同一個模型的所有測點進行同步測壓,采樣頻率為312.5 Hz,采樣時長為90 s,采樣點數為28 125。本次試驗在來流前部布置粗糙元與尖劈來模擬B類風場。根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[11],平均風速和湍流度剖面采用如下公式:

U=UH(z/H)α

(1)

Iu=I10(z/10)-α

(2)

式中:UH為H高度處的風速,z為離地高度,H為建筑頂部高度,I10為10 m高度處的湍流度,α為0.15。圖4為風洞模擬值和規范要求值的比較,可以發現風洞較好地模擬了B類風場。

圖4 B類地貌的風場模擬

風洞試驗獲得測點的風壓系數Cpi定義為

(3)

式中:Pi為測點i的風壓值;P∞為參考點靜壓力值;ρ為空氣密度;U∞為參考點的風速,選取建筑頂點H作為參考點,本次建筑模型頂部高度處的測試速度為12.50 m/s。

2 平均風壓系數

三種工況在0°風向下迎風面的平均風壓系數Cp見圖5。為表示清晰,等值線圖中寬度放大了一倍,下文的表達方式均同此。可以發現:1)迎風面上的平均風壓系數隨著高度增大總體增大;2)在樓頂處由于三維流的存在使得風壓系數減小;3)同一高度下,中間的測點風壓系數最大,向兩邊減少,且等值線密集,壓力梯度較大;4)三種工況的平均風壓系數非常接近,說明豎向肋條的布置對于迎風面正風壓的影響很小。

圖5 迎風面平均風壓系數分布(0°)

0°風向下側風面的平均風壓系數Cp分布見圖6,可以發現:1)受氣流分離及旋渦脫落的影響,側面承受負壓;2)光滑工況下,前緣與后緣的風壓差距不大,而當布置豎向肋條后,前后緣之間的風壓差異變大,其原因為豎向肋條對建筑橫向繞流的局部阻礙作用[12]使得前緣負壓變大,而后緣負壓變小;3)特別在肋條布置的分界點(180 m處),風壓在上下方向和前后方向的梯度都非常大;4)半布和滿布工況的平均風壓系數幾乎相同,可以看出中部肋條對風壓分布的影響較小。

圖6 側風面平均風壓系數等值線(0°)

0°風向下背風面的平均風壓系數Cp分布見圖7,可以發現:1)背風面位于尾流區,承受負壓;2)背風面中部承受負風壓最小,從中部到四周的負風壓絕對值逐漸增大;3)半布和滿布工況的背風面風壓分布非常接近,均小于光滑工況,說明布置豎向肋條使得背風面所有測點的負壓都有所降低。

選取B(80 m)、E(200 m)、H(300 m)三個測層在0°風向角下的平均風壓進行分析,相對高度z/H分別為0.22、0.54和0.82。三個測層各測點的平均風壓系數Cp見圖8,圖8中N為測點編號,可以發現:1)B層(z/H=0.22)三種工況在迎風面的平均風壓系數不變,光滑工況在側風面和背風面平均風壓系數的負壓絕對值均大于半布和全布工況,說明上方的豎向肋條對該層的風荷載產生了影響,這是相對于正壓,負壓對建筑表面特性更加敏感,與高度無關,即使下半部分沒有布置肋條,但是也受到上半部分肋條的影響有所變化,這與文獻[7-8]的研究結果類似;2)E層(z/H=0.54)位于肋條分界線(184 m)之上,半布和全布工況在側風面的氣流分離點處產生了很大的負壓,而光滑工況在該位置的負風壓較小,說明在肋條分界線附近,肋條導致了劇烈的氣流分離,使得側面前緣局部負風壓驟然增大,特別是9、10號測點,E9測點全布工況的平均風壓系數比光滑工況大83.3%;3)H層(z/H=0.82)側風面的氣流分離點由于布置肋條導致的負壓增大現象依舊存在,但是增大程度遠不如E層,H9測點全布工況的平均風壓系數只比光滑工況大23.5%, 側面后緣與背部測點在布置肋條后風壓系數有所降低;4)三個截面半布工況和全布工況的平均風壓系數風壓非常接近,說明中部肋條對風壓分布的影響較小。

圖7 背風面平均風壓系數等值線(0°)

圖8 三個測層的平均風壓系數

3 風壓系數的標準差

B(80 m)、E(200 m)、H(300 m)三個測層的測點在0°風向角下的風壓系數標準差C′p見圖9。可以發現:1)B層(z/H=0.22)三種工況在迎風面的風壓系數標準差不變,光滑工況在側風面和背風面的風壓系數標準差均大于半布和全布工況;2)E層(z/H=0.54)半布和全布工況在側風面的氣流分離點處產生了很大的風壓脈動,與平均值的規律類似,肋條的布置使得側面前緣分離引起較大的氣流紊亂;3)H層(z/H=0.82)側風面的氣流分離點由于布置肋條導致的負壓增大現象依舊存在,肋條布置導致的負壓脈動劇烈程度有所減小;4)三個測層背風面風壓系數標準差中均反映了一個規律,即半布和全布工況的標準差均小于光滑工況,說明豎向肋條會降低背風面的風壓脈動值;5)三個截面半布工況和全布工況的脈動風壓系數非常接近,說明中部肋條對脈動風壓分布影響較小。

4 測點風壓的功率譜

由前面的分析可知,在迎風面上肋條布置對平均值和脈動值幾乎沒有影響,因此本節主要分析側風面、背風面的風壓頻譜特性。在側風面選取B10、E10、H10三個測點分析在0°風向角不同高度測點的頻譜特性,見圖10。圖10中f為頻率,D為建筑寬度,fS*為無量綱化后的功率譜。由圖10可知:1)對于B10測點,受建筑上半部分的肋條影響后,半布和全布工況的譜峰值比光滑工況略小;2)對于E10測點,肋條的布置并沒有改變頻譜最大值所在的約化頻率,這說明St=fD/U并沒有改變,也說明本試驗當中Re數效應可以忽略,但是肋條的存在顯著改變了測點風壓的功率譜幅值大小,光滑工況的風壓譜能量較為集中,峰值出現在折減頻率為0.1左右,而半布和全布工況的風壓譜峰值明顯降低,但半布和全布工況的大部分頻率上的譜值均大于光滑工況;3)H10測點布置肋條后的變化規律與E10測點類似,與風壓標準差的變化規律類似,肋條布置導致的負壓脈動劇烈程度比E10有所減小。

圖10 側風面不同高度測點的頻譜

在背風面取B18、E18、H18三個測點分析在0°風向角的風壓譜特性,見圖11,可以發現:1)對于B18測點,可以發現三種工況下的風壓譜形狀非常接近,半布和全布工況的風壓譜在峰值處略小于光滑工況;2)對于E18和H18,均處于布置肋條的背風面區域,三種工況呈現出的規律非常接近,即三種工況均表現為單峰譜,而半布和全布工況的風壓譜非常接近,均小于光滑工況的風壓譜,該情況與圖9(b)和圖9(c)的風壓系數標準差分布特征相吻合,說明豎向肋條會降低背風面的風壓脈動幅度。

圖11 背風面不同高度測點的頻譜

5 POD模態分析

本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)技術主要用于識別流動機制和壓力分布模式[7]。對該建筑的兩個側面上的風壓進行了POD分析,風向角為0°,獲得了POD分析的各階能量占比、主坐標和模態。

對0°風向角側風面的脈動風壓系數進行POD分解,得到各階能量占比。圖12為不同工況各階模態能量占比示意(以側風面為例),圖中Nm為模態數目。可以看出:1)背風面光滑工況下的第一階能量占比為52.9%,超過50%,第一階模態擁有較大的脈動能量;2)半布和全布的第一階能量占比分布為37.9%和35.0%,都小于光滑工況的占比,但是一階仍占據較大的脈動能量;3)POD分析的各階能量占比主要集中在前三階模態。

取前兩階的主坐標進行功率譜分析,圖13為POD前兩階主坐標歸一化功率譜曲線。可以看出:1)第一階主坐標呈現出單峰譜特性,在折減頻率0.1附近存在尖峰,對應于渦脫頻率,此時橫風向氣動力占主導地位,布置肋條后峰值有所降低;2)在折減頻率為0.01～0.1時布置肋條的功率譜大于光滑工況;3)第二階主坐標功率譜表現出寬帶譜特性,沒有明顯譜峰,對應順風向氣動力。

圖13 前兩階主坐標歸一化功率譜

圖14給出了模型光滑工況下第一階模態在建筑表面的分布,可以發現:1)第一階特征模態在兩側面呈反對稱分布,說明側風面風壓分布偏向一側,合力方向垂直與來流風向,表明一階模態主要由橫風向氣動激勵起主導作用[13];2)當布置肋條后,在肋條分界線(184 m)以上的前緣區域位置的模態值增大較多,其他位置的模態值有所減小。

圖14 E層各工況1階模態分布

6 測點風壓的非高斯性

由于側風面角區受氣流分離作用,使得測點風壓概率分布具有非高斯性,采用峰值因子法可能會帶來較大的誤差。對非高斯分布的判斷標準通常采用數據的三階中心距S(偏度)與四階中心矩K(峰度),偏度表示概率分布的對稱性,峰度描述數據的突起程度,K>3表示概率密度曲線凸起程度比高斯分布大,K<3表示概率密度曲線比較平坦。標準高斯信號概率分布的偏度值和峰度值S=0、K=3。本文參考文獻[14]確定劃分非高斯區域的標準為:|S|>0.2且|K-3|>0.5。

對0°風向角下迎風面、背風面、側風面高斯和非高斯區域見圖15,可知:1)迎風面受來流正面撞擊,斜度值較大,正偏,而峰態值比較小,整個立面為高斯區域,肋條的布置對高斯區域的分布沒有任何影響;2)側風面(以左側為例)在光滑工況下,只有上部局部點風壓概率密度分布為高斯性,當增加豎向肋條后,建筑中部測點的風壓概率密度分布由非高斯性轉化為高斯性;3)對于背風面的測點,整個立面都處于來流的尾流區,即整個背風面幾乎為非高斯區域,豎向肋條的存在使得一部分測點風壓概率密度分布由非高斯性轉化為高斯性。

圖15 高斯區域與非高斯區域變化(0°)

7 極值風壓系數

鑒于側風面和背風面的風壓分布的非高斯特性,采用Cook等[15]提出的最佳線性無偏估計(best linear unbiased estimation,BLUE)極值分析法計算極值正壓系數[16]。以0°風向角為例計算各個面的極值風壓系數,迎風面的極值風壓系數見圖16,由于迎風面為正壓控制,圖中只給出正的極值風壓系數,可以發現:1)在樓頂處由于三維流的存在使得極值風壓系數減小;2)同一高度處,中間測點的極值風壓系數最大,向兩邊減少,且等值線密集,壓力梯度較大;3)三種工況的極值正風壓系數非常接近,說明豎向肋條的布置對于迎風面極值正風壓的影響很小。

圖16 迎風面極值風壓系數分布(0°)

側風面的風壓主要為負壓,因此側風面(以左側為例)主要分析極值負壓系數,見圖17。可以發現:1)光滑工況下,前緣與后緣的極值風壓差距不大,當布置豎向肋條后,前后緣之間的極值風壓差異變大,其原因為豎向肋條對建筑橫向繞流的局部阻礙作用使得前緣負壓變大、后緣負壓變小;2)在肋條布置的分界點(180 m處),極值負風壓在上下方向和前后方向的梯度都非常大;3)半布和滿布工況的極值風壓系數幾乎相同,可以看出中部肋條對側面極值負風壓分布的影響較小。

圖17 側風面極值風壓系數等值線(0°)

背風面的風壓主要為負壓,因此背風面主要分析負的極值風壓系數,見圖18。可以發現:1)背風面中部承受負的極值風壓最小,從中部到四周的極值負風壓絕對值逐漸增大;2)半布和滿布工況的背風面極值負風壓分布非常接近,均小于光滑工況,說明布置豎向肋條使得背風面的極值負壓有所降低。

圖18 背風面極值風壓系數等值線圖(0°)

將所有風向角下風壓系數極值取包絡,可獲得全風向的極值風壓系數,根據建筑的雙軸對稱性,可以采用一個面的風壓來表示。全風向的極值風壓系數見圖19。

圖19 全風向風壓系數極值

由圖19可知:1)對于正壓,三種工況的風壓分布幾乎一致,說明豎向肋條對正壓極值幾乎沒有影響,風壓系數極值大部分為1.1～1.3;2)對于負壓,豎向肋條分界線(180 m)以下的區域,肋條布置使得負壓極值都變小;對于分界線附近,肋條的存在現使得負壓極值大大增大;對于頂部高度區域,肋條的存在使得負壓極值略有降低。

8 結 論

研究豎向肋條對高層建筑局部風壓的影響,通過風洞試驗研究三種豎向肋條布置對高層建筑局部風壓的影響,對比有無豎向肋條下情況高層建筑平均風壓和脈動風壓的差異,分析各工況下風壓點的功率譜和風壓POD模態的差異,通過風壓點的分布概率密度探究豎向肋條導致風壓非高斯性分布的變化,最后獲得有豎向肋條情況下的高層建筑表面風壓的極值,得出以下結論:

1)肋條的布置對于迎風面測點風壓的平均值和標準差沒有影響;對于側風面,分界線以上的前緣點的負壓平均值和脈動值大大增加,其他區域負壓平均值和脈動值均有所降低;背風面布置肋條后平均值和脈動值降低。

2)通過對典型測點的頻譜特性也驗證了脈動風壓的差異。如E10點半布和全布工況的譜峰處有所降低,但風壓譜積分小于光滑工況下的值。

3)通過POD分解可知,對風場能量貢獻最大的第一階特征模態是橫風向氣起主導作用;布置肋條使得一階主坐標功率譜譜峰有所降低;肋條分界線以上的前緣區域位置的模態值增大較多。

4)當肋條增加后,在建筑側風面中部的測點的風壓概率密度分布由非高斯性轉化為高斯性。迎風面、背風面基本沒有變化。

5)肋條的布置對于正壓極值沒有變化。分界線以上的前緣點的負壓極值大大增加,其他區域的負壓極值有所降低。

6)半布和滿布工況對局部風壓特性造成的差異相差不大,說明中部的肋條對局部風壓影響較小。