密排式建筑百葉風荷載風洞試驗研究

李仁杰 （廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

據統計，現代社會的三大能耗中，建筑能耗占比高達40%以上[1]。目前，特別是在南方地區太陽輻射較強，為降低建筑內制冷能耗，大量建筑采用百葉窗遮陽。除此之外，百葉常用于高層建筑的圍護結構，起到裝飾作用，用于冷卻塔底部，起到散熱作用[2]。百葉窗結構主要由并列多片小間隔斜置薄壁翅片組成，翅片多由輕質合金制成，導致翅片具有較強的柔性和彈性，在一定風速下會產生較大的風致振動和變形甚至破壞[3]。《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）給出邊棱處的裝飾條等突出構件的局部體型系數取值，實際工程中若采用邊棱處突出構件的設計風荷載進行設計，會導致非邊棱處突出構件的設計風荷載過于保守，影響設計的經濟性[4]。

相關學者們對建筑百葉風荷載進行了諸多研究。張永飛等[5]基于剛性測壓風洞試驗對大型間冷卻塔百葉窗風荷載進行研究，總結了百葉窗內外表面風壓分布規律，探究不同透風率和風速對其平均風壓系數的影響。譚上飛[6]對幕墻風荷載取值問題、風洞試驗在幕墻抗風設計方面的應用進行討論，證明風洞試驗可以有效降低幕墻工程的抗風成本。吳亞洲等[7]對遮陽百葉的風荷載進行研究，探究防風結構設計對遮陽百葉抗風性能的提升效果。

綜上，相關研究多為風速和透風率對百葉風荷載的影響，而百葉布置情況對百葉風荷載的研究較少，且當前規范對于建筑外立面百葉結構的抗風設計仍有不足。因此，本文通過剛性測壓風洞試驗得到不同百葉間距和不同百葉與樓面間距下的并聯百葉的風壓峰值和均方根值，分析百葉間距和百葉與樓面間距對風壓的影響，并對比分析基于邊緣百葉計算所得風荷載和試驗風荷載。

2 工程與實驗概況

2.1 工程概況

為便于比較，試驗設計了三組節段模型，如表1 所示，平面尺寸為30m×35m，高度為15m，百葉寬度a=75cm，間距s=1.0a、2.0a、5.0a，百葉與樓面間距d=0、1.0a，在百葉上、中、下外表面布置測點，每個翅片上6個測點。

2.2 試驗概況

對百葉階段模型進行風洞試驗，試驗在CGB-1風洞進行，風洞截面尺寸為4m×3m。采用剛性模型同步測壓技術測量風荷載，剛性縮尺模型如圖1 所示，剛性模型幾何縮尺比為1:50。試驗阻塞比為1.75%＜5%。

圖1 并聯百葉試驗模型

每個模型都在風速為10m/s均勻流場下進行試驗，風向角如圖2 所示，逆時針每隔10°設置一個風向角進行測試，其中逆時針0°～180°風向角為工況1、3、5 的迎風風向角，逆時針180°～0°風向角為工況2、4、6的迎風風向角。

圖2 風向角示意圖

3 試驗結果及分析

3.1 百葉與樓面間距對風壓的影響

圖3 為不同百葉與樓面間距的綜合風壓峰值隨風向角變化曲線，反映了百葉整體所受風荷載。由圖3 可知，三個模型的綜合風壓峰值隨風向角變化規律相似，d=0.75m 工況（工況2、4、6）下的綜合風壓峰值最大值均大于d=0m 工況（工況1、3、5）下的最大風壓峰值最大值。尤其在模型二中，工況4 的最大風壓峰值為工況3 最大風壓峰值的2.45倍，說明百葉與樓面間距的增大會使風壓明顯增大。工況1、3、5 的最大綜合風壓峰值出現在40°和140°風向角附近，工況2、4、6 的最大綜合風壓峰值出現在220°和320°風向角附近，來流風向與百葉所在樓面夾角為50°時百葉所受風荷載最大，說明該風向角為最不利風向角。

圖3 不同百葉與樓面間距的風壓峰值分布曲線

3.2 百葉間距對風壓的影響

為研究百葉間距對風壓的影響，選取d=0m 的三個百葉間距不同工況（間距分別為0.75m、1.50m、3.75m）下的風壓峰值進行對比，如圖4 所示，分別取中間一個百葉、最左邊一個百葉和最右邊一個百葉得到三個風壓曲線圖。可以看出，百葉間距對風壓有顯著影響，由于百葉之間的遮擋作用，百葉間距越小遮擋作用越強。百葉風壓越小，尤其是中間百葉在大多數風向角下的風壓峰值接近于0kPa，邊緣百葉受到的遮擋作用相對較小。對比不同位置的百葉最大風壓峰值可以看出，中間百葉在三個工況下的最大風壓均遠小于邊緣百葉的最大風壓，說明中間葉片所受風荷載遠小于邊緣葉片所受風荷載。

圖4 不同百葉間距的風壓峰值分布曲線

圖5 為不同百葉間距下的風壓均方根值隨風向角變化曲線，對比可知，風壓均方根值基本呈現百葉間距越小，風壓均方根值越大的分布規律，邊緣處百葉較為明顯地呈現出上述規律，但中間百葉規律不明顯。不同百葉間距下風壓均方根值隨風向角變化規律相似，中間百葉在來流風向與樓面夾角10°（10°、170°）時風壓均方根值較大，邊緣百葉在來流風向與樓面夾角10°（左邊百葉為10°，右邊百葉為170°）和與樓面夾角80°（左邊百葉為80°，右邊百葉為100°）附近風壓均方根值較大，在背風風向角（190°～350°）處，中間百葉的風壓均方根值較為穩定且基本不隨百葉間距變化，邊緣百葉的風壓均方根值波動幅度相對較大。

圖5 不同百葉間距的風壓均方根曲線

3.3 風壓對比分析

為證明采用邊緣處百葉的設計風荷載進行設計過于保守，將試驗所得整體風壓與邊緣百葉計算所得風壓進行對比，如圖6所示。基于工況1分析結果進行對比，試驗風壓為各測點風壓疊加所得，計算風壓為邊緣百葉風壓與百葉數量的乘積。可以看出，左邊百葉和右邊百葉計算風壓在各風向角下均大于試驗風壓，尤其在順風向風向角下，計算風壓遠大于試驗風壓，證明對于密排式百葉結構，若采用邊緣百葉風荷載進行設計過于保守，經濟性較差。

圖6 風壓對比曲線

4 結論

采用剛性測壓風洞試驗對百葉風荷載進行研究，并考慮了不同百葉與樓面間距和不同百葉間距對百葉風壓的影響，主要結論如下。

①百葉與樓面間距為0.75m時的風壓峰值大于百葉與樓面間距為0m 時的風壓峰值，來流風向與樓面夾角約為50°時百葉綜合風壓取得最大值。

②百葉之間的遮擋作用明顯，百葉間距越小遮擋作用越強，百葉風壓越小，中間百葉受遮擋作用較強，風壓峰值較小，邊緣百葉受遮擋作用較弱，風壓峰值較大。

③風壓均方根值隨百葉間距減小而增大，來流風向與樓面夾角10°和80°時風壓均方根值較大。

④以邊緣百葉風荷載計算百葉整體風荷載結果遠大于試驗風荷載，過于保守。