開洞矩形截面超高層建筑局部風(fēng)壓風(fēng)洞試驗(yàn)

基于同步測(cè)壓技術(shù),在同濟(jì)大學(xué)tj-2建筑風(fēng)洞中進(jìn)行了單體矩形高層建筑的阻塞效應(yīng)試驗(yàn)研究。對(duì)阻塞度為4.1%、6.1%、8.4%、10.1%的剛性建筑模型在低湍流均勻風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn),對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。主要研究了阻塞效應(yīng)對(duì)模型表面平均風(fēng)壓特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:在均勻流中,阻塞效應(yīng)對(duì)模型迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)的影響較小,除靠近角部測(cè)點(diǎn)外,影響幅度不足5%;阻塞效應(yīng)使模型側(cè)面、背風(fēng)面和頂面平均風(fēng)壓系數(shù)降低較為顯著,但平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律沒有明顯變化。此外,基于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果提出了均勻流中矩形高層建筑平均風(fēng)壓的阻塞效應(yīng)修正公式。

目前超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析常采用的是規(guī)范的簡化理論方法和基于風(fēng)洞試驗(yàn)方法頻域方法,隨著結(jié)構(gòu)體型的復(fù)雜化或周邊建筑對(duì)風(fēng)場(chǎng)有明顯干擾時(shí),進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)振時(shí)程分析是更為簡單直接有效的方法。本文通過編程實(shí)現(xiàn)生成風(fēng)洞試驗(yàn)中風(fēng)荷載時(shí)程數(shù)據(jù)并導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析,獲得整體結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力以及加速度時(shí)程等重要數(shù)據(jù),為規(guī)范方法不適用的超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析及舒適度評(píng)估提供了可行的方法。

某鋼管混凝土框架混凝土核心筒超高層建筑,結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載十分敏感,風(fēng)環(huán)境較為復(fù)雜。通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了凹角矩形超高層建筑的風(fēng)荷載特性;針對(duì)順風(fēng)荷載、橫向風(fēng)荷載以及扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載,對(duì)比了基于風(fēng)洞數(shù)據(jù)和規(guī)范公式得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng),明確本工程規(guī)范公式的適用性;分析了采用風(fēng)洞數(shù)據(jù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載組合,同時(shí)利用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)振時(shí)程分析,得到結(jié)構(gòu)的舒適度評(píng)價(jià),并與公式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

某鋼管混凝土框架混凝土核心筒超高層建筑,結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載十分敏感,風(fēng)環(huán)境較為復(fù)雜.通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了凹角矩形超高層建筑的風(fēng)荷載特性;針對(duì)順風(fēng)荷載、橫向風(fēng)荷載以及扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載,對(duì)比了基于風(fēng)洞數(shù)據(jù)和規(guī)范公式得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng),明確本工程規(guī)范公式的適用性;分析了采用風(fēng)洞數(shù)據(jù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載組合,同時(shí)利用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)振時(shí)程分析,得到結(jié)構(gòu)的舒適度評(píng)價(jià),并與公式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù).

風(fēng)荷載是高層建筑的主要側(cè)向荷載之一,鑒于越來越多的國外工程設(shè)計(jì)的要求,了解并掌握國際常用規(guī)范中風(fēng)荷載的計(jì)算分析相關(guān)規(guī)定非常重要。結(jié)合超高層混合結(jié)構(gòu)科威特中央銀行總部大樓,對(duì)美國規(guī)范風(fēng)荷載的相關(guān)規(guī)定及本工程的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行介紹和研究,對(duì)類似工程的風(fēng)荷載分析有一定的參考作用。

依據(jù)某超高層建筑,著重介紹了風(fēng)洞試驗(yàn)的方法,描述了在考慮有、無環(huán)境建筑影響下,該高層建筑一些典型的表面風(fēng)壓特性以及一些測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。結(jié)果表明:迎風(fēng)面中上部風(fēng)壓系數(shù)較大,接近1.0;底部部分風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到1.0;側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)大多為負(fù)值,特別是靠近角落處由于渦旋脫落,其值可達(dá)到-2。環(huán)境建筑對(duì)該高層建筑表面風(fēng)壓的影響較大,特別在建筑中下部。為其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些參考。

本文設(shè)計(jì)制作了一外形，剛度，質(zhì)量參數(shù)在一定范圍內(nèi)可調(diào)的通用超高層建筑多自由度氣動(dòng)彈性模，對(duì)其進(jìn)行了一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)，并詳細(xì)研究了風(fēng)向，等因素對(duì)超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)的影響，得到一和些具參考價(jià)值的結(jié)果，可供我國有關(guān)規(guī)范修訂時(shí)參考。

將吸氣流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在超高層建筑中,用以減小其風(fēng)荷載和抗風(fēng)性能是一項(xiàng)新興的課題,然而現(xiàn)有的研究成果還停留在理論基礎(chǔ)階段,將此方法應(yīng)用在實(shí)際工程中尚需試驗(yàn)的驗(yàn)證。為此文中設(shè)計(jì)了一套吸氣控制系統(tǒng),用以完成上部吸氣控制下超高層建筑剛性模型的測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),對(duì)今后開展此項(xiàng)研究工作的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員具有指導(dǎo)和借鑒作用。

在大氣邊界層風(fēng)洞中模擬了b、c、d三類地貌的風(fēng)場(chǎng),對(duì)矩形和方形模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),分析了不同風(fēng)場(chǎng)下矩形和方形模型的風(fēng)壓分布、順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜和風(fēng)壓空間相關(guān)性。結(jié)果表明：b、c、d三類風(fēng)場(chǎng)下,平均風(fēng)壓系數(shù)逐步減小,脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)逐步增大,順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜峰值對(duì)應(yīng)頻率基本一致;順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜分布特征隨高度變化不大;風(fēng)壓水平和豎向相關(guān)性隨距離增加而減小;湍流度的增大使得迎風(fēng)面水平和豎向風(fēng)壓相關(guān)性增大。

為了研究超高層建筑不同風(fēng)洞試驗(yàn)方式結(jié)果的差異及原因,對(duì)某347m超高層建筑進(jìn)行了剛性測(cè)壓模型、強(qiáng)迫振動(dòng)模型和多自由度氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn),并將三種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.對(duì)比了剛性測(cè)壓模型與氣彈模型的風(fēng)致位移響應(yīng),分析氣動(dòng)阻尼比對(duì)位移響應(yīng)的影響;同時(shí)對(duì)比了強(qiáng)迫振動(dòng)模型與多自由度氣彈模型在湍流場(chǎng)及均勻流場(chǎng)中氣彈參數(shù)的差異.結(jié)果表明:剛性測(cè)壓模型風(fēng)洞試驗(yàn)在氣彈效應(yīng)不顯著的情況下較為可靠而方便;當(dāng)氣彈效應(yīng)較顯著時(shí),多自由度氣彈模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果更為真實(shí);在均勻流場(chǎng)中,結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí),強(qiáng)迫振動(dòng)模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果有一定的參考價(jià)值,但在湍流場(chǎng)中,特別是不發(fā)生共振時(shí),試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異.高層建筑強(qiáng)迫振動(dòng)模型振動(dòng)形式的不精確性會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的失真,將強(qiáng)迫振動(dòng)模型應(yīng)用到實(shí)際高層建筑抗風(fēng)時(shí),其振動(dòng)形式還有待改進(jìn).

分析了某高層建筑的多通道同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)。利用隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算了結(jié)構(gòu)等效靜力風(fēng)荷載,分析了風(fēng)荷載隨風(fēng)向的變化關(guān)系,計(jì)算了結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度響應(yīng),對(duì)居住者舒適度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)和等效靜風(fēng)荷載備受風(fēng)工程和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的關(guān)注。橫風(fēng)向風(fēng)荷載產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜,一般認(rèn)為主要來源于紊流、尾流及旋渦脫落和氣動(dòng)阻尼。橫風(fēng)向風(fēng)振主要是旋渦脫落下的渦激振動(dòng),各國規(guī)范大都規(guī)定圓柱體橫風(fēng)向渦激振動(dòng)是確定性振動(dòng),非圓截面要依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)確定。該文綜合眾多試驗(yàn)研究,提出了在準(zhǔn)定常理論不適用情況下的隨機(jī)振動(dòng)分析方法,建立了超高層建筑的橫風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載的計(jì)算模型。引入橫風(fēng)力譜,考慮氣動(dòng)阻尼,對(duì)某矩形截面建筑進(jìn)行了等效靜風(fēng)荷載分析,并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,按隨機(jī)振動(dòng)理論建立計(jì)算模型是可行的,當(dāng)計(jì)算橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)時(shí),應(yīng)適當(dāng)考慮正氣動(dòng)阻尼的影響,使計(jì)算結(jié)果更具真實(shí)性。

風(fēng)洞試驗(yàn)是確定超高層建筑風(fēng)荷載的主要方法之一。本文介紹了風(fēng)洞試驗(yàn)的基本情況,包括風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)大氣邊界層的模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)的分類、等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算過程等。著重于風(fēng)洞試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)單位如何與風(fēng)洞試驗(yàn)單位配合，風(fēng)洞試驗(yàn)配合過程中的注意事項(xiàng)以及如何解讀和運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告。最后，以某工程為例介紹了風(fēng)洞試驗(yàn)配合具體過程以及風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告的應(yīng)用。通過該風(fēng)洞試驗(yàn)補(bǔ)充了規(guī)范關(guān)于該體型高層建筑風(fēng)荷載的取值，同時(shí)也驗(yàn)證了此類雙塔建筑的風(fēng)荷載相互干擾，不可忽視。

風(fēng)洞試驗(yàn)是確定超高層建筑風(fēng)荷載的主要方法之一。本文介紹了風(fēng)洞試驗(yàn)的基本情況,包括風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)大氣邊界層的模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)的分類、等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算過程等。著重于風(fēng)洞試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)單位如何與風(fēng)洞試驗(yàn)單位配合,風(fēng)洞試驗(yàn)配合過程中的注意事項(xiàng)以及如何解讀和運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告。最后,以某工程為例介紹了風(fēng)洞試驗(yàn)配合具體過程以及風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告的應(yīng)用。通過該風(fēng)洞試驗(yàn)補(bǔ)充了規(guī)范關(guān)于該體型高層建筑風(fēng)荷載的取值,同時(shí)也驗(yàn)證了此類雙塔建筑的風(fēng)荷載相互干擾,不可忽視。

為了研究山地風(fēng)場(chǎng)中超高層建筑的風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)特性,必須了解復(fù)雜湍流變化對(duì)建筑風(fēng)荷載的影響。在風(fēng)洞中模擬了4種湍流度,通過3個(gè)不同高寬比圓形截面超高層建筑模型,考察了來流湍流度、建筑高寬比、層高度等因素對(duì)順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載功率譜影響規(guī)律。針對(duì)2個(gè)方向風(fēng)荷載功率譜的特點(diǎn)分別采用不同荷載譜模型進(jìn)行了參數(shù)擬合,再以湍流度、建筑高寬比為基本變量對(duì)荷載譜模型參數(shù)進(jìn)行二次擬合,初步建立了復(fù)雜山地圓形截面超高層建筑風(fēng)荷載功率譜的數(shù)學(xué)模型。最后給出一個(gè)實(shí)例,通過具體山地風(fēng)速和湍流度剖面,根據(jù)提出的建筑風(fēng)荷載功率譜數(shù)學(xué)模型,比較了山地和平地圓形截面超高層建筑的風(fēng)振響應(yīng)。

為研究超高層建筑風(fēng)致內(nèi)壓的干擾效應(yīng),在不同干擾工況下對(duì)一典型開洞超高層建筑進(jìn)行了內(nèi)壓風(fēng)洞試驗(yàn).分析了不同截面寬度、不同高度施擾建筑干擾下的平均與峰值內(nèi)壓干擾因子的分布規(guī)律,并通過功率譜分析,研究了有、無干擾建筑時(shí)脈動(dòng)內(nèi)壓的能量分布.結(jié)果表明:有、無干擾下的超高層建筑風(fēng)致內(nèi)壓近似服從高斯分布;串列布置時(shí),隨著施擾建筑與受擾建筑的截面寬度比的增大,內(nèi)壓干擾因子逐漸減小;在并列布置且側(cè)面開洞時(shí),平均與峰值內(nèi)壓均呈放大效應(yīng),且干擾因子隨著寬度比的增大而隨之增加,峰值內(nèi)壓干擾因子最大值為1.33,此時(shí)若并列間距較小時(shí),旋渦脫落共振峰值消失,但helmhohz共振峰值能量會(huì)被大幅提高;當(dāng)串列布置且施擾建筑高度與開洞所在高度相近時(shí),側(cè)面開洞受擾建筑的峰值內(nèi)壓始終被放大,峰值內(nèi)壓干擾因子最大值為1.12.

以中華城商業(yè)社區(qū)高層建筑群為工程背景,采用rngk-ε湍流模型模擬了建筑群中超高層建筑的表面平均風(fēng)壓分布及周圍風(fēng)環(huán)境,計(jì)算了與風(fēng)洞試驗(yàn)等雷諾數(shù)及增大來流風(fēng)速和模型尺寸提高雷諾數(shù)后的兩類雷諾數(shù)工況,并同風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,在等雷諾數(shù)情況下,風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的超高層建筑表面風(fēng)壓分布較為一致,數(shù)值差別在15%以內(nèi);數(shù)值模擬與試驗(yàn)雷諾數(shù)相差25倍的工況中,當(dāng)多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速成一定角度時(shí),超高層建筑的風(fēng)壓分布及周圍流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)較一致;當(dāng)多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速平行時(shí),尾流中旋渦分布的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)差異明顯,但平均風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果略顯差別。

矩形截面慣性矩及抗彎截面系數(shù)： 圓形環(huán)形截面抗彎模量及慣性矩公式： 抗扭截面系數(shù)：

基于單體高層建筑模型的尾流面積法,提出了適用于群體高層建筑模型風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞效應(yīng)的修正方法.給出了群體建筑的流場(chǎng)模式和基本假定,推導(dǎo)了修正公式,將尾流面積法的適用范圍推廣到同時(shí)布置兩個(gè)或多個(gè)建筑的阻塞效應(yīng)的修正.利用均勻流中典型周邊布置方案的等高雙建筑和等高三建筑的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)擬合,并在不同工況下驗(yàn)證了修正方法.該方法可在較高精度范圍內(nèi)滿足工程項(xiàng)目的需要.

用縮尺比為1:300的剛性模型對(duì)巨型高層開洞建筑進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn),研究了c類場(chǎng)地、16個(gè)來流風(fēng)向條件下,模型各表面(包括洞口內(nèi)部)的風(fēng)壓分布特性等,并確定了結(jié)構(gòu)總體風(fēng)荷載及最不利風(fēng)向角.結(jié)果表明:洞口的設(shè)置減小了建筑物所受的總體平均風(fēng)荷載,但并非洞口越大減小風(fēng)荷載越多.在建筑物上部開洞,對(duì)減小基礎(chǔ)所受彎矩非常有利,而在中上部開洞則對(duì)減小總體平均風(fēng)荷載更為有效,并且當(dāng)風(fēng)向與開洞方向平行時(shí)基礎(chǔ)所受的總平均風(fēng)荷載最小.風(fēng)荷載沿建筑高度的變化并非按規(guī)范中的規(guī)律分布,而是中上部大、兩端小.

以220kv角鋼輸電塔為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)制作了1∶2.5的大比例剛性節(jié)段模型,在均勻湍流場(chǎng)中進(jìn)行同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),獲得了輸電塔主材、斜材和輔材桿件的風(fēng)壓分布規(guī)律和體型系數(shù)沿桿件展長的分布.歸納了風(fēng)荷載對(duì)塔身各桿件的作用特點(diǎn)以及體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律.對(duì)于角鋼桿件,當(dāng)角鋼內(nèi)角迎風(fēng)時(shí),阻力系數(shù)與升力系數(shù)均較大,桿件處于雙向受力狀態(tài).對(duì)整塔段的體型系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)值和國內(nèi)外規(guī)范取值的對(duì)比.結(jié)果表明:按我國規(guī)范取值偏小,試驗(yàn)值與國外規(guī)范取值接近.

建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)　journalofbuildingstructures第31卷第6期2010年6月vol131no16june2010020 文章編號(hào):100026869(2010)0620171208 山地風(fēng)場(chǎng)中超高層建筑風(fēng)荷載幅值特性試驗(yàn)研究 李正良 1 ,孫　毅 1 ,黃漢杰 2 ,陳朝暉 1 ,魏奇科 1 (1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400045;2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽621000) 摘要:針對(duì)山地風(fēng)場(chǎng)中超高層建筑風(fēng)荷載特點(diǎn),在114m×114m風(fēng)洞中進(jìn)行了11個(gè)不同高寬比、厚寬比矩形截面和圓形截 面超高層建筑表面測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),分析了阻力系數(shù)平均值、均方根值和升力、扭矩系數(shù)均方根值受來流風(fēng)湍流度、建筑高寬 比、厚寬比和層相對(duì)高度等因素的影響。結(jié)果表明:矩形截面建筑各