超高层建筑风荷载的试验研究

超高层建筑风荷载的试验研究

1风洞试验对阵风风荷载的目的分析在现有的高层建筑表面压力测量试验中，试验中使用的建筑形状主要限于方形和矩形。然而，许多文献直接介绍了气动力的结果，而没有详细讨论层间距的振幅和频率特征。本文采用表面测压技术对典型的超高层建筑模型进行了风洞试验,获得11G的原始数据。根据这些数据,得到了测点层的顺风向、横风向和扭转风荷载,对风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数进行了细致分析。所得结果有利于深入认识超高层建筑的风荷载特性。2主要模型介绍试验在同济大学TJ-1风洞进行。风洞试验段为高×宽×长=1.8m×1.8m×18m,风速范围为1～32m/s。按我国规范,模拟了1/500的B、D类风场。模拟的两类风场平均风速剖面与理论结果吻合;模拟的纵向和横向紊流度、纵向和横向脉动风速功率谱、纵向紊流积分尺度以及竖向相干函数指数值均满足试验要求。试验选取的10个代表性模型的截面形式为方形、矩形、三角形、倒角方形、Y形,其外形和基本参数如图1和表1所示。模型高度均为0.6m,按1∶500的缩尺比,相当于实际建筑300m高。方形模型的高宽比为4、5、6、7、8;矩形模型的长宽比为1∶2,1∶1.5,2∶1和1.5∶1;三角形和倒角方形模型的高宽比为6∶1。每个模型上共布置7层测点(从上至下依次为1～7层)。考虑风荷载对响应的影响随高度明显增加,安排测点层上密下疏,各层测点高度分别为571.5mm、509.5mm、438mm、357mm、266.5mm、166.5mm、57mm。另外,本文定义垂直于模型立面的风向角为0°风向角。3风负荷效率的输出谱各层顺、横风向和扭转方向的无量纲三分力系数分别定义为阻力系数CD、升力系数CL及扭矩系数CM。它们的平均值和根方差的定义见文献。3.1u3000模型为了更好地研究三分力系数沿高度的变化规律,根据试验结果,选取各个模型的最不利风向角(Y形截面选为20°,其它截面模型为0°),对脉动三分力系数谱的特性进行了研究。结果表明,顺风向阻力系数谱的峰值主频基本与纵向脉动风谱频率一致。以高宽比为6的方形截面模型(模型3)在B类风场中的阻力系数谱为例(见图2),峰值折算频率nB/Uz一般在0.03～0.1之间,换算成莫宁坐标nz/Uz(其中z表示测点高度)则在0.16～0.5之间。此外,在模型中部层(第3和4层),在无量纲频率为0.1(参见图2可知为旋涡脱落频率)处有峰值。其值虽然小于脉动风主频处的值,但还是很明显的。由图2中第4层结果还可见到在无量纲频率为0.2处也存在一定能量的峰值,这是旋涡脱落引起的顺风向脉动风荷载,其主频是旋涡脱落频率的2倍(这和文献的结果相符)。随着高度降低,紊流度相应增加,阻力系数谱的峰值也随之增加。其它模型也有类似结论。总结以上结果可知,顺风向脉动风荷载主要由顺风向脉动风速产生,但旋涡脱落对其也有一定程度的贡献。3.2b类风场中的升力系数和扭矩系数谱图3～5给出了模型3在均匀流场及B、D类风场中的升力系数和扭矩系数谱。比较三图可以看出:(1)均匀流场中的升力基本全部来源于旋涡脱落,其峰值折算频率约为0.1(即斯特罗哈数)。扭矩系数谱的频率除了旋涡脱落频率为主外,在高频处也有少量能量。(2)随着地面粗糙度增加,升力系数谱的频带变宽,能量比均匀场中减小;扭矩系数功率谱的主频趋向脉动风的主频,能量也逐渐增加。也即随着紊流度的增加,紊流激励对扭矩的贡献逐渐增加。尽管如此,和顺风向脉动风荷载相比,横风向脉动风荷载主要由旋涡脱落诱发的气动力构成,横风向紊流对其也有一定贡献。图6和图7以模型6(长边迎风和短边迎风,即长宽比分别为0.5和2)在B类风场中的升力系数谱和扭矩系数谱为例,来研究矩形截面模型的三分力系数频谱特性。长边迎风时,其升力系数谱和扭矩系数谱均表现出很强的旋涡脱落特征,斯特罗哈数约为0.11。在短边迎风时,由于迎风面宽度减小,而顺风向尺度增加,尾流旋涡脱落在侧面再附,升力系数和扭矩系数谱的频带明显变宽,峰值频率降低,能量也大大降低。图8～10给出了三角形截面、倒角方形截面、Y形截面模型的升力系数和扭矩系数谱。三种模型的斯特罗哈数分别为0.1,0.12和0.12。三角形截面模型升力系数能量最小,Y形截面模型次之,倒角方形截面模型相对最大,但相比方形建筑仍然小了很多。除Y形外,各模型扭矩系数在各个频率下的能量都相当小,说明这类建筑的风荷载导致的扭转响应不会很大。4分析模型的建立相关系数定义如式(1)所示。Cor=˜Cεη˜Cε˜Cη(1)Cor=C˜εηC˜εC˜η(1)其中,ε、η分别代表D,L,M;˜CC˜εη表示三分力系数Cε和Cη的协方差;˜CC˜ε和˜CC˜η分别代表三分力系数的根方差。限于篇幅,本文仅给出高宽比为6的方形建筑模型的各层之间阻力、升力和扭矩系数之间的相关系数(见表2。表中D、L、M分别表示阻力系数、升力系数、扭矩系数,数字1～5代表层号)。由表可见,升力和扭矩系数的相关性一般比较强,而阻力系数和升力系数或扭矩系数之间的相关性则比较小。其它模型也表现出类似特性,不再重复。5竖向相干性系数cz式(2)给出了相干函数的定义。Coh=exp(-Cznd/U)(2)Coh=exp(−Cznd/U)(2)其中,Cz表示竖向相干性系数,为无量纲数;n为频率;d为两层竖向距离;U为来流在两层高度处风速的平均值。实际上,对一般超高层建筑,所关心的频率范围小于1Hz。对应于本试验,按1/500的几何缩尺比和大约1/5的风速比计算得到约为10的频率比,所关心的频率范围小于10Hz。5.1阻力系数的相干函数图11和图12分别列出了两个典型模型的阻力系数相干性实测结果及按照式(2)拟合的结果,前者为模型3(方形)在B类风场下第3层和第4层阻力系数的相干函数;后者为模型6在D类风场下第2层和第4层阻力系数的相干函数。从中可以看出,在研究所关心的频率范围内,阻力系数的相干函数可用式(2)近似表示。表3列出了本文试验中各模型上阻力系数的Cz的拟合值。总的看来,距离、高宽比、长宽比的增加以及紊流度的减小都会导致Cz有所增加;三角形模型和Y形模型的Cz一般要小一些,这很可能是由于其他面上的压力在顺风向上的分量所致。从表3可以看出,Cz明显小于脉动风速的相应值,也即阻力相干性大于风速相干性。5.2培养大学拟合结果本节讨论横风向脉动风荷载的竖向相干函数。图13列出了高宽比为8的方形截面模型(模型5)在B类风场下第2层和第4层处升力系数的相干函数,同时给出了按式(2)拟合得到的结果。根据模型5的尺寸,可以计算出旋涡脱落频率大约为13Hz。很显然,在旋涡脱落频率附近,升力系数的相干性明显增强,其他频段处的相干性则是来流紊流与尾流旋涡脱落共同作用的结果。总的看来,在所关心的频段范围内,即使紊流度增加会降低旋涡脱落对升力的贡献,但旋涡脱落在竖向相干性中总是起控制作用。在分析脉动升力的竖向相干性时,应处理为旋涡脱落和横风向紊流激励的共同作用的相干函数,并且不同激励在不同的风场中占有不同比例。这一情况比较复杂,作者将另作专题研究。5.3干预系数的垂直相干性扭矩系数的相干性与升力系数相干性很相似,在旋涡脱落频率处有明显的峰值,但从绝对数值上看,相干性比升力系数要低一些。6建筑物升力及扭矩系数谱图在边界风洞中对10个典型超高层建筑模型进行测压试验,得到了层气动力。分析了层气动力的频域特性,得到如下主要结论:(1)方形建筑顺风向阻力系数功率谱的峰值频率基本上与来流纵向风谱保持一致。高度降低,紊流度增加,阻力系数谱的峰值随之增加。地面粗糙度增加,升力系数功率谱的频带变宽,能量减小;扭矩系数功率谱的能量随紊流度的增加而增加。(2)矩形建筑长边迎风时,升力和扭矩系数谱均表现出很强的旋涡脱落特征,斯特罗哈数约为0.11。短边迎风时,升力和扭矩系数谱的频带明显变宽,峰值频率降低,能量大大降低。(3)三角形建筑升力