超高层建筑风荷载的风洞试验研究

超高层建筑风荷载的风洞试验研究

1风洞试验的数据分析表面风压测量是研究新型建筑抗风的基本方法之一。迄今为止,很多研究人员应用这一方法研究方形和矩形建筑物的风荷载。但在这些研究中,对风荷载的分层特性的讨论并不够细致。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,得到了测量层的阻力、升力和扭矩系数的平均值和根方差。讨论了高宽比和断面长宽比等主要因素对各层风荷载系数的影响,最后总结出一些有意义的结果。2风洞测试总结2.1紊流积分尺度试验在同济大学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。按照我国规范,模拟了1/500的B、D类风场,两类风场平均风速剖面与理论结果吻合。模型顶部高度0.6m处的B、D类风场纵向紊流度分别为7.5%和14%,也符合要求。一般认为横风向紊流度是顺风向紊流度的75%～88%,模拟结果基本相符。顺风向风谱与Davenport谱吻合很好。0.4m处的B、D类风场紊流积分尺度分别为0.41m和0.49m,相当于实际中200m高度处的205m、245m,与经验公式的计算结果(210m,270m)相近。此外,竖向相干函数的衰减指数Cz在7～9之间,与Davenport的建议值7和Simiu的建议值10相当。2.2模型的高宽比和测点布置10个代表性模型的截面形式(方形、矩形、三角形、倒角方形、Y形)和参数可见图1和表1。模型高度均为600mm,按1∶500的缩尺比,相当于实际建筑300m高。方形模型有5种高宽比(4、5、6、7、8);矩形模型考虑的长宽比为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。试验风速以模型顶部记,B类风场为9.73m/s,D类风场为9m/s。测压信号采样频率为312.5Hz,每个测点采集8192个数据,对应实际采样时间约为40min。在处理试验结果时,根据文献的方法考虑了测压管路所引起脉动压力信号畸变的修正。另外,本文定义垂直于模型立面的风向角为0°风向角。3横风向回采动力学各层测点的顺、横风向和扭转风向的无量纲三分力系数分别称为各层的阻力系数CD、升力系数CL及扭矩系数CM。它们的平均值和根方差可通过表面风压积分得到,按照惯例,以未受扰动的来流风压为参考风压,如式(1)～(6)所示。ˉCD(zi)=ˉFD(zi)ρU2ziA(zi)/2(1)˜CD(zi)=˜FD(zi)ρU2ziA(zi)/2(2)ˉCL(zi)=ˉFL(zi)ρU2ziA(zi)/2(3)˜CL(zi)=˜FL(zi)ρU2ziA(zi)/2(4)ˉCΜ(zi)=ˉFΜρU2ziA(zi)D/2(5)˜CΜ(zi)=˜FΜρU2ziA(zi)D/2(6)C¯¯¯D(zi)=F¯¯¯D(zi)ρU2ziA(zi)/2(1)C˜D(zi)=F˜D(zi)ρU2ziA(zi)/2(2)C¯¯¯L(zi)=F¯¯¯L(zi)ρU2ziA(zi)/2(3)C˜L(zi)=F˜L(zi)ρU2ziA(zi)/2(4)C¯¯¯M(zi)=F¯¯¯MρU2ziA(zi)D/2(5)C˜M(zi)=F˜MρU2ziA(zi)D/2(6)其中,ˉFDF¯¯¯D和˜FDF˜D分别为顺风向平均风力和根方差脉动风力;ˉFLF¯¯¯L和˜FL分别为横风向平均风力和根方差脉动风力;ˉFΜ和˜FΜ分别为绕z轴的平均扭矩和根方差脉动扭矩;zi为该层测点高度;A(zi)指的是zi高度的迎风面积;Uzi为该层测点高度处的平均风速;D为结构迎风面宽度。三分力系数的坐标系如图2所示。3.1随着斜角的变化，三个力系数随风角的变化(1)阻力、升力和扭矩系数的根方差模型1在B、D类风场下三分力系数的平均值和根方差随风向角的变化如图3和图4所示。由图可见:阻力系数的平均值和根方差随风向角的增加逐渐减小;在试验风向角范围内,升力系数平均值的绝对值从零附近开始增加,到10°～12°处达到最大,此后则逐渐减小;升力系数根方差则随着风向角的增加而单调减小;随风向角增加,扭矩系数的平均值单调增加,根方差单调减小。一般而言,底层的平均气动力系数绝对值和根方差均明显大于其它层,其主要是由于底层的平均风速比其它层处的风速低得较多而此处的紊流度较大所致。虽然低层的气动力系数较大,但实际建筑中此处的风速较低,所以实际风荷载并不大,风荷载效应则更小。两类风场中,除最底两层外的阻力系数平均值相近;各层升力系数平均值相近。D类风场中扭矩系数平均值以及阻力、升力和扭矩系数的根方差均明显大于B类风场。此外,更细致的分析表明,阻力系数和扭矩系数的根方差沿高度的变化规律与紊流度剖面比较接近,而升力系数的变化规律则与紊流度剖面相差很多。其原因主要是因为结构顺风向脉动阻力源于顺风向紊流,而横风向升力则综合了来流紊流和旋涡脱落的共同作用。(2)长边私家车模型的三种分析模型图5和图6给出矩形截面模型(模型6)在B类风场中长边迎风和短边迎风的三分力系数变化规律。D类风场中规律与B类风场类似,故未列出。矩形截面模型三分力系数随风向角和高度变化规律与方形截面模型类似,阻力系数平均值与根方差、升力系数平均值与根方差以及扭矩系数根方差均随着风向角的增加而减小,扭矩系数平均值随着风向角的增加而增加。由于B/D的变化(长边迎风时B/D=0.5,短边迎风时B/D=2),矩形截面模型的三分力系数表现出了一些不同的特性:(1)当B/D减小时,扭矩系数根方差随着风向角增加而减小的趋势逐渐变缓,模型6长边迎风时扭矩系数根方差已经基本上不随角度变化。(2)短边迎风时,升力系数平均值则先减小后增加。在试验的风向角范围内,一般在4°～6°之间达到最大负压。扭矩系数平均值则先增加后减小,临界风向角大约在9°左右。(3)与长边迎风时相比,短边迎风情况下阻力系数平均值明显小很多,这是由于B/D的增加导致背风面负压减小所致;阻力系数根方差略有减小,但升力系数根方差和扭矩系数根方差均有明显增加。两类风场的差别和方形建筑类似,不再赘述。(3)风向角和升力系数图7给出三角形截面模型三分力系数随风向角的变化。阻力系数平均值和根方差随着风向角的增加而减小,0°风向角时的最大值(1.6和0.25)略高于矩形截面模型。升力系数平均值与风向角的关系呈“V”形,在35°风向角处达到最大负压(-1.5);升力系数根方差则正好相反,随风向角增加先增加后减小,同样在35°风向角处达到最大值0.35。扭矩系数的平均值和根方差随风向角变化规律类似。扭矩系数根方差比扭矩系数平均值小很多。这一结论与文献吻合。此外,和方形及矩形建筑相比,三角形建筑不同高度处的三分力系数平均值的差别较小。(4)倒角前后的阻力系数平均和根方差的变化倒角方形模型的三分力系数随风向角的变化规律与方形模型类似,如图8所示。由图可见,倒角前后的阻力系数(平均值和根方差)有所改变,升力系数、扭矩系数的平均值和根方差均有很大降低。这说明了倒角对减小结构风荷载的有效性。(5)数及升力系数和根方差B类风场下Y形截面模型在0°～60°风向角范围内的三分力系数变化情况如图9所示。阻力系数平均值和根方差随风向角变化曲线类似于“Λ”形,在30°左右达到最大。升力系数平均值随风向角的变化规律类似于正弦曲线,最大值发生在12°和45°左右,其值分别为0.4与-0.65;升力系数根方差先增后减,在20°左右达到最大。扭矩系数平均值和根方差都相当小。3.2高宽比对明确矩形截面模型阻力系数的影响模型第2层的三分力系数可以代表该模型的风荷载特征。为了进一步说明方形和矩形建筑高宽比和长宽比对风荷载系数的影响,这里给出不同高宽比的方形和不同长宽比的矩形建筑模型第2层测点的风荷载系数(见表2)。由表可见:(1)方形建筑高宽比增加导致阻力系数平均值略增,阻力系数根方差基本没有变化;升力系数平均值基本为零,而根方差则明显增大。(2)在同样的高宽比下,矩形截面模型的阻力系数平均值、根方差均随着长宽比的增加而减小;升力系数根方差则相反。4正截面模型规则在风洞中测量了典型高层建筑的风压,获得建筑物不同高度上阻力、升力和扭矩系数的平均值和根方差的分布。对这些风荷载的幅值特性进行分析,得到如下主要结论:(1)方形建筑的阻力系数平均值和根方差随风向角的增加逐渐减小;升力系数根方差则随着风向角的增加而单调减小;随风向角增加,扭矩系数的平均值单调增加,根方差单调减小。(2)总的来说,矩形建筑的三分力系数随风向角和高度变化规律与方形截面模型类似。但断面长宽比的变化导致矩形建筑有以下特点:①D/B减小时,根方差三分力系数随着风向角增加而减小逐渐变缓;②与长边迎风时相比,短边迎风情况下阻力系数平均值明显小很多;阻力系数根方差略有减小,但升力系数根方差和扭矩系数根方差均有明显增加。(3)和方形及矩形建筑相比,倒角方形、Y形和三角形建筑的风荷载均小于方形和矩形建筑。此外,和