复杂高层建筑物气动力测量及干扰试验研究.pdf

第 3 7卷第 1期 2 0 1 1年 2月 四川建筑科学研究 S i e h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 5l 复杂高层建筑物气动力测量及干扰试验研究 吴 坤 ， 张召 明 ， 谢 琳 1 ． 南通大学， 江苏 南通2 2 6 0 0 7 ； 2 ． 南京航空航天大学， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ； 3 ． 海南省海洋开发规划设计研究 院， 海南 海 口5 7 0 1 2 5 摘要 介绍了“ 东方之门” 建筑的动态测力试验的方法和结果 ， 并通过测点风压系数积分程序计算得到整体的平均风荷载， 与风洞天平测力的结果进行比较， 发现两者之问吻合得比较好。分析了邻近建筑和群楼干扰时， 在某些风向角下出现的比较 明显的“ 遮挡效应” 和“ 狭管现象” 。 关键词 动态测压； 风洞试验； 风荷载； 干扰效应 中图分类号 T U 9 7 3 ． 2 1 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 1 0 1 0 5 1 0 4 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n a e r o d y n a m i c f o r c e m e a s u r e a nd i n t e r f e r e n c e e ffe c t s o n c o mp l e x - s h a p e d h i g h- r i s e b u i l d i n g s W U Ku n ． ZHANG Z h a o mi n g ． XI E Li n 1 ． N a n t o n g U n i v e r s i t y ， N a n t o n g 2 2 6 0 0 7 ， C h i n a 2 ． N a n j i n g U n i v e rs i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 3 ． H a i n a n Ma ri n e D e v e l o p m e n t P l a n a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， H m k o u 5 7 0 1 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e me t h o d a n d t h e r e s u l t o f d y n a mi c p r e s s u r e me a s u r e i n “ t h e d o o r o f e ast ” b u i l d i n g a r e i n t r od u c e d ． W e o b t mn e d t h e c o n t o u r o f i t s s u rf a c e wi n d p r e s s u r e a n d w r i t e a p r o g r a m w h i c h C an u s e t h e me t ri c a l wi n d p r e s s u r e c o e ff i c i e n t t o c o mp u t e t h e me a n wi n d l o a d o f t h e wh o l e b u i l d i n g ． He r e c o mp a ri n g wi t h t h e r e s u l t o f b a l an c e， w e fi n d t h e t w o r e s u l t s a c c o r d wi t h e a c h o t h e r ． I n s o me wi n d an g l e e v i d e n t c o v e r e ff e c t a n d g o r g e e ff e c t a p p e a red i n an a l y z i n g t h e i n t e r f e r e n c e e ff e c t o f w i n d l o a d s o f a du s t e r o f b u i l d i n g s ． Ke y wor d s dy na mi c p res s u r e me asur e； wi n d t u nne l t e s t ； wi n d l o a d s； i n t e r f er e nc e e ffe c t O前言 1 模 型 系统及风 洞试验模拟 近年来 ， 在我国已建成及正在建造许多超高层 建筑 ， 而在超高层建筑 的舒适性和结构设计中， 风荷 载都起着重要的控制作用 ， 过 强的风速会引起建筑 表面、 局部或整体结构 的损伤或破坏 。同时 ， 由于城 市中心区域的建筑物越来越多 ， 由此带来的建筑 群 之间风致干扰十分明显 ， 某些 建筑 的脉动风压和结 构响应会 明显加大。但 目前 荷载规范 对干扰效 应只提供了很少的指导， 国内外文献针对特定工程 及规则建筑 的干扰特性 进行 了一定量 的研究 引。 本文结合“ 东方之门” 建筑风洞试验 的数据， 分别对 应用刚体模型表面瞬压积分法可行性和开孔建筑在 复杂风环境下的干扰 问题进行 了分析， 谨 供专家 和 设计人员参考 。 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 1 1 4 作者简介 吴坤 1 9 7 4一 ， 男 ， 江苏南通人 ， 讲师 ， 主要从 事土木 工 程方面的研究 。 E ma i l w u _ku n_n t y a h o o ． C O II I ． c a 1 ． 1 模型系统 苏州“ 东方之门” 呈门形对称结构， 南北塔楼高 2 7 8 m， 在高度 2 3 4 m处 以上南北塔楼相连， 前方有 金鸡湖 ， 周围各分立 5幢百米 以上高度 的椭 圆形 高 层建筑和多幢多层与高层 的商用、 民用建筑 。测压 测力模型几何缩尺均为 1 3 5 0 ， 模型阻塞度 ≤5 ％ ， 因此 ， 可以忽略洞壁的干扰 』 。测压模型沿高度共 布有 1 8个水 平 测 压 剖 面 ， 共 1 2 4 5个 测 点 ， 采用 7 8 0 B电子压力扫描 系统来进行 多点压 力的测量。 测力模型用聚氨脂发泡材料制成 ， 表面喷漆 ， 以满足 轻质和刚度要求 ， 模型一阶固有频率为 2 6 H z ， 采用一台频响特性较好的六 分量动态测力天平 ， 模 型一天平系统一阶固有频率为 n 。 1 0 0 H z 。模型 在风洞中的安装如图 1 所示。 1 ． 2风 环 境模拟 由于该建筑物 的所在地为苏州工业园区， 在该 地区应该模 拟城市 B类地貌 ， 风速剖面指数 O t 5 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 图 1 风洞 中模型安装 Fi g． 1 The ph o t o o f wi n d t un ne l mo de l 0 ． 1 6， 大气边界层的高度为 3 5 0 m。在地板起始端 装设 4～ 5个尖塔作为旋涡发生器 ， 在地板上 ， 根据 要求星罗棋布的布置大量立方体粗糙元以增厚边界 层。实线表示的理论结果和圆点表示的模拟结果同 示于图 2中， 用于比较。 z和 分别表示任意高度 及相应的风速 ； H和 分别表示梯度风高度及相 应的风速 ； ， ， 为纵向紊 流度 ， 试验模拟结果 和理论 结果吻合很好。 图2 大气边界层速度和湍流强度剖面 Fi g． 2 Th e v e l oc i t y a nd t u rb ul e nt i nt e ns i t y i n s e c t i o n s i m ula t i on o n a t mos phe r i c bou nda r y l a ye r 测力建筑、 拟建高楼和周边群楼相对位置以及 体轴系下的风向角和坐标定义如图 3所示。 1l 1 8 0 。 周 嗵 周边稻 飘 ．g-． ．．I -- 一ll L ＼＼ 测 力 建筑 楼 ▲ J P o 。 图 3风向角及坐标定义 Fig． 3 W i nd d i re c t i o n s an d c o or di n a t e s y s t e m 2 模 型表面瞬压积分法和测力试验 2 ． 1 模型表面积分方程和积分方法 设模型表面风压系数为 C ， 其中 i ， 分别表示 第 i 层有J ． 个测点 ， 则基底剪力和弯矩为 1 N M Q f ∑∑c p ijp A ij t C O S n ， 0 厶1 lj J 1 N M M t ∑∑c p ij．p 嵋 A ij t C O S n ， 0 Z i I J J l 式 中p 空气密度； A 积分单元 面积； 一 来流与建筑表面法向夹角 ； 屋顶高度处的来流风速。 当采用上述公式进行计算时， 需要所有测压点 同步采样 ， 对试验设备的要求很高， 一般测压系统采 用逐点扫描的方法 ， 实际上， 对每点采样都有一定时 间差 ， 因此 ， 不能采用上述公式脉动风压计算 ， 而 用平均值来计算。 在此之前 ， 已经进行了测压试验得到了表面风 压系数 C 。 编写了 由表面测点风压积分得到的整 体和局部平均风荷载的计算程序。其计算原理是把 建筑表面离散成许多形状为四边形 的网格， 由测点 的时均风压系数 C p m e a n 插值到网格中心点的时均风 压系数 C 。 。 。 ， 只要网格分得足够密 ， 就可以认为， 网 格控制面积 中， 各点 的时均风压 系数 C 。 是相 同 的， 当然 ， 把求和的网格点控制在所求的区域内， 也 就得到了局部平均风荷载。 2 ． 2 积分结果与测力试验结果比较及结论 为方便 比较测 压 积分 计 算结 果 与高 频天 平 H F F B 实测结果 ， 本文用程序计算 了有群楼无高 楼时百年一遇风速下整体气动力 ， 并与天平实测的 整体气动力结果共列在图4中 体轴系 。 从 图4中可以看出， 两者之间吻合得 比较好 ， 两 者之差基本在 5 ％ ～1 0 ％之 间。这说明 ， 动态测压 的结果是正确的， 可以由测点风压系数沿建筑表面 积分计算 出各个楼层 的平均风荷载和整体的风荷 载， 便于运用于实际的结构设计中。 3 风致 干 扰对 复 杂 高层 建筑 物 的影 响 3 ． 1 干扰 因子和 模型测 力结 果 影响群体建筑干扰效应 的变量很多， 并且机理 复杂 ， 本文结合开孔建筑特性， 从测力数据来初步探 讨风致干扰 的影响。采用下式定义 的干扰因子 来评估动力干扰效应 吴坤， 等 复杂高层建筑物气动力测量及干扰试验研究 5 3 60 0 0 0 40 0 0 0 Z 20 0 0 0 o l‘ ．20 0 00 -40 0 0 0 ．60 0 0 0 8 000 0O 0 6 000 00 0 40 00 00 0 ． 2 000 00 0 至0 。 2o 00 00 0 -40 00 00 0 6 000 00 0 -80 00 000 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 风 向 角 图 4 积分计算 结果和天 平测 力结果 比较 Fi g ． 4 A c o mp a r i s o n o f t h e r e s u l t o f a e r o d y n a mi c s i nt e gr at i o n wi t h t he m e a s u re d r e s ul t s o f HFFB ， F 1 0 0％ ％ 式中 F 有高楼有群楼时和无高楼有群楼 测力建筑的基底剪力 弯矩 ； M o 无高楼和群楼时测力建筑的基底 剪力和弯矩。 本课题分别测试了在体轴系下无高楼有群楼、 有高楼有群楼和单体无群楼三种工况下的基底剪力 和弯矩 ， 对所有数据进行了分析 ， 并将影 响较大的 向部分结果如图 5～ 7所示。 图中 C 。 为 向平均剪力 系数 ； C 曲线 为 向力矩系数； g 为 向峰值因子。 图5 不同风向角下 向风力平均值比较曲线 Fi g． 5 Th e a v e r ag e wi nd f o r c e s c ur v e u nde r di ffe r e n t wi n d d i r e c t i O I I S l 图 6 不 同风 向角下扭 矩平 均值比较 曲线 F i g ． 6 T h e a v e r a g e t o r s i o n a l mo m e n t c u r v e u n d e r d i ffe r e n t wi n d d i r e c tio n s 3 ． 2风致干扰对模型测力的影响讨论 1 从三种工 况下 曲线 比较可知 ， 相邻建筑物 距离和高度 对建筑 测力 结果影 响 明显 ， 拟建 高楼 8 8层 距离测力建筑较近且较 高， 因此 ， 其对测力 建筑干扰影响较大 ， c 的影 响系数最大值为 4 5 ％ ， 而周边群楼则对测力建筑干扰影响较小。 2 建筑物间的干扰效应 ， 主要表现为“ 遮挡效 应” ， 当建筑物前有遮挡物时 ， 结构气动力减小 。并 且 ， 建筑物干扰影响最大值并不一定在力 力矩 极 值处 。 ∞ ∞ ∞ 0 ∞ ∞ ∞ 瑚m 珈 r 四川建筑科学研究 第 3 7卷 3 当来流由于周边群楼或拟建高楼阻挡而不 对称时 ， 测力建筑物的扭矩波动剧烈。 4 建筑物建筑 中间贯通影响 明显， 使本应在 风向角 1 8 0 。 出现最大值的 C ⋯ 反而出现一个小 波谷 。 5 在风向角 4 0 。 附近时， 有高楼有群楼时， 峰 值因子 g 达最大值为4 ． 5 9 6 7 ， V e l l o z z i 与 C o h e n _ 6 ] 取 g 3 ． 0 ； D a v e n p o r t 根据反映分布是正态的假定导 出 g3 ． 5 ； 本文实测值 比理论假定值大， 故当建筑 体型复杂时， 需增大峰值因子值。 4 结论和建议 1 限于篇幅， 本文未列出建筑风压分布图， 但 从表面风压分布数据看 ， 所测建筑内侧面很可能出 现负压且数值较大 最大达 一1 ． 8 3 ， 这对于开孔式 建筑而言， 其通道表面负压需引起注意 ， 特别是当建 筑物表面覆盖玻璃幕墙时。 2 测压积分 与测力吻合说 明测压积分可行 ， 对没有条件设高频天平的实验室可考虑采用该方法 计算构件倾覆力或力矩 ； 但应指出 测力更直接 ， 结 果更准确 ， 能直接反映瞬时风力， 况且对于复杂建筑 物采用测压积分难度较大。 3 建筑群存在局部减小风压 ， 但某些风 向角 下， 对建筑物影响增强， 且峰值加大， 均方差增大 ， “ 狭管效应” 和“ 遮挡效应” 明显。在进行风场模拟 时， 也应对周边环境进行模拟。在建筑设计时， 需要 注意建筑群 与风 向关系。本开孔建筑有一定典型 性 ， 可供设计参考。 参 考 文 献 [ 1 ] G B 5 0 0 0 92 0 0 1建筑结构荷载规范 [ S ] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 黄鹏．群体建筑风致干扰效应研究 [ D]．上海 同济大学桥 梁工程系 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] K h a n d u r i A C， S t a t h o p o u l o s T， B e d a r d C ．Wi n d 2 i n d u e e d i n t e r f e r - e n c e e ff e c t s o n b u i l d i n g s --A r e v i e w o f t h e s t a t e 2 o f 2 t h e 2 a r t [ J ] ． E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ， 2 0 7 6 1 7 - 6 3 0 ． [ 4 ] 埃米尔 希缪 ， 罗伯特 斯坎伦． 风对结 构的作用 [ M] ． 刘尚 培 ， 译． 上海 同济大学 出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 ] 冯鞋， 金江． 高耸钢塔结构的脉动风荷载模拟及结构风振 响应分析[ J ] ． 南通大学学报 自 然科学版 ， 2 0 0 7 1 ． [ 6 ] V e l l o z z i J ， C o h e n E． “ G u s t R e s p o n s e F a c t o r ” ， J o u r n a l o f t h e S t r u c - t u r a l D i v i s i o n ， A S C E ， 1 9 6 8 9 4 1 2 9 5 1 3 1 3 ． [ 7 ]D a v e n por t A G ． T h e S p e c t r u m o f H o r i z o n t a l G u s t i n e s s N e a r t h e Gr o u n d i n Hi g h Wi n d ． J ． Ro y al Me t e ro1 ． S o c ．， 1 9 61 ， 8 7 1 9 4- 21 1 ． 上接第 1 8页 性分析的一个较好的工具。 从上述算例可以看出， 在加载初期， 混凝土未开 裂前， 构件刚度退化不大， 粘结滑移 的影响不明显 ； 丐 义 陬 两种情况计算曲线几乎一致， 随着荷载的增大， 由于 [ I ] 黄宗日月 ， 陈 滔 基于有限 单元柔度法和刚度法的非线性梁柱 ，耋 謇 兰 00 3 5 荷2载4 -3下1 ．It lmJ 两 跨 三 层 钢 筋 混 出 现 明 显 的 退 化 现 象 ， 这 很 好 地 反 映 了 钢 筋 和 混 凝 三 ． 究 ⋯． ≤ 土之间粘结破坏。通过对考虑粘结滑移和不考虑粘 1 _ 1 5 结滑移两种情况结果的对比 考虑粘结滑移效应后， [ 3 ] 钟益 村， 任富栋， 田 家弊 ． 二层二跨钢筋混凝士框架弹塑 性性 极限荷载对应的位移都增大了， 延性好 于不考虑滑 能 试验研究⋯ - 建筑结构学报， 1 9 8 1 3 3 4 - 4 1 移的情况。 [ 4 ] 傅 剑平 钢筋混凝土 框架节点抗震性能与设计方法研究[ D ] 5 结 论 [ 5 ]杨 红 ， 白 绍 良 抗 震 结 构 节 点 内 梁 纵 筋 粘 结 滑 移 的 模 型 化 方 本文在纤维模 型有限单元柔度法的基础上， 建 [ 6 ] 邹 翱， 张 强， 周德源， 等． 复杂截面R C 空间框架结构非线 立了考虑钢筋和混凝土粘结滑移的构件和框架结构 性分析[ J ] ． 结构工 程师， 2 0 0 8 3 4 4 -4 9 的非线性分析模型， 用 F o r t r a n语言编制了相应的全 [ 7 3 邹 鄹， 周 德源， 党向东 钢筋混凝土框架滞回 过程的柔度分 过程分析程序。对已有的试验结果进行 了数值模拟 析 C o mit e E ’ u 石 ro 4Ⅱ 。 3 4 。 -3 ， i n N。 ． 计算 ， 分析与试验结果通过荷载一位移 曲线进行 了 一2 1 3 ／ 2 1 4 c E B ．F I P Mo d 。 l c 0 d 1 9 9 o c 。 。 s t 。 t u 。 ．L a 对比， 纵筋粘结滑移对构件 的恢 复力特性和变形 的 。 M 1 9 9 3 ． 影响不容忽视 ， 在对结构进行抗震分析计算时 ， 应加 [ 9 ] 姬守中， 江欢成， 吕 西林． 双轴反复荷载作用下钢筋混凝土空 以考虑。本文的程序能从材料、 构件和结构三种层『曰 { 匡 架结构滞回全过程分析⋯ 力学季刊， 2 0 0 2 4 4 5 5 ’ 次表现构件的非线性发展过程， 是混凝土结构非线