平面尺寸对矩形高层建筑极值风压影响的研究_刘奕.pdf

振 动 与 冲 击 第 39 卷第 13 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol. 39 No.13 2020 收稿日期 2019 -02 -28 修改稿收到日期 2019 -04 -06 第一作者 刘奕 男,博士生,1992 年生 通信作者 陈水福 男,博士,教授,1967 年生 平面尺寸对矩形高层建筑极值风压影响的研究 刘 奕1, 陈水福1, KOPP Gregory A2 1. 浙江大学 建筑工程学院,杭州 310058; 2. 加拿大西安大略大学 工程学院,安大略省 伦敦 N6A5B9 摘 要为探索平面尺寸对矩形截面高层建筑表面极值风压分布的影响,对长宽比为 1 9 的建筑进行了风洞测 压试验及后续的脉动风压极值分析,研究了正交风向下不同长宽比建筑各表面极值风压的分布特点,并与我国荷载规范 的计算值进行了比较,探讨了全风向角下极值风压包络值在各表面的分布状况及随平面尺寸的变化规律。 结果表明,平 面尺寸对背风面和侧风面影响较显著,总体而言较小长宽比对极值负压更为不利;我国荷载规范对侧风面和背风面围护 结构的风压取值存在诸多偏于不安全的情况。 考虑全风向最不利状况的极值风压包络值在墙面分布及随不同平面尺寸 变化上均呈现更简单的规律,直接基于包络值分布提出的矩形建筑围护结构风压的取值方法,具有既简便又能更好反映 实际风压分布及随平面尺寸变化的特点。 关键词 平面尺寸;极值风压;矩形建筑;高层建筑;荷载规范 中图分类号 TU973 文献标志码 ADOI10. 13465/ j. cnki. jvs. 2020. 13. 011 Effects of plan dimensions on peak wind pressures of rectangular high-rise buildings LIU Yi1, CHEN Shuifu1, KOPP Gregory A2 1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Faculty of Engineering, University of Western Ontario, London N6A5B9, Canada Abstract In order to study effects of plan dimensions on peak wind pressure distribution on rectangular high-rise buildings, wind tunnel pressure tests were conducted for buildings with length-to-width ratios of 1 -9, and then extreme value analyses were pered for fluctuating wind pressures. Peak wind pressure distribution features on various surfaces of buildings with different length-to-width ratios under winds with orthogonal directions were investigated and compared with calculated values obtained using the China load code to explore distribution states of peak wind pressure envelope on various surfaces of buildings under all wind direction angles and their varying laws with variation of plan dimensions. Results showed that plan dimensions have significant influences on leeward and side surfaces; overall, smaller length-to- width ratios go against peak negative pressure; values of wind pressure obtained using the China load code for buildings with leeward and side surfaces enclosing have a lot of insecurity; peak wind pressure envelope distribution on wall surface considering the worst case under all wind directions and its change with variation of plan dimensions both reveal simpler laws; the proposed wind pressure value based on envelope distribution for rectangular buildings with enclosing structure is not only simpler and easier, but also can better reflect actual wind pressure distribution and its features with variation of plan dimensions. Key words plan dimensions; peak wind pressure; rectangular building; high-rise building; load code 风荷载是高层建筑外立面玻璃幕墙等围护结构的 主要控制荷载。 围护结构设计风荷载的确定主要取决 于建筑表面的极值风压[1-2]。 在极值风压研究方面, Holmes[1]给出了方形建筑表面的极值风压系数;Surry 等[3],Kim 等[4],Tanaka 等[5]对不同截面形状的高层建 筑进行了风洞测压试验,研究了截面形状及来流风场 对表面极值风压分布的影响;楼文娟等[6],林巍等[7]研 究了高层建筑表面脉动风压的非高斯特性及峰值因子 的估计方法;Akins 等[8-10],顾明等[11-13],钱涛[14]对不同 平面尺寸的矩形截面高层建筑进行了风洞测压试验, 并研究了平面尺寸对表面极值风压分布的影响。 以上 研究中只有文献[14]探讨了长宽比大于 4 的高层建筑 的风压分布情况,但由于其在计算极值风压系数时峰 值因子恒取为 3,对于分离区等具有显著非高斯特性的 流动区域可能产生较大误差。 总体而言,目前国内外 ChaoXing 针对矩形高层建筑极值风压的研究主要侧重于平面长 宽比较小的情况,而且目前的极值风压估算方法还存 在准确性欠佳等问题。 在设计取值方面,目前我国建 筑结构荷载规范GB 500092012 [15] 简称荷载规 范给出了矩形截面建筑围护结构表面风压的取值方 法,但只限于正交风向且尚未考虑随建筑平面尺寸的 变化。 鉴于此,同时考虑到实际工程中的板式住宅高层 建筑可能具有更大的平面尺寸比,本文对长宽比为 1 9 的矩形截面高层建筑进行了刚性模型的风洞测压试 验,考虑脉动风压的非高斯特性对其进行了更为精细 的极值分析,获得了表征性更佳的各表面极值风压统 计数据;分析了正交风向下建筑迎风面、背风面和侧风 面的极值风压分布特征及随长宽比的变化规律,探讨 了极值风压在全风向角下的包络值的分布特征;最后 通过与荷载规范中围护结构风压系数计算值的比较, 直接基于包络值分布提出了围护结构风压取值的新 方法。 1 风洞试验 本次试验在加拿大西安大略大学University of Western Ontario,UWO边界层风洞Ⅱ的高速试验段中 进行。 该试验段长 30. 0 m,宽 3. 4 m,高 2. 1 m,最大风 速可达 40 m/ s。 试验段地面拥有全自动的粗糙元控制 系统,配合入口处可选放置的格栅、尖劈和挡板等湍流 产生装置,可以精确模拟各种地貌下的大气边界层。 1. 1 风场模拟 鉴于对数律平均风速剖面更有理论依据,且其对 应的湍流度剖面更能精确地模拟近地面的大气边界 层[16],本次模拟采用对数率风剖面作为目标剖面。 根 据工程科学数据库ESDU,平均风速剖面按下式 取值[17] Uz U10 lnz/ z0 ln10/ z0 86. 25fcz U10 1 式中Uz为高度 z 处的平均风速,z0为地貌粗糙长度; 等号右边第二项代表科里奥利效应,fc为科里奥利参 数,对纬度 30地区取 7. 29 10 -6。 湍流度剖面按下式计算[18] Iuz σuz u∗ u∗ Uz 2 σuz u∗ 7. 5η[0. 538 0. 09lnz/ z0] p 1 0. 156lnu∗/ fcz0 3 η 1 - 6fcz/ u∗, p η164 Uz u∗ 2. 5 lnz/ z0 34. 5 fcz u∗ [] 5 u∗ U10 2. 5ln10/ z0 6 式中Iuz为高度 z 处的湍流度;σuz为高度 z 处脉动风速 均方根;u∗为摩擦速度;η 和 p 为拟合参数。 本次试验模拟了开阔地貌风场,风场缩尺比 1∶ 200,足尺地貌粗糙长度 z00. 01 m。 试验模拟的平均 风速剖面与湍流度剖面如图 1 所示,可见湍流度试验 值与理论值吻合很好;平均风速试验值在 z 0. 5H 处 H 为模型总高度与理论值拟合良好,在 z 2l Za1. 6-3. 5-2. 5 Zb1. 6-2. 5-2. 0 注a W/10;b H/10;l 为平 面最小尺寸。 图 7 阵风与局部体型系数分区及取值 Fig. 7 Zoning and values for gust and local shape factor 4. 4 讨 论 我国荷载规范基于准定常假定和峰值因子法计算 阵风系数,并给出局部体型系数的分区与取值以确定 围护结构风荷载。 本文未对峰值因子进行讨论,而是 直接给出了阵风系数与局部体型系数之积βgμsl的分 区与取值,这与美国荷载规范的方法较为相似。 如 3. 4 节所述,对于侧风面和背风面等受建筑本身引起的非 定常流影响明显的区域,准定常假定不再成立,脉动风 压具有显著的非高斯特性,由来流湍流度估计建筑表 面脉动风压均方根值将产生较大误差。 因此,若采用 峰值因子法,除了需要确定非高斯过程的峰值因子外, 还需再给出脉动风压均方根值的分布与取值,反而使 问题复杂化。 相较而言,本文方法更具准确性和简 便性。 此外,本文结果为基于开阔地貌风场获得的,未考 虑地貌或来流湍流特性的影响。 由文献[26-29]可知, 湍流特性对矩形高层建筑前缘分离流下的极值负压有 一定影响,随湍流度增大,分离流更早再附于建筑侧 面、分离区内极值负压增大。 现行规范对地貌影响的 考量也有所欠缺。 我国荷载规范通过阵风系数考虑了 来流湍流度的影响,基于准定常假定,由来流湍流度估 计建筑表面脉动风压均方根值,进而取峰值因子为 2. 5 计算阵风系数。 但如 3. 4 节所述,该方法对于侧风面 和背风面可能产生较大误差,且未考虑地貌对峰值因 子的影响。 美国荷载规范中未考虑来流湍流对围护结 构风压系数取值的影响,各地貌下围护结构风压系数 分区与取值均一致。 鉴于来流湍流对极值负压影响机 理的复杂性,其他地貌下的结果可能仍需相关试验确 定。 综上,对于地表更粗糙、风场湍流度更大的地貌, 本文结果可能略微低估实际值,但对于开阔地貌情况, 本文方法有较好的适用性。 最后,本文未考察建筑高度变化的影响。 但由文 献[1]可知,相较于深宽比对高层建筑绕流特性影响的 显著性,高宽比的影响通常体现在对建筑顶部绕流的 影响上,其总体影响相对较小。 另外,在美国荷载规范 中,对于高度大于 60 ft18. 3 m的建筑,围护结构风压 系数的分区与取值均一致。 当然,对于低矮房屋等高 宽比很小的建筑,建筑侧边与顶部绕流可能与本文情 况有较大差别,本文结果会存在一定误差。 但是,对于 常见的矩形高层建筑,本文给出的分区与取值方法具 有较好的适用性。 5 结 论 1 在正交风向下,平面尺寸对矩形高层建筑迎 风面极值风压的影响不大,但对背风面和侧风面有较 大影响。 背风面极值风压分布较为均匀,在较小深宽 比约 1∶ 1. 5时达到最不利,且当深宽比偏离该值后 呈现减小均指绝对值。 侧风面极值风压在深宽比 1∶ 1. 5 1. 5∶ 1时达到最不利,当深宽比偏离该范围后, 风压整体上呈现减小;对于深宽比小于等于 2∶ 1的建 筑,侧风面最不利风压一般出现在尾缘中间高度处;对 于深宽比大于 2∶ 1的建筑,最不利值一般出现在前缘底 部处。 2 我国荷载规范对矩形建筑侧风面和背风面围 护结构的风压存在较多取值偏小,即偏于不安全的情 况,对侧风面较大负压区宽度也存在取值不合理、取值 范围不完整的现象。 3 对不同长宽比的矩形建筑,全风向角下极值 正风压包络值分布较为均匀;极值负风压包络值分布 随长宽比变化较大,对长宽比小于等于 2 的建筑各表 面以及长宽比大于 2 的建筑的短边表面,最不利值通 常出现在中间高度处两侧及顶角附近;对长宽比大于 2 的建筑的长边表面,最不利值通常出现在底部角点及 顶部中间位置处。 4 相比正交风向下的极值风压分布,考虑全风 向最不利状态的极值风压包络值在墙面上呈现更简单 的分布规律,且随不同平面尺寸呈现更简单的变化规 律,建议直接按包络值结果拟定此类建筑围护结构的 风载取值方法。 5 本文建议的矩形建筑围护结构风压取值方 法,具有既简便又能更好反映实际风压分布及随平面 尺寸变化的特点。 参 考 文 献 [ 1] HOLMES J D. Wind loading of structures[M]. Boca Raton, FL CRC Press, 2015. [ 2] STATHOPOULOS T, DUMITRESCU-BRULOTTE M. Design recommendations for wind loading on buildings of intermediate 67振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing height[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 1989, 16 6 910-916. [ 3] SURRY D, DJAKOVICH D. Fluctuating pressures on models of tall buildings [ J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1995, 581/2 81-112. [ 4] KIM Y, KANDA J. Characteristics of aerodynamic forces and pressures on square plan buildings with height variations[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2010, 988/9 449-465. [ 5] TANAKA H, TAMURA Y, OHTAKE K, et al. Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations [ J ].JournalofWindEngineeringandIndustrial Aerodynamics, 2012, 107 179-191. [ 6] 楼文娟, 李进晓, 沈国辉, 等. 超高层建筑脉动风压的非 高斯特性[J]. 浙江大学学报工学版, 2011, 454 671-677. LOU Wenjuan, LI Jinxiao, SHEN Guohui, et al.Non- Gaussian feature of wind-induced pressure on super-tall building [ J].Journal of Zhejiang University Engineering Science, 2011, 454 671-677. [ 7] 林巍, 楼文娟, 申屠团兵, 等. 高层建筑脉动风压的非高 斯峰值因子方法[J]. 浙江大学学报工学版, 2012, 46 4 691-697. LIN Wei, LOU Wenjuan, SHENTU Tuanbing, et al. Peak factor of non-Gaussian pressure process on complex super-tall building [ J].Journal of Zhejiang University Engineering Science, 2012, 464 691-697. [ 8] AKINS R E. Wind pressures on buildings[R]. CER, 76/77- 15, 1976. [ 9] AKINS R E, PETERKA J A, CERMAK J E. Mean force and moment coefficients for buildings in turbulent boundary layers [ J ].JournalofWindEngineeringandIndustrial Aerodynamics, 1977, 23 195-209. [10] AKINS R E, PETERKA J A, CERMAK J E.Averaged pressure coefficients for rectangular buildings [ C] / / Wind Engineering. Pergamon, 1980. [11] 顾明, 叶丰. 超高层建筑风压的幅值特性[J]. 同济大学 学报 自然科学版, 2006, 342 143-149. GUMing,YEFeng.Characteristicsofwindpressure amplitude on super-tall buildings [ J].Journal of Tongji University Natural Science, 2006, 342 143-149. [12] 顾明, 叶丰, 张建国. 典型超高层建筑风荷载幅值特性研 究[J]. 建筑结构学报, 2006, 271 24-29. GUMing,YEFeng,ZHANGJianguo.Amplitude characteristics of wind loads on typical super-tall buildings [J]. Journal of Building Structures, 2006, 271 24-29. [13] 顾明, 叶丰. 典型超高层建筑风荷载频域特性研究[J]. 建筑结构学报, 2006, 271 30-36. GU Ming, YE Feng.Frequency domain characteristics of wind loads on typical super-tall buildings [ J].Journal of Building Structures, 2006, 271 30-36. [14] 钱涛. 不同长宽比矩形截面高层建筑的风荷载研究[D]. 杭州浙江大学, 2013. [15] 建筑结构荷载规范GB 500092012[S]. 北京中国建筑 工业出版社, 2012. [16] HO T C E, SURRY D, MORRISH D, et al. The UWO contribution to the NIST aerodynamic database for wind loads on low buildings, Part 1 Archiving atand basic aerodynamic data [ J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2005, 931 1-30. [17] ESDU-82026.Strong winds in the atmosphere boundary layer, Part 1 Mean-hourly wind speeds[S]. London, U. K. Engineering Sciences Data Unit, 1982. [18] ESDU-85020. Characteristics of atmosphere turbulence near the ground, Part II Single point data for strong winds Neutral Atmosphere [ S].London, U. K. Engineering Sciences Data Unit, 1985. [19] GAVANSKI E, GURLEY K R, KOPP G A. Uncertainties in the estimation of local peak pressures on low-rise buildings by using the Gumbel distribution fitting approach[J]. Journal of Structural Engineering, 2016, 14211 04016106. [20] PIERRE L M S, KOPP G A, SURRY D, et al. The UWO contribution to the NIST aerodynamic database for wind loads on low buildings Part 2. Comparison of data with wind load provisions[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2005, 931 31-59. [21] HONG E S. Wall pressure coefficients for low-to high-rise buildings[D]. London, Canada Western University, 2017. [22] LIEBLEIN J. Efficient s of extreme-value ology [R]. 1976. [23] SOLARI G.Gust buffeting.I Peak wind velocity and equivalent pressure[J]. Journal of Structural Engineering, 1993, 1192 365-382. [24] ASCE 7-93. Minimum design loads for buildings and other structures [ S ].NewYork AmericanSocietyofCivil Engineers ASCE, 1993. [25] ASCE 7-10. Minimum design loads for buildings and other structures[S]. Reston, Virginia American Society of Civil Engineers ASCE, 2010. [26] SAATHOFF P, MELBOURNE W H. Effects of freestream turbulence on streamwise pressure measured on a square- section cylinder [ J ].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1999, 791/2 61-78. [27] SAATHOFF P J, MELBOURNE W H.The generation of peak pressures in separated/ reattaching flows[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1989, 32 1/2 121-134. [28] LI Q S, MELBOURNE W H. An experimental investigation of the effects of free-stream turbulence on streamwise surface pressures in separated and reattaching flows[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1995, 54 313-323. [29] LI Q S, MELBOURNE W H.The effect of large-scale turbulenceonpressurefluctuationsinseparatedand reattaching flows [ J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1999, 831/2/3 159-169. 77第 13 期刘奕等 平面尺寸对矩形高层建筑极值风压影响的研究 ChaoXing