典型高层住宅建筑风压分布特性的试验研究*

李秋胜,李永贵,郅伦海

(1.湖南大学建筑安全与节能教育部重点试验室,湖南长沙 410082;2.香港城市大学建筑系,香港九龙)

典型高层住宅建筑风压分布特性的试验研究*

李秋胜1,2†,李永贵1,郅伦海1

(1.湖南大学建筑安全与节能教育部重点试验室,湖南长沙 410082;2.香港城市大学建筑系,香港九龙)

在大气边界层风洞中对某高层住宅建筑模型进行了风压分布风洞试验,分析了单体及受扰后建筑表面风压的分布特性.结果表明:凹形立面同高度处风压的相关性高,双层悬挑屋檐中,上层受负风压控制,下层受正风压控制,顶部玻璃挡板也受正风压控制;建筑物的风压分布受周边建筑及地形的干扰后产生较大变化,尤其是1倍于干扰物高度范围内,脉动风压的大小及分布的改变十分明显;受扰后,建筑物的最小极小风压增大了28%.

高层建筑;风干扰;风压分布;风洞试验

随着人们生活水平的大幅度提高,各地涌现出大量高品质的住宅楼盘,这些楼盘通常具有一个共同的特点:地理位置优越,建筑形式独特.而在这些楼盘中,往往会有少数几栋特别突出,被称之为“楼王”.

某高层住宅建筑就是“楼王”的代表之一,建筑地面以上49层,设计高度195.77m.每户均设计有独立的游泳池,3个立面呈“凹形”,凹入深度为11.5 m和14m,同时这3个立面上有悬挑4 m的阳台;在建筑顶部,有上下两层悬挑6 m的屋檐;在建筑顶部,有高5 m的玻璃栏板;以上局部位置的风环境较复杂.该住宅建筑依山望海,周边有近100 m高的山体,多栋高100m左右的高层建筑,2栋与该住宅建筑同高、体型类似的高层建筑,周围高层建筑及所在地形,形成一个较复杂的风场环境.为了对该住宅建筑进行合理的抗风设计,对该建筑进行了详细的风洞模型试验研究,所得结论可为以后类似工程的抗风设计提供参考.

1 试验简介

1.1 试验设备

试验在湖南大学风工程试验研究中心的HD-2大气边界层风洞的高速试验段进行.该风洞为水平回流式,包括高速试验段和低速试验段.高速试验段尺寸为高2.5 m、宽3.0 m、长17m,转盘直径为1.8 m,风速在0～60 m/s范围内连续可调.地貌类型按国家《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)[1]的B类地貌考虑,地貌粗糙度系数(指数率)α=0.16.

1.2 试验模型

风洞试验模型是用ABS板制成的刚体模型,具有足够的强度和刚度.模型与实际建筑在外形上保持几何相似,缩尺比为1∶300.周边模型比例也为1∶300,相对位置见图1(3#建筑为研究对象).

图1 模型位置及风向角示意图Fig.1 Model site and wind direction illustrations

为测取建筑的表面压力,在主模型外表面上共布置了376个测点,沿高度分12层(图2).测点层A～J每层布置28个测点(图3),测点层K,L分别布置20、16个测点,测点层M,N布置于顶部玻璃栏板,M为外测点,N为测点,均为20个.此外,在上下两层悬挑屋檐上分别布置了12对双测点.

图2 测点分层图Fig.2 Pressure tap layers

图3 A～J层测点布置图Fig.3 Pressure tap distributions o f layer A to layer J

1.3 试验工况

试验分3种工况进行,分别为单体(工况1),所有建筑(工况2),所有建筑与地形(工况3).风洞试验时,每一个风向测量一组数据,采样频率为333 Hz,采样长度为10 000,满足文献[2]指出的信号采样频率的要求.每种工况风向角间隔均为15°,共24个风向.风向角定义见图1.试验参考点高度为63.7 cm(与模型顶部同高),参考点控制风速10m/s.

1.4 数据处理

数据处理中符号约定以压力向内、向下(压)为正,向外、向上(吸)为负.各点的风压系数由式(1)给出:

式中:Δcpi(t)为测点i处的风压差系数时程; pui(t),pdi(t)为试验时测得的测点i处上(外)、下(内)的风压力时程.为了简化叙述,本文均采用压力系数cpi(t)来表示式(1)和式(2)表示的两种情况.

式中:cpi(t)为测点i处的风压系数时程;pi(t)为试验时测得的测点i处的风压力时程;p0和p∞分别为参考点处测得的平均总压和平均静压.cpi(t)的平均值为平均风压系数,cpi(t)的根方差值为脉动风压系数.对于双侧点位置,由上下(外内)表面对应的测点测出的压力相减得到:

2 结果分析

2.1 单体情况

2.1.1 平均风压系数

图4给出了A～J层测点在180°风向角下平均风压系数的等值线图,从图中可看出,正面的平均风压系数最大为0.8,这与已有研究结果是一致的[3].从分布上看,悬挑屋檐下均出现了较大的正风压,这与悬挑屋檐改变了建筑上部的绕流有关.在正面的边缘出现了负压,其大小与侧面相邻位置的平均风压系数相当,这主要是由于正立面边缘测点(测点8,18)实际上是处于气流分离区内所造成的.背面平均风压系数的分布规律与文献[3]基本上是一致的.侧面的平均风压系数沿高度逐渐减小,这与文献[3]的结论刚好相反,产生这种差别的主要原因是该住宅楼平面并非典型的矩形,从而导致气流分流现象与文献[3]的不一致.

2.1.2 脉动风压系数

图5给出了A～J层测点在180°风向角下脉动风压系数的等值线图,从图5可以看出,正面的脉动风压系数在0.15和0.30之间,且从下往上有减小的趋势,这完全是由于来流紊流引起的.背面的脉动风压系数在0.15和0.20之间.侧面的脉动风压系数沿风向从0.30逐渐减小到0.15.在迎风面两侧的棱角处,由于气流的分离,脉动风压明显大于其他位置.

图4 180°风向角下的平均风压系数分布(工况1) (从左至右依次为南立面、东立面、西立面、北立面,下同)Fig.4 Contour of themean pressure coefficient for 180°w ind direction(Condition 1)

图5 180°风向角下的脉动风压系数分布(工况1)Fig.5 Contour of the fluctuating pressure coefficient for 180°wind direction(Condition 1)

2.1.3 凹形立面的风压分布特点

图6给出了G12,G13和G14 3个测点之间在全风向下的互相关系数,“凹陷”立面上同高度测点间的相关度非常高.图7给出了G12,G13和G14 3个测点在全风向下的平均风压系数,G12,G14的平均正风压系数比G13略大,平均负风压系数比G13略小,对于由负压控制的幕墙设计而言,G12,G14的风压系数取值可以由G13确定.对凹形立面内其他同高度的测点进行分析,也能得到相同的结论.

图6 测点互关系数Fig.6 Correlation coefficient of pressure tap

图7 平均风压系数对比Fig.7 Comparison ofmean w ind p ressure coefficient

2.1.4 悬挑屋檐的风压分布特点

图8 悬挑屋檐全风向角下最大(最小)平均风压系数Fig.8 M ax(M in)mean wind p ressure coefficient for all wind directions of the cantilevered roof

顶部悬挑屋檐高度相差14.19 m,图8给出了顶部上下两层悬挑屋檐在全风向角下最大/最小平均风压系数.从图可看出,上层悬挑屋檐的负风压占主导地位,最小平均风压系数为-1.76,但值得注意的是,上层悬挑屋檐在角部的最大平均风压系数也比较大.下层悬挑屋檐的正风压占主导地位,最大平均风压系数为1.16,最小平均风压系数为-0.94.产生这种现象的原因可解释为:当悬挑屋檐位于来流侧面或背面时,上下表面均主要表现为负风压,因而悬挑屋檐上下的风压差不大;当悬挑屋檐位于来流正面时,气流撞击上下悬挑屋檐间的立面后分别向上下分离,以至于上层悬挑屋檐承受较大的负风压,而下层悬挑屋檐承受较大的正风压.(严格来说,上述解释应做流场显示.)

2.1.5 玻璃挡板的风压分布特点

图9给出了顶部玻璃挡板在全风向角下最大/最小平均风压系数.从图中可看出,玻璃挡板的正风压占主导地位,最大平均风压系数为1.73,最小平均风压系数为-0.69.图10给出了M 19,N19测点(此两测点为北立面中间外、内测点)在全风向角下的平均风压系数,从图中可看出:由于来流风在建筑顶部的绕流,内测点在全风向角下均为负压,外测点在正面来流时为正压,侧面和背面来流时为负压.因而外内压差在正面来流时为正风压,侧面和背面来流时为负风压.全风向角下,正风压为顶部玻璃挡板的控制风压.

图9 玻璃挡板全风向角下最大(最小)平均风压系数Fig.9 M ax(M in)mean w ind p ressure coefficient for allwind directions of the glass tailgate

图10 平均风压系数Fig.10 Mean wind p ressure coefficient

2.2 干扰现象

复杂建筑群体间的风干扰效应是结构风工程领域的研究热点[4],目前干扰问题的研究主要针对总体荷载及其动静态响应,以结构局部的风压系数为目标的干扰问题的研究在一定程度上可能更加复杂,所以目前以结构局部的风压系数为目标的干扰问题的研究主要是结合实际工程背景进行的[5-8].

2.2.1 地形及周边建筑干扰对风压分布的影响

图11 180°风向角下的平均风压系数分布(工况2)Fig.11 Contour of themean p ressure coefficient for 180°wind direction(Condition 2)

图12 180°风向角下的脉动风压系数分布(工况2)Fig.12 Contour of the fluctuating pressure coefficient for 180°wind direction(Condition 2)

图11～图14分别为工况2和工况3在180°风向角下各立面平均风压系数和脉动风压系数的等值线图.工况2,南立面平均风压系数比工况1明显增大,且西侧的负风压明显减小,西立面平均风压系数与工况1有所不同,数值也略微减小;南立面东侧下部的负风压明显减小,上部也有所减小,而东立面的平均风压分布及数值较工况1均有较大差别;北立面的平均风压分布已不再对称,且负压较工况1有所增大.上述现象的出现就是由周边建筑的干扰所引起的,由于该住宅楼与东西侧建筑间距很小,以至于气流在立面棱角处分离后相互挤压,导致迎风面正风压区域扩大,正风压增大,负压减小;东西立面负压值没有太大改变,反应出东西侧面处的风速并没有出现明显的放大效应,这可能是由于下游建筑的堵塞引起的.至于北立面平均风压分布的不对称现象,则完全是由于周边建筑的不对称所引起的.工况2各立面的脉动风压分布与工况1均有较大不同,在建筑迎风面棱角处的数值明显增大,多个测点的脉动风压系数超过0.5.工况3,增加山体后,由于山体遮挡,南立面下部出现负风压,而上部的正压较工况2而有所减少,这主要是由于山体坡度对来流路径的影响所造成的.从各工况的对比结果还可看出,该住宅楼的风压分布在周边建筑及地形2倍高度范围内均受到影响,在周边建筑及地形1倍高度范围内,脉动风压改变较大.

图13 180°风向角下的平均风压系数分布(工况3)Fig.13 Contour o f themean p ressure coefficient for 180°wind direction(Condition 3)

图14 180°风向角下的脉动风压系数分布(工况3)Fig.14 Contour of the fluctuating p ressure coefficient for 180°w ind direction(Condition 3)

2.2.2 不同工况最小极小风压系数比较

对于幕墙设计而言,通常关心的是峰值负压.为进一步量化周边建筑及地形对该住宅楼风压分布的影响,借用“遮挡因子”来衡量这种影响并定义遮挡因子SF为:

式中:Cp m in,Cp0m in分别为有干扰和无干扰时的最小峰值风压系数,按式(4)计算:

表1 遮挡因子Tab.1 Shielding factor(SF)

3 结 论

以结构局部的风压系数为目标的干扰问题是相当复杂的,因此在受扰后,本文只具体分析了一个风向角下该楼各立面风压分布的变化;而在分析SF时,是分区域后全风向考虑的.通过本文研究得到以下结论:

1)单体情况下,凹形立面内同高度处的风压相关性高.

2)双层悬挑屋檐中,上层受负压控制,下层受正压控制;顶部玻璃挡板受正压控制.

3)主体建筑受扰后,风压分布在两倍于干扰物的高度范围均有改变,在一倍于干扰物的高度范围内的改变较大.

4)上风向周边建筑对主体建筑风压的干扰效应明显,主体建筑尾流受到周边建筑干扰时也会对风压分布造成影响,但干扰效应相对较小.

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Experimental Investigation of the W ind Pressure Distributions on a Typical Tall Residential Building

LIQiu-sheng1,2†,LI Yong-gui1,ZH ILun-hai1

(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of M inistry o f Education,Hunan Univ,Changsha, Hunan 410082,China;2.City Univ of H ong Kong,Kow loom,Hong Kong,China)

A detailed testo f thewind p ressure distribution of a tall residential buildingw as carried out in a Boundary LayerWind Tunnel.Thew ind pressure distributionson the building were investigated.The resultshave shown that the correlationsof wind pressureson the concave surface are very high at the same height.For the design of the double cantilevered roof,the upper is controlled by negative w ind p ressure and the low er by positive wind pressure.The glass tailgate at the top of the building is also controlled by positive wind pressure.The wind pressure distributions of the building are changed m ore noticeably if the surrounding buildings and topography exist.Especially under the height of the disruptors,the change of fluctuating wind pressure is significant.The min peak wind pressure has an increase of 28%when the building is disturbed.

tallbuilding;w ind interference;w ind pressure distribution;wind tunnel test

TU 973

A

1674-2974(2011)04-0014-06 *

2010-05-16

国家自然科学基金重大研究计划重点资助项目(90815030);“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAJ03B04-02)

李秋胜(1962-),男,湖南永州人,教育部长江学者讲座教授,博士

†通讯联系人,E-mail:b cqsli@cityu.edu.hk