周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应研究

李 波，杨庆山，冯少华，范 重

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国建筑设计研究院，北京 100044）

周边建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应研究

李 波1，杨庆山1，冯少华1，范 重2

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国建筑设计研究院，北京 100044）

以天津国际金融会议酒店为例，采用多通道同步测压风洞试验技术，研究了周围高层建筑对大跨屋盖风荷载的干扰效应。试验结果表明：位于大跨屋盖两侧的高层建筑将引起明显的“穿堂风”效应，作用于大跨屋盖的风荷载将显著增加，但大跨屋盖上游高层建筑的“遮挡”作用，有利于减小两侧高层建筑引起的“穿堂风”效应，而下游高层建筑会加剧屋盖局部区域的“穿堂风”效应。周围高层建筑物的出现，增加了来流中的湍流成分，使得作用于大跨屋盖的脉动风荷载增大。

大跨屋盖；干扰效应；风荷载；风洞试验；压力系数

TU312.1

A

0 引 言

大跨屋盖结构具有自重轻、柔性大、自振频率低等特点，风荷载是其结构设计中的主要控制荷载［1－2］。已有研究表明，屋盖表面风压分布不仅与来流的脉动特性相关，还会受到由自身几何形状引起的特征湍流的影响［3－4］。针对这一特点，国内外很多学者对典型屋盖的风荷载特性进行了相关研究，得到了一些有意义的结论［5－6］。然而，城市环境中周围建筑物的高度普遍较大跨屋盖高，作用于屋盖的风荷载还将显著受到周围建筑干扰效应的影响［7］，这给该类结构的抗风设计带来很大困难。

天津国际金融会议酒店（图1）位于天津滨海新区于家堡金融区起步区03～04地块，地下2层，地上12层，建筑总高60m。天津国际金融会议酒店主体结构是由8个巨型柱和巨型桁架梁组合构成的巨型框架结构。屋顶大跨屋盖平面呈“∞”形，采用双向桁架体系，将两个塔楼连接为整体。大跨屋盖沿周边大悬挑，形成了独特的建筑造型。由于天津国际金融会议酒店周围有大量高层建筑，并且分布不均，作用于其上的风荷载十分复杂。

图1 天津国际金融会议酒店Fig.1 Tianjin international financial hotel

本文中笔者采用同步测压技术［8］进行了天津国际金融会议酒店刚性模型风洞试验，研究了周围高层建筑物对其屋盖平均风压、脉动风压的影响，为该类结构的风致干扰效应研究奠定基础。

1 风洞试验概况

1.1 试验风场

试验在石家庄铁道大学风工程研究中心STY－1风洞低速试验段进行，该风洞低速试验段宽4.0m，高3.0m，长24.0m，最大风速大于30.0m／s。在正式试验前，首先通过尖塔和立方体粗糙元的组合，按照我国《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）的规定，模拟了1∶200的B类风场（地面粗糙度指数α＝0.16），风场平均风剖面如图2所示。图中Z、Zr、U、Ur、α分别为高度、参考点高度、风速、参考点处风速和风速剖面幂指数，本次试验中，参考点设置在模型顶部高度处。

图2 平均风速与湍流度剖面Fig.2 Mean wind speed and turbulence profiles

1.2 试验模型及数据处理

试验模型为刚性模型，根据设计图纸，采用有机玻璃板制作，主体模型具有足够的强度和刚度，在试验过程不会发生变形和振动，以保证压力测量的精度。根据实际建筑物的大小和风洞试验阻塞率的要求，模型几何缩尺比选为1∶200。

试验分为单体和考虑周围建筑物干扰效应两种工况，每种工况在0°～360°范围内每转动10°测试一次，周围建筑物分布与主要风向角定义如图3（a）所示。试验中，屋盖封闭区域采用单面测压技术，在屋盖外表面布置177个测压点；屋盖悬挑区域则采用双面测压技术，在屋盖内、外表面布置140个测压点（图3（b））。测点处设置测压管，用来测量各点的瞬时风压。试验中采用美国Scanivalve公司电子扫描阀测压系统，采样频率312.5Hz，每个通道采样点数为9000，采样时间28.8s。

图3 试验模型及测点布置Fig.3 Test model and taps distribution

在结构风工程中，物体表面的压力通常用对应于参考点的无量纲压力系数表示，该系数可按（1）式确定［9］：

风压符号约定为：压力向上或向外为负，压力向下或向内为正。

2 平均风荷载

基于风洞试验结果，给出典型风向角单体和干扰状态下天津国际金融会议酒店平均风压分布，用以揭示周围建筑对平均风压的干扰效应。

2.1 平均风压分布

图4给出了天津国际金融酒店0°风向角时，单体和干扰状态的压力系数均值分布图。该风向角干扰状态时，来流上游无建筑物，来流下游仅在左半部分有建筑物，而在右半部分场地空旷，天津国际金融酒店两侧均有高层建筑。

由图4可以看出，单体状态时，平均风压分布对称性较好，除屋盖两侧悬挑区是正压区外，屋盖其它区域均为负压区；悬挑屋盖位于来流前缘的悬挑区压力系数均值最大，其值达到－2.0，但衰减迅速，屋盖后缘悬挑区压力系数均值最小，其值仅为－0.1，屋盖封闭区风压值变化不大，压力系数均值大致为－0.6。干扰状态时，受周围建筑物不对称分布的影响，屋盖平均风压分布不再对称；虽然正压区、负压区分布基本不变，但受两侧建筑物影响，气流流动通道被压缩，“穿堂风”效应明显，整体而言屋盖风压数值有明显增加，来流前缘屋盖悬挑区压力系数均值增加至－2.8，封闭区则增加至－1.2；下游仅在屋盖左半部分有高层建筑物的独特布局显著增加了屋盖左侧悬挑区的“穿堂风”效应，其平均压力系数增加至2.0，而屋盖右侧悬挑区风压基本与单体状态一致。

图4 平均压力系数分布图Fig.4 Distributions of mean pressure coefficient with and without interference at 0°wind angle

图5给出了天津国际金融酒店180°风向角时，单体和干扰状态的压力系数均值分布图。该风向角干扰状态时，来流上游仅在屋盖左半部分有建筑物，而右半部分场地空旷，来流下流无建筑物。

图5 平均压力系数分布图Fig.5 Distributions of mean pressure coefficient with and without interference at 180°wind angle

由图5可以看出，单体状态时，180°风向角与0°风向角风压分布基本相同。干扰状态时，正压区、负压区分布仍基本不变；受上游建筑的遮挡，“穿堂风”效应不如0°风向角明显，屋盖风压数值增加不大，尤其是受遮挡的左半部分，屋盖来流前缘压力系数均值为－2.4，屋盖封闭区增加至－0.8。

综上所述，由于气流通道被压缩，大跨屋盖两侧的高层建筑将引起明显的“穿堂风”效应，作用于屋盖的风荷载将显著增加；值得注意的是，来流上游高层建筑的“遮挡”作用有利于缓解两侧高层建筑引起的“穿堂风”效应，而来流下游的高层建筑则会加剧屋盖局部区域的“穿堂风”效应。

2.2 平均风压的干扰因子

定义屋盖平均风压干扰因子IFm为：

为了更好地说明屋盖各部分平均风压受周围建筑物干扰效应的影响，将屋盖悬挑区细分为4个区域（图3（b）），图6给出了屋盖典型各区域平均风压干扰因子随风向角的变化曲线。

图6 屋盖平均风压干扰因子Fig.6 IFmfor mean pressure coefficients

由图6可以看出，屋盖各部分平均风压受周围建筑的影响规律不尽相同，虽然某些风向角作用下平均风压干扰因子小于1.0，但各部分最大平均风压干扰因子均达到2.0以上。这说明，作用于大跨屋盖的平均风荷载受周围高层建筑的方位、高度、体量等诸多因素的影响，有必要加强周围建筑对大跨屋盖干扰效应的研究。

3 脉动风荷载

风压的脉动特性决定了大跨屋盖的风致动力效应，本节将从压力系数根方差（反映了脉动风压能量大小）分布的角度来分析周围建筑物对该类结构脉动风压的影响。

3.1 脉动风压分布

图7、8分别给出了天津国际金融酒店不同状态下，0°和180°风向角压力系数根方差等值线图。

图7 压力系数根方差分布图Fig.7 Distributions of RMS pressure coefficient with and without interference at 0°wind angle

图8 压力系数根方差分布图Fig.8 Distributions of RMS pressure coefficient with and without interference at 180°wind angle

可以看出，单体状态时，压力系数根方差分布对称性较好，来流前缘屋盖悬挑区根方差值最大，达到0.6；屋盖其它区域压力系数根方差值较小，大致为0.15。干扰状态时，屋盖压力系数根方差分布不再对称，周围高层建筑对大跨屋盖结构脉动风荷载分布的影响规律与平均风荷载基本一致。

3.2 脉动风压的干扰因子

定义屋盖脉动风压干扰因子IFf为：

图9给出了屋盖典型区域平均风压干扰因子随风向角的变化曲线。可以看出，受周围高层建筑物的影响，来流中的湍流成分增加，作用于大跨屋盖的脉动风荷载总能量均不同程度的增大，即屋盖脉动风压干扰因子均在1.0以上。这说明，周边高层建筑物会增加作用于大跨屋盖的脉动风荷载，干扰引起的风致动力效应不容忽视。

图9 屋盖脉动风压干扰因子Fig.9 IFffor RMS pressure coefficients

4 结 论

周围高层建筑对作用于大跨屋盖风荷载的干扰效应显著，以天津国际金融酒店为例，进行了单体和干扰两种状态的多通道同步测压风洞试验，在此基础上对周围建筑物对大跨屋盖风荷载的干扰效应进行了研究，可以得到如下主要结论：

（1）作用于大跨屋盖的平均风荷载受周围高层建筑方位、高度、体量等因素的影响；

（2）典型风向角的分析表明，位于大跨屋盖两侧的高层建筑将引起明显的“穿堂风”效应，作用于屋盖的风荷载将显著增加；

（3）大跨屋盖上游高层建筑的“遮挡”作用，有利于减小两侧高层建筑引起的“穿堂风”效应，下游高层建筑则会加剧屋盖局部区域的“穿堂风”效应；

（4）受周围高层建筑物的影响，来流中的湍流成分增加，作用于大跨屋盖的脉动风荷载将有所增大，干扰引起的风致动力效应不容忽视。

［1］HOLMES J D.Wind load of structures［M］.New York：Spon Press，2001.

［2］张相庭.结构风工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［3］孙瑛.大跨屋盖结构风荷载特性研究［D］.哈尔滨工业大学，2007.

［4］李波，杨庆山，田玉基，等.国家网球中心新馆可开启屋盖风荷载特性［J］.土木工程学报，2010，43（S2）：112－118.

［5］顾志福，杨乐天，陈青松.大型机库屋面风荷载特性研究［J］.北京大学学报，2008，44（4）：501－506.

［6］PRASAD D，ULIATE T，AHMED M R.Wind loads on low－rise building models with different roof configurations［J］.International Journal of Fluid Mechanics Research，2009，36（2）：231－243.

［7］方江生，丁洁民，王田友.北大体育馆屋盖的风荷载及周边建筑干扰影响的试验研究［J］.空气动力学学报，2007，25（4）：443－448.

［8］陈学锐，顾志福，李燕.锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载［J］.力学学报，2007，39（5）：655－660.

［9］李波，杨庆山，田玉基，等.锥形超高层建筑脉动风荷载特性［J］.建筑结构学报，2010，31（10）：8－16.

李 波（1978－），男，博士，副教授。主要从事结构风工程及多高层钢结构的研究。通讯地址：北京交通大学土建学院（100044），电话：010－51687250，E－mail：libo－77＠163.com

Research on the interference effect of surrounding buildings on the wind load of long－span roof

LI Bo1，YANG Qing－shan1，FENG Shao－hua1，FAN Zhong2
（1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.China Architecture Design and Research Group，Beijing 100044，China）

Simultaneous multi－channel pressure measuring tests have been carried out in a wind tunnel to investigate the interference effects of surrounding buildings on the wind load of long－span roof，taking Tianjin international financial hotel for example.The test results show that：due to the narrow road effect caused by high－rise buildings on both sides of the long－span roof，the mean wind pressure on the roof increases significantly，but the windbreak effect of highrise buildings located on the upstream of the long－span roof decreases the narrow road effect and buildings located on the downstream increases the effect，resulting in increase of wind load on local areas of the roof.Due to the surrounding high－rise buildings，the turbulence in the coming flow is increased and the turbulence wind loads acting on the long－span roof is also increased.

long－span roof；interference effect；wind load；wind tunnel test；pressure coefficient

1672－9897（2012）05－0027－05

2011－09－02；

2012－04－16

国家自然科学基金重大研究计划重点项目（90815021）和中央高校基本科研业务费（2011JBM262）资助