台风“凡亚比”作用下超高层建筑风压特性的现场实测与风洞试验对比研究

史文海，李正农，罗叠峰

（1.温州大学 建筑与土木工程学院，温州 325035；2.湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室，长沙 410082）

0 引 言

东南沿海是我国经济最发达的区域，有大量的超高层建筑。近年来随着该地区的人口和社会财富的迅速增加，以及高层建筑的材料与设计理念的创新，该地区的高层建筑正朝越来越多、越来越高和越来越柔的方向发展。由于超高层建筑结构的自振频率较低，恰位于台风动荷载的主要频率范围或与其接近，在强／台风的作用下其风致响应较大，成为影响该地区超高层建筑安全性和适用性设计的关键控制指标。因此，超高层建筑的风荷载作用问题受到了学术界和工程界极大的关注和重视。

近年来，国内外许多学者开展了较多的超高层建筑风荷载特性的风洞试验研究，如文献［1－6］所做的工作。风洞试验方法可根据试验目的进行多次重复试验，便于多工况、多层次开展深入细致的研究，是风工程研究的主要手段。

现场实测是获得超高层建筑风效应状况最可靠的方法，风洞试验、理论分析和数值模拟得出的结果，最终还是要通过现场实测进行验证，现场实测结果也是改进其他研究方法的依据和参照。因此，积极开展现场实测研究具有非常重要的意义。在国外，Lee［7］、Ohkuma［8］、Kanda［9］等对高层建筑进行了较多的现场实测研究，在高层建筑风压分布特性和风致响应等方面获得了许多成果。在国内，李秋胜［10］、徐安［11］、顾明［12］和申建红［13］等通过大量观测研究，获得了我国沿海超高层建筑的强／台风风场特性和结构风致响应特征等成果。然而，目前国内外对于台风作用下超高层建筑表面风压的现场实测研究仍然匮乏，目前国内已开展的大量高层建筑风洞试验也没有与现场实测进行对比研究。

为此，本文基于2010年台风“凡亚比”作用下厦门沿海某超高层建筑表面风压的现场实测，与2011年在湖南大学HD－3大气边界层风洞中开展的该实验楼的风洞模型试验进行了对比研究，探讨了台风作用下超高层建筑表面的风压特性及其变化规律。

1 现场实测概况

1.1 实验楼概况

实验楼为厦门市东海岸的观音山营运中心11号楼，离海边约400m，建筑东面无任何阻挡，附近高层建筑较少，视野开阔。该楼为该海岸附近最高建筑，共37层，高146m。图1为该实验楼及其周边环境。

图1 实验楼及其周围环境Fig.1 Test building and its surrounding environment

在本次实测过程中风主要从东海一侧吹向实验楼（东偏东南风），实验楼位于高层建筑群的最东侧（1台风速仪亦架设在实验楼的最东侧）且明显高于该区域内的其他建筑，如图1所示，分析可知实测获得的台风风场基本上没有受到周围建筑的影响。所以，本次实测获得的直接从海面吹来且未受周围环境干扰的台风风场和建筑表面风压数据极为可贵，对超高层建筑的风场和风压特性研究具有重要的科学意义。

1.2 实测仪器介绍

采用CY2000型风压传感器测试建筑表面的风压，如图2（a）所示。在大楼的东南和西北角各安装了1台RM.Young 05103V型机械式风速仪（如图2b）进行风场观测，风速仪离地高度约150m。通过同一台电脑控制两套32和64通道高精度动态数据采集分析系统，同步对2台风速仪的风速和风向角数据、18台风压传感器的风压数据和6个楼层共12台拾振器的结构响应数据进行了同步采集。

1.3 实测概况

为获得超高层建筑表面的风压特性及其分布规律，在实验楼的第33层四周玻璃幕墙外表面同时布置了18个风压测点。试验中有1个测点的风压传感器发生故障，有2个测点的数据异常，故有效测点数为15个。有效测点平面布置如图3所示。

2010年第11号台风“凡亚比”于9月20日7时在福建省漳州市漳浦县沿海登陆，登陆地点距试验点约95km，登陆时最大风力12级（35m／s），中心最低气压为97kPa。在20日5时台风中心距实验楼最近，约为60km。于9月20日利用上述实测系统开展了超高层建筑风场、风压和风致响应的同步实测，其中风压信号采样频率为20Hz，风场和结构响应信号采样频率为25.6Hz。实测获得了台风“凡亚比”登陆前后约3小时12分钟（04：41：47至07：53：27）的风场、风压和结构风致响应时程。

图2 现场实测仪器Fig.2 Photos of field measurement instruments

图3 建筑平面与风压传感器测点布置图（单位：m）Fig.3 Top view and locations of the pressure sensors

2 风洞试验概况

2.1 试验模型及风场模拟

为模拟实测环境，将实验楼的两幢相邻高层建筑在风洞试验中予以考虑。测压模型的几何缩尺比为1∶200，模型试验以实验楼为中心，进行群体风洞试验，如图4所示。

试验在湖南大学风洞实验室的HD－3大气边界层风洞中开展。按我国GB 50009－2001《建筑结构荷载规范》［14］，实验楼所处场地属于A类地貌，地面粗糙度指数取a＝0.12。采用大气边界层模拟装置尖塔和粗糙元模拟a＝0.12的湍流场，并参考实验楼实测风场湍流特性，模拟出平均风速（U）剖面和湍流度（Iu）剖面，如图5所示。

图4 实验楼及其周边建筑的风洞试验模型Fig.4 Building model and its surrounding environment

图5 平均风剖面和湍流度剖面Fig.5 Mean wind speed profile and turbulence intensity profile

2.2 测点布置与数据采集

测压模型总共布置了15个测点层，246个测点。本试验的重点是为了对比现场实测楼层处的风压系数，故在试验模型的对应位置布置了测点层，且在其上下测点层测点布置也较密，即在第32层、33层（现场实测层）、34层各层布置了22个测点，并尽量和现场实测的测点布置位置相同。其他楼层每层只布置了15个测点，但每层所有测点的位置均一样。现场实测层（第33层）测点编号及布置如图6所示。

风洞试验采样频率为312.5Hz，每个测点采样样本总长度为10000个数据。以现场实测得到的风向角数据为参考，并结合当地的主导风向，在0°～90°之间选取了24个风向角进行同步测压试验。风洞试验风向角示意图如图7所示。

图6 测点布置图Fig.6 Arrangements of test points

图7 风洞试验风向角示意图Fig.7 Wind directions of wind tunnel test

3 实测风速风向角

选取2010年9月20日实测获得的台风“凡亚比”登陆前后约3小时12分钟的风场数据（如图8）进行分析，相应的计算公式见文献［15］。实测风向角定义北风为φ＝0°，南风为φ＝180°，依此类推，如图3所示。由图8可以看出台风“凡亚比”风场的脉动较大，风速基本在10～30m／s范围内，其中瞬时风速最大值为33.4m／s，风向角基本在90°～140°范围内。

图9给出了台风“凡亚比”的10min平均风速（U10）、风向角时程。其中总体平均风速为19.50m／s，平均风向角为114.6°，10min平均风速最大值为24.96m／s，10min平均风向角为东偏东南向。

图8 风速、风向角时程Fig.8 Time series of wind speed and wind direction

图9 10min平均风速、风向角时程Fig.9 Time series of 10min mean wind speed and wind direction

图10给出了10min平均时距顺风向、横风向湍流度随着平均风速的变化情况。可以看出，顺风向湍流度随着平均风速的增加呈递减趋势，而横风向湍流度相对稳定。顺风向和横风向湍流度平均值分别为0.117和0.082。

图10 湍流度与10min平均风速的关系Fig.10 Relationship between turbulence intensity and 10min mean wind speed

4 实测风压特性

4.1 瞬时风压

图11给出了台风“凡亚比”作用下实验楼第33层玻璃幕墙外表面15个有效测点的风压（p）变化时程。结合图8，从图11可以看出，各测点风压脉动较大，尤其是在风向角变化较大的时间段内风压脉动非常剧烈；4个面内测点之间的脉动风压相关性较强，如经过计算，东南面（面D）整个风压时程中测点12、13、14、15之间的风压相关系数分别为0.975、0.828、0.679、0.836、0.6901和0.882。

4.2 平均风压

在不可压低速气流下，考虑无粘且忽略体积力的作用，流动为定常的。根据伯努利方程，将平均风速换算成基本风压［16］：

式中取重力加速度g＝9.81m／s2，标准大气压下的空气容重γ＝0.012018kN／m3，ρ＝γ／g；U10为风压传感器所在高度的10min平均风速，按实验楼顶部测得的风速计算得出。

图12给出了各测点的10min平均风压与基本风压（计算值）变化时程，其中基本风压由式（1）计算出。对图12结果的分析如下：

图11 台风“凡亚比”作用下建筑表面的风压时程Fig.11 Time series of wind pressure on the test building during passage of typhoon Fanabi

东北面A：在风向角较小的前70min，该面虽为迎风面，但风主要吹向东南面D，靠近迎风角部测点1、2的值均为正；随着风向角由东转向东南，该面基本变为了侧风面，测点1和2的值逐渐转为负。测点3在该面的中部位置，基本为负值。

西北面B：为背风面，各测点实测值的变化规律非常一致，且均为较小的负值。

西南面C：为背风面，均为负值；角部测点12受旋涡脱落的影响，负压最大；在风向角最大的第100min～120min内，风接近垂直吹向面D，面C基本变为了侧风面，受旋涡脱落再附着的影响，致使该面左侧测点7、8与右侧测点9、10、11的平均风压值和变化规律相差甚大。

东南面D：为迎风面，值为正且较大；该面前70min的基本风压在各测点实测值之间，之后风接近垂直吹向该面，基本风压均明显小于实测值。

图12 10min平均风压实测值与理论计算结果的对比Fig.12 The comparison between measured 10min mean wind pressure and computational result

4.3 平均风压系数

在全尺度测量试验中，平均风压系数定义为：

式中p10为实测风压的10min平均值；ρ为空气密度；Uh，10为风压传感器所在高度的10min平均风速，可按实验楼顶部测得的风速计算得出。图13给出了各面的平均风压系数时程。对图13结果的分析如下：

东北面A：该面的平均风压系数时程与其平均风压时程非常相似，值在－1～1之间。

西北面B：该面的平均风压系数时程与其平均风压时程非常相似，其值基本在－0.7以内。

西南面C：值均为负，除了测点9和11的负值较大外，其他测点值均在－1以内。

东南面D：随着风向角由东转向东南，风逐渐垂直吹向该面，其值逐渐增大，甚至有部分值超过2；测点13位于该面内凹的阳台处，其值较小。

总体来看，迎风面的平均风压系数较大（有部分值超过2），迎风面迎风角部位置的平均风压系数较中部位置的大；背风面少数角部测点的平均风压系数的负值较大；随着风向角的变化，各面内平均风压系数的变化规律基本一致。

图13 平均风压系数时程Fig.13 Time series of 10min mean pressure coefficients

图14给出了各测点的平均风压系数随着风向角的变化情况和分布规律。可以看出，随着风向角的增大，风逐渐垂直吹向面D，面D的平均风压系数逐渐增大，而面A则由迎风面逐渐变为了侧风面，其平均风压系数逐渐减小直至全为负值；随着风向角的增大，背风面B的负值总体上较小且变化较小，而面C（逐渐变成了侧风面）的负值则逐渐增大且变化较大。总体来看，图14清晰地揭示出了建筑各面平均风压系数随风向角的变化规律。

图14 不同风向角情况下各测点的平均风压系数分布Fig.14 Mean pressure coefficients distribution of every test point under different wind directions

图15给出了各测点平均风压系数与10min平均风速之间的关系。可以看出，各面的平均风压系数幅值随着平均风速的增大基本呈减小的趋势。

图15 平均风压系数与平均风速之间的关系Fig.15 Relationship between mean pressure coefficients and 10min mean wind speed

4.4 脉动风压系数

脉动风压系数Cprms可定义为：

式中pi为实测瞬时风压；T为平均时距，本文取10min。

图16给出了各测点的脉动风压系数时程。可以看出，各面的脉动风压系数时程呈现出相似的变化规律；迎风面和侧风面的值较大，背风面B的值非常小，基本在0.2以内。

图16 脉动风压系数时程Fig.16 Time series of fluctuating pressure coefficients

图17给出了各测点脉动风压系数与10min平均风速之间的关系。可以看出，建筑各面的脉动风压系数随着平均风速的增大呈明显的递减趋势。

5 风洞试验与现场实测结果的对比

对风洞试验测得的风压时程数据经过统计分析，可得到平均风压系数。建筑模型各测点的平均风压系数可按下式计算：

式中为平均风压系数，为测点的平均风压，Uz为模型高度z处前方来流未扰动区的平均风速。

图17 脉动风压系数与平均风速之间的关系Fig.17 Relationship between fluctuating pressure coefficients and 10min mean wind speed

选取前述平均风压系数的实测值与该实验楼第33层测点的部分风洞试验结果进行对比分析。图18给出了部分风向角工况下实验楼第33层各面实测平均风压系数与风洞试验结果的对比。该图中的现场实测风向角统一换算成了风洞试验时的风向角，现场实测的测点编号统一换成了风洞试验的测点编号。

由图18结果可以看出，在不同的风向角下，现场实测值的变化规律与风洞试验结果的变化规律吻合较好，部分测点在某些风向角下的现场实测值与风洞试验结果亦吻合较好；风主要从面D吹向建筑，迎风面D的实测值总体较风洞试验结果大许多，而侧风面A的现场实测值总体较风洞试验结果小；背风面C的现场实测值与风洞试验结果基本吻合，背风面B的现场实测值略大于风洞试验结果。

图18 平均风压系数的现场实测与风洞试验结果对比Fig.18 Mean wind pressure coefficient result comparison between field measurement and wind tunnel test

图18结果表明，风洞试验和现场实测揭示出的超高层建筑表面平均风压系数的分布特征及其随风向角的变化规律基本一致，证明了采用风洞试验开展高层建筑风荷载试验的有效性。但是，风洞试验的迎风面结果低估了实际风荷载的作用（其原因有待进一步研究），会对超高层建筑的安全性和适应性设计造成不利的影响。

6 结 论

通过对台风“凡亚比”登陆前后厦门沿海某超高层建筑表面风压特性的现场实测与风洞试验的对比研究，得到以下结论：

（1）实测结果表明，台风登陆前后沿海超高层建筑的风场脉动较大，建筑表面的风压脉动剧烈；各面内测点之间的风压相关性较强。

（2）迎风面的实测平均风压较大，且有部分时段的值明显大于理论计算值；背风面某些角部位置的实测平均负压也较大。

（3）迎风面的实测平均风压系数较大，其中角部位置的值较中部位置大；背风面少数角部测点的平均风压系数负值较大；随着风向角的变化，各面实测平均风压系数的变化规律基本一致。

（4）各面的实测脉动风压系数时程呈现出相似的变化规律，迎风面和侧风面的值较大，背风面的值非常小；实测脉动风压系数随着平均风速的增大呈明显的递减趋势。

（5）在迎风面，平均风压系数的现场实测值明显大于风洞试验结果；在背风面和侧风面，平均风压系数的现场实测值与风洞试验结果相差较小。

（6）风洞试验和现场实测揭示出的超高层建筑表面平均风压系数的分布特征及其随风向角的变化规律基本一致，证明了采用风洞试验开展高层建筑风荷载试验的有效性；但是在迎风面，风洞试验结果低估了实际风荷载的作用（其原因有待进一步研究），会对超高层建筑的安全性和适应性设计造成不利的影响。

［1］KAREEM A.Measurements of pressure and force fields on building models in simulated atmospheric flows［J］.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1990，36（1）：589－599.

［2］KAWAI H.Local peak pressure and conical vortex on building［J］.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，2002，90（4／5）：251－263.

［3］QUAN Y，YAN Z W，WEN C Y，et al.Wind tunnel test study on local wind pressure of rectangular super high－rise building with openings［J］.BuildingStructure，2011，41（4）：113－116.（in Chinese）全涌，严志威，温川阳，等.开洞矩形截面超高层建筑局部风压风洞试验研究［J］.建筑结构，2011，41（4）：113－116.

［4］XIE Z N，SHI B Q，NI Z H.Wind pressure distribution on complex shape tall building under wind action with interference effects by a downwind building［J］.JournalofBuildingStructures，2002，23（4）：27－31.（in Chinese）谢壮宁，石碧青，倪振华.尾流受扰下复杂体形高层建筑的风压分布特性［J］.建筑结构学报，2002，23（4）：27－31.

［5］LI Z L，SUN Y，HUANG H J，et al.Experimental research on amplitude characteristics of wind loads of super tall buildings in hilly terrain field［J］.JournalofBuildingStructures，2010，31（6）：171－178.（in Chinese）李正良，孙毅，黄汉杰，等.山地风场中超高层建筑风荷载幅值特性试验研究［J］.建筑结构学报，2010，31（6）：171－178.

［6］LI B，YANG Q S，TIAN Y J，et al.Characteristics of turbulent wind load of tapered super－tall building［J］.Journalof BuildingStructures，2010，31（10）：8－16.（in Chinese）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.

［7］LEE Y，TANAKA H，SHAW C Y.Distribution of wind－and temperature－induced pressure differences across the walls of a twentystorey compartmentalized building［J］.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1982，10（3）：287－301.

［8］OHKUMA T，MARUKAWA H.Full－scale measurement of wind pressures and response accelerations of a high－rise building［J］.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1991，38（2－3）：185－196.

［9］KANDA J，OHKUMA T.Recent developments in full－scale wind pressure measurements in Japan［J］.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1990，33：243－252.

［10］LI Q S，XIAO Y Q，FU J Y，et al.Full－scale measurements of wind effects on the Jin Mao building［J］.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，2007，95（6）：445－466.

［11］XU A，FU J Y，ZHAO R H，et al.Field measurements of boundary layer wind characteristics and wind effects on Citic Plaza Tower［J］.JournalofBuildingStructures，2009，30（1）：115－119.（in Chinese）徐安，傅继阳，赵若红，等.中信广场风场特性与结构响应实测研究［J］.建筑结构学报，2009，30（1）：115－119.

［12］GU M，KUANG J，QUAN Y.Analysis of measured wind speed data on top of SWFC［J］.JournalofVibrationand Shock，2009，28（12）：114－118.（in Chinese））顾明，匡军，全涌，等.上海环球金融中心大楼顶部风速实测数据分析［J］.振动与冲击，2009，28（12）：114－118.

［13］SHEN J H，LI C X.Full－scale measurement－based investigation on wind field characteristics of super tall buildings under strong wind gusts［J］.JournalofVibrationandShock，2010，29（5）：62－68.（in Chinese）申建红，李春祥.强风作用下超高层建筑风场特性的实测研究［J］.振动与冲击，2010，29（5）：62－68.

［14］GB 50009－2001.Load code for the design of building structures［S］.（in Chinese）GB 50009－2001.建筑结构荷载规范［S］.

［15］SHI W H，LI Z N，ZHANG C X.Field measurements of strong wind characteristics near ground in Wenzhou district［J］.JournalofBuildingStructures，2010，31（10）：34－40.（in Chinese）史文海，李正农，张传雄.温州地区近地强风特性实测研究［J］.建筑结构学报，2010，31（10）：34－40.

［16］黄本才，汪从军.结构抗风分析原理及应用［M］.上海：同济大学出版社，2008：33.