高层建筑屋顶广告牌风压分布特性

顾 明，陆文强，韩志惠，2，周晅毅

（1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.上海市气象科学研究所，上海200030）

随着城市建设的迅猛发展，大风对城市造成的破坏除了房屋建筑外，还包括一类易于损坏的构筑物，如户外广告牌.户外广告牌的形式多种多样，常见的形式可分为独立式和附属式.独立式广告牌是指自身具有独立结构支撑的广告设施，如设置在公路两侧的高立柱广告牌；附属式广告牌是指依附于建筑物、构筑物等设置的广告设施，如建筑物楼顶广告设施等.大型广告牌的风致倒塌事故已经引起了越来越多学者专家的注意，但是目前对于其风压和风力研究却相对较少.Letchford等［1-2］采用模型风洞试验对悬空矩形广告牌上的风荷载进行了研究.Paulotto等［3］采用模型风洞试验考察了一种框架式单面板广告牌周围建筑群风环境对于面板表面风荷载的影响.Warnitchai等［4］采用高频天平测力试验分别对单面板及双面板两种矩形广告牌进行了研究.在国内，金新阳等［5］、秦云等［6］采用计算流体力学（CFD）方法对典型户外独立柱广告牌的风荷载进行了数值模拟研究；沈之容等［7］则从广告牌结构风振计算方面考虑，研究了楼顶广告牌结构基本自振周期的计算方法.

目前对于广告牌的风荷载研究主要是针对独立式广告牌特别是单面板广告牌，而对于我国户外较常采用的独立式三面板广告牌、高低房屋屋顶广告牌的风压和风力研究则少有报道，我国荷载规范［8］中也没有相关风载体型系数的规定.为此，本文对广告牌沿高层建筑屋顶单边布置、邻边布置、三边布置及四周布置这4种方式下的面板表面风压分布进行细致研究，可以为相关结构抗风设计提供一定的参考.有关独立式广告牌风荷载的研究见另文.

1 试验简介

1.1 风洞及风场模拟

本试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室的TJ-2大气边界层风洞中进行.该风洞为闭口回流式矩形截面风洞，试验段尺寸为宽3m、高2.5m、长15m.试验风速范围为0.5～68.0m·s-1.风压测量、记录及数据处理系统由电子式压力扫描阀系统、PC机以及相应的信号采集及数据处理软件组成.

依照我国规范，选取C类地貌作为试验风场［8］.风场模拟采用在试验段上游安置尖劈和粗糙元来实现，试验风速为13m·s-1.C类风场的平均风剖面指数为0.22，10m 处的名义湍流强度为0.23［8］.图1给出了C类风场的风洞布置情况、平均风速及湍流度剖面.图中：U代表风速，Z代表高度，Utop代表模型顶部风速，Ztop代表模型顶部高度，Iu为湍流度.从图中可以看出，模拟值和理论值吻合得较好.

图1 风洞中模拟的C类风场Fig.1 Simulated wind field for terrain category of C

1.2 试验模型

在工程实践中，大型广告牌一般装设在高层建筑楼顶、城市快速道路两侧等人流、车流密集区域，其设置应考虑地方市容管理方面的规定.如上海市规定屋顶设置广告牌的高层建筑高度不得超过55 m，并且广告牌的高度不得超过5m.为了考虑最不利的情况，本次试验研究的高层建筑屋顶广告牌的建筑原型长宽高分别为30m×30m×55m，广告牌原型的面板高5m，长度与建筑物长度一致为30m.屋顶广告牌在建筑物顶部存在多种布置形式，即矩形建筑物屋顶四边均设置广告牌、三边设置广告牌、两邻边设置广告牌以及单边设置广告牌等.基于此，并考虑典型高层房屋的特点，设计了4种结构形式如图2a所示.模型缩尺比为1∶75，缩尺后的广告牌面板尺寸为400mm×67mm，广告牌顶部高度为0.8m.测点布置采取了边密中疏、满布对称的方式.单个面板表面布置55个测点，总测点数为55×2=110个，测点布置如图2b所示.

将垂直吹向面板1的风向角定义为0°风向角，试验风向角间隔取为15°，按顺时针方向增加，每种工况共24个风向角，见图2.

图2 模型尺寸及测点布置图Fig.2 Model configurations and locations of pressure taps

本次试验中，测压信号采样频率为312.5Hz，高层建筑屋顶广告牌每个测点采样16 000个数据，采样时间为51.2s，对应实际采样时长为20min.

1.3 试验数据处理方法

面板表面的风压用量纲为一的压力系数表示为

式中：Cp（i，θ，t）和p（i，θ，t）分别为风向角为θ时i测点i在时刻t的风压系数及风压；VH是参考动压高度的风速，这里高度取为面板顶部处高度；ρ为空气密度.压力系数为正表示垂直表面的风压为压力，压力系数为负表示为吸力.

Cpmean（i，θ）是测点i在风向角θ下的平均风压系数，Cprms（i，θ）为测点i在风向角θ下的脉动风压系数（即为风压系数的均方根值），从而有

式中：Cpmin（i，θ）为按照统计方法所得的测点i在风向角θ下的最小风压系数；Cpmax（i，θ）为最大风压系数；g为峰值因子，在这里取g=3.5［9］.

由于测点i在每个风向角下都有一个最小和最大风压系数，那么在0°～345°风向角下总有一个最大值及最小值，称为测点i的最不利正风压系数和最不利负风压系数，表示为

从而可以得到单块面板表面的最大最不利正负风压系数为

式中，M为广告牌面板上的测点数.

2 结果及分析

2.1 平均风压系数分布

图3是高层建筑屋顶广告牌沿建筑单边布置（工况1）时，广告牌面板在0°，45°和135°风向角下的平均风压系数分布等值线图.图中，广告牌内外表面的定义是以相对于建筑物的位置而定义的，沿建筑物外墙延伸的面为外表面，以0°风向为例，迎风面是外表面（见图2）；迎风面的背面为内表面.从图中可以看出：①0°风向角下，面板1外表面的平均风压系数均为正值，并且左右对称分布，压力系数值从中部向边缘处逐渐较小；此时，面板1内表面均为负压，其值均为-0.7左右.②45°斜风时，面板1外表面除最边缘少数区域外，其他区域主要呈现正压，最大正压值出现在迎风端边缘，为0.75；此时，面板1的内表面负压值均较大，在靠近面板迎风边缘处出现最大风压，达到-1.8左右.③135°斜风时，面板1外表面为背风面，其值大部分为-0.50～-0.55，在边缘可达到-0.65；此时，面板1内表面前缘为负值，而在后缘再附，平均风压为正值.

图4是高层建筑屋顶广告牌沿建筑邻边布置（工况2）、三边布置（工况3）、四边布置（工况4）时，广告牌面板在45°和135°风向角下的平均风压系数分布等值线图.由图可见：①45°斜风时，面板1外表面的正压区及最大正压值均随着工况号的增加而减小.面板1内表面均呈现负压，并且差别不大，但都显著小于工况1的面板1内表面负压值.②135°斜风时，4种工况的面板1外表面均主要呈现负压，而面板1内表面则既有正压区又有负压区，并且随着工况号的增大，负压区及最大负压值均逐渐增大，正压区则正好相反.

2.2 脉动风压系数分布

图5是高层建筑屋顶广告牌沿建筑单边布置（工况1）时，广告牌面板在0°，45°和135°风向角下的脉动风压系数分布等值线图.由图可见：各个风向角下，面板1内外表面的脉动风压系数分布规律与平均风压系数分布规律均比较相近.面板1外表面脉动风压系数的最大值为0.25左右.面板1内表面的脉动风压系数分布在0°风向角时，其值均为0.14左右；45°风向角时，面板中部靠近迎风边缘（B端）处出现较大值，达到0.35左右；135°风向角时，最大值出现在迎风边缘（B端）处，达到0.3，并且在面板中部偏后区域也出现较大值，达到0.28左右.

图3 屋顶广告牌沿高层建筑单边布置时平均风压系数分布Fig.3 Mean wind pressure coefficient distributions on unilateral billboards

图4 屋顶广告牌沿高层建筑邻边、三边及四边布置时平均风压系数分布Fig.4 Mean wind pressure coefficient distributions on adjacent，trilateral and peripheral billboards

图5 屋顶广告牌沿高层建筑单边布置时脉动风压系数分布Fig.5 Fluctuating wind pressure coefficient distributions on unilateral billboards

图6是高层建筑屋顶广告牌沿建筑邻边布置（工况2）、三边布置（工况3）、四边布置（工况4）时，广告牌面板1在45°和135°风向角下的脉动风压系数分布等值线图.从图中可以看出：45°风向角时，各个工况下的面板1外表面迎风前缘（B端）均出现较大的脉动值，并且沿着面板长边方向，脉动能量逐渐衰减，因而其脉动值逐渐减小.此时，面板1内表面的脉动风压系数值均较小；135°风向角下，随着工况的变化，面板1内表面的脉动风压系数分布出现了较为显著的变化.随着工况号的增大，面板1内表面中部靠近B端的脉动风压系数值逐渐减小，这主要是由于新增加的面板对于来流的遮挡效应造成的；此时，面板中部靠近A端的脉动风压系数值有所增大，此处易产生局部振动.

图7给出了0°，45°和135°风向角下，面板1内外表面典型测点处的脉动风压系数功率谱.图中，f为频率，Scp（f）为脉动风压系数功率谱，σcp为脉动风压系数方差，B为广告牌宽度，UH为广告牌顶部处平均风速；1E-28代表的是面板1外表面的28号测点，1I-28代表的是面板1内表面的28号测点，其他测点意义与此类似，测点位置见图2b所示.由图7a，b可得：0°风向角下，各个工况的面板1内外表面（测点1I-28，1E-28）脉动风压系数功率谱的谱型均比较接近，能量较大，均有一个比较明显的峰值.为便于显示，图中仅列出工况1与工况4的功率谱，其他工况的功率谱与它们相近.

图6 屋顶广告牌沿高层建筑邻边、三边及四边布置时脉动风压系数分布Fig.6 Fluctuating wind pressure coefficient distributions on adjacent，trilateral and peripheral billboards

图7c，d对比了45°斜风时，面板1外表面迎风前缘（B端）、迎风后缘（A端）是否存在相邻广告牌面板对典型测点脉动风压系数功率谱的影响.由图7c可知：相比工况2，由于工况3（三边布置）的面板1迎风前缘（B端）处存在面板3（见图2），影响了来流在面板1边缘的绕流特性，导致其脉动风压的能量更大，且更为集中.由图7d可知：相比工况1，由于工况2（邻边布置）的面板1在迎风后缘（A端）处存在面板2，导致其脉动风压能量更大，并且在很窄的折减频率范围内出现两个较大峰值.

图7e，f对比了135°斜风时，4种工况的面板1外表面典型测点的脉动风压系数功率谱.由图可知，135°斜风时，由于来流在建筑物屋顶边缘或广告牌面板边缘的分离特性明显不同，导致各个工况下的脉动风压功率谱有较大差异.各个工况下的脉动风压功率谱，均出现两个较为明显的峰值，工况1，2，3在低频处的峰值能量大于高频处峰值能量.相比之下，工况4的高频处出现较大能量.

2.3 面板表面极值风压系数分布

图8给出了各个工况下考虑面板1内外表面风压叠加效应的最不利正负风压系数等值线图.对比图8a和图8b可以看出，由于工况2的面板1在A端存在面板2（见图2），使得其表面的最不利正负风压系数都有不同程度的减小.再来对比图8b和图8c，由于工况3的面板1在B端存在面板3（见图2），使得其表面的最不利正负风压系数也有所减小，但是减小的程度不明显.对于广告牌沿建筑四周布置的工况4，其最不利正负风压系数的变化梯度较为明显，但是相比其他工况，其值均较小.为了更确切地给出数值，表1给出了各个工况下面板1表面的最大最不利正负风压系数.从表中可以很直观地看出，随着工况号的增加，面板1表面的最大最不利正风压系数从4.58减小到2.58，其最大最不利负风压系数从-3.44减小到-2.03.

图7 典型测点脉动风压功率谱Fig.7 Fluctuating pressure coefficients spectra on typical taps

表1 各种工况下面板1表面的最大最不利正负风压系数Tab.1 The largest worst peek pressure coefficients on Panel.1of various conditions

图8 4种工况下面板1表面在所有风向角下的最不利正负风压系数等值线图Fig.8 Worst positive and negative peak pressure coefficient distributions on Panel.1over four conditions

3 结论

（1）对于广告牌沿高层建筑屋顶单边布置情况，斜风时，广告牌面板表面的平均风压系数绝对值均比较大，并且面板边缘附近的平均风压系数绝对值要比面板其他区域大.脉动风压场的整体分布与平均风压场分布规律类似.

（2）当广告牌沿高层建筑屋顶邻边布置、三边布置及四周布置时，面板表面的平均风压系数绝对值相比单边布置时均有不同程度的减小，尤其是面板边缘附近的平均风压系数绝对值有较为显著的减小.此时相邻广告牌面板间夹角处附近的脉动风压较大，易产生局部振动.

（3）广告牌在建筑屋顶不同的布置方式，导致其面板表面的最大最不利正负风压系数是不同的.随着屋顶广告牌数量的增加，其面板表面的最大最不利正风压系数从4.58减小到2.58，其最大最不利负风压系数从-3.44减小到-2.03.

（4）来流方向垂直于广告牌面板时，广告牌沿建筑屋顶的不同布置形式，其面板表面的脉动风压系数功率谱谱型均比较相近.来流方向与广告牌面板斜交时，则有所差异，主要表现在邻边广告牌面板的存在会使另一块面板表面的脉动风压功率谱能量变大，并且更加集中.

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