大开洞对高层建筑风效应的影响研究

陈伏彬 李秋胜

摘要：在大气边界层风洞中开展了在0.5H和0.85H高度设置洞口的高层建筑刚性模型测力试验，获得不同洞口尺寸、高度、位置以及数量时的高层建筑风致基底反力.从基底弯矩系数和基底一阶广义气动力谱研究了不同洞口设置对高层建筑风效应的影响.研究结果表明：1）顺风向开洞能有效地降低顺风向基底平均弯矩，并且上部开洞效果优于下部开洞，开洞率越大效果越明显；横向基底平均弯矩比较小，大开洞提高基底横向平均弯矩，小开洞则相反；开洞对横风向与顺风向的基底脉动弯矩都有较大影响.2）不管是大开洞还是小开洞，在折算频率约为0.12位置处，均出现了与旋涡脱落频率相近的窄带峰值，且不同工况下，低频段的功率谱值差异略大于高频段.

关键词：开洞；高层建筑；风效应；风洞试验；高频测力天平

中图分类号：TU973 文献标识码：A

随着社会与经济飞速发展，在经济发达的城市建造了大量地标性的超高层建筑.随着建筑造型的不断丰富，到目前为止也建设了不少开设洞口的超高层建筑.如：日本NEC大厦在建筑物中部13～15层设置了一个44.6 m×12.6 m大的洞口＼[1＼]；我国上海的环球金融中心在顶部设置了一个大梯形孔（上边长约172 m，下边长约135 m，高约120 m）＼[2＼]；广州珠江城烟草大厦在两个设备层位置设置了4个洞口，并安装了风力发电机用于发电＼[3＼].对于超高层建筑而言，风荷载是其主要的控制荷载，现有的荷载规范不能完全给出合适的风荷载条件，因此对于超高层建筑的风荷载特性的研究就尤显重要.超高层建筑在不同的风场条件的风致荷载及其响应有较大差异＼[4＼]，一般可通过改变建筑造型以及结构优化计算来提高其抗风性能＼[5＼].

超高层建筑中开设洞口的目的各异，有的是为了建筑造型＼[1-2＼]，有的是为了节能与风力发电＼[3＼].但洞口设置的位置、大小、高度等都可能对结构的风致荷载产生影响.Kwok等＼[6＼]针对立面开洞的CAARC标准模型进行了风洞实验研究，指出水平双向开洞能够显著减小建筑顺风向与横风向的风荷载与风致响应.Kikitsu等＼[7＼]进行的减少高层建筑气动力响应的风洞试验结果表明：开洞在一定范围内能显著改变高层建筑的气动力特征；合理开洞可以有效降低结构在一定风速范围内的风致气动力响应，提高结构的临界风速，避免结构在使用过程中发生风致失稳振动.张耀春等＼[8-10＼]通过数值模拟＼[8＼]和风洞试验＼[9-10＼]对开洞高层建筑的静力风荷载进行系统的研究，指出当风向与开洞方向平行时，结构平均风荷载降低，但局部风压较大，将洞口开在建筑物上部对减小风荷载最为有利.李秋胜等 ＼[11-13＼]以广州烟草大厦为研究背景，研究了洞口中设置风机对结构风荷载的影响以及通过设置洞口进行风力发电的可行性，研究结果表明：风机的存在能增加基底反力；洞口具有风速放大的作用，其对风力发电是有利的.

本文以自行设计的2栋超高层开洞建筑（截面边长为36 m×36 m，高180 m）为研究对象，在边界层风洞中开展测力试验，研究不同开洞位置及开洞率对结构整体风荷载的影响.

1试验介绍

1.1试验模型

两个测力模型实际结构截面：长36 m， 宽36 m， 高180 m，其高宽比为5.在模型0.5H以及0.85H高度处的4个侧面分别开设洞口，洞口相互连通.模型采用轻质航空木板以及泡沫塑料填充制成，几何缩尺比为1∶300.模型1（M1）为大开洞，洞口尺寸为12 m×12 m；模型2（M2）为小开洞，洞口尺寸为6 m×6 m.模型几何参数如图1所示.通过对洞口进行封堵可实现不同侧面上的开洞工况.

本文以自行设计的2栋超高层开洞建筑（截面边长为36 m×36 m，高180 m）为研究对象，在边界层风洞中开展测力试验，研究不同开洞位置及开洞率对结构整体风荷载的影响.

1试验介绍

1.1试验模型

两个测力模型实际结构截面：长36 m， 宽36 m， 高180 m，其高宽比为5.在模型0.5H以及0.85H高度处的4个侧面分别开设洞口，洞口相互连通.模型采用轻质航空木板以及泡沫塑料填充制成，几何缩尺比为1∶300.模型1（M1）为大开洞，洞口尺寸为12 m×12 m；模型2（M2）为小开洞，洞口尺寸为6 m×6 m.模型几何参数如图1所示.通过对洞口进行封堵可实现不同侧面上的开洞工况.

1.2风场条件

测力试验在湖南大学HD2边界层风洞高速试验段进行.地貌类型按国家《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）＼[14＼]中规定的B类地貌考虑，地貌粗糙度系数（指数律）α=0.16.在试验之前，首先以二元尖塔、挡板及粗糙元来模拟B类地貌的风剖面、湍流度剖面分布以及参考点高度处来流顺风向归一化功率谱，如图2所示.参考点设置在前方不受扰动且与目标建筑物等高的位置处（即60 cm高度处），参考点风速为7.7 m/s.1.3试验工况

在两个测力模型上通过对洞口的封堵，实现了超高层建筑未开洞（全封闭）、上部开洞、下部开洞、全开洞等14种工况.各种测力试验工况汇总如表1所示.

2.1弯矩系数

根据动态测力天平原理，天平获得的基底弯矩就是模型的一阶广义风荷载.试验中获得的基底弯矩平均分量与脉动分量分别记为x， y和x， y.则其平均风荷载和脉动风荷载下的无量纲弯矩系数CmMx，CmMy和CrMx，CrMy分别定义如下：

CmMx=xρU2HBH2/2，CmMy=yρU2HBH2/2；（1）

CrMx=xρU2HBH2/2，CrMy=yρU2HBH2/2.（2）

式中：B和H分别是模型迎风面的宽度和高度；UH是模型顶部高度处的平均风速.表2～表5列出了不同开洞工况下无量纲基底弯矩系数.

表2基底顺风向平均弯矩系数

Tab.2Basement mean bending moment coefficients

at alongwind direction

从表2可以看出，全封闭工况下基底平均弯矩系数为0.749；顺风向侧面大开洞明显降低了顺风向的基底弯矩，3种工况下降幅为10.8%～14.5%，开洞率越大其降幅越大，且上部开洞略高于下部开洞；顺风向小开洞也有与大开洞相同的趋势，但是其降幅较小，约为3%～4%.从表2亦可发现，横风向侧面开洞亦影响到顺风向基底弯矩，大开洞使得基底平均弯矩有所增大，然而小开洞使得其有一定减小；横向开洞率越大，对顺向基底平均弯矩影响也越大，且上部开洞效果更为明显.

从表3可以看出，基底横风向平均弯矩远小于顺风向基底平均弯矩，这主要是因为作用于侧面上的风荷载主要是由于气流的分离引起的，而顺风向风荷载则是由于迎风面空气颗粒直接撞击建筑物表面和背风面空气尾流引起的；开洞率越大对横风向平均风载的影响越大；大开洞情况下提高了基底横向平均弯矩系数，且顺风向开洞更明显于横向开洞；不管是何种小开洞情况，均降低了横风向平均基底弯矩，但基本是保持同一水平.

从表4与表5可以看出，不管是大开洞还是小开洞工况，开洞均提高了顺风向基底脉动弯矩系数，提高的幅度基本相当；开洞对基底横风向脉动弯矩影响较大，特别是横风向上下部开大洞工况.

2.2横风向基底一阶广义气动力谱

本节讨论模型横风向基底一阶广义气动力功率谱，分析中采用归一化的基底弯矩功率谱密度.横坐标为无量纲频率fB/UH（其中，B为模型迎风面宽度，UH为模型顶部风速），纵坐标为无量纲功率谱密度fSM（f）/σ2M（其中，SM（f）为基底弯矩功率谱密度，σM为基底弯矩根方差）.

图3与图4分别给出了大开洞与小开洞各工况下横风向基底一阶广义气动力谱.从图3与图4可以看出，在折算频率约为0.12位置处，各种工况下均出现了与旋涡脱落频率相近的窄带峰值；在低频段（折算频率小于0.12），归一化功率谱值随着开洞工况的不同有较为明显的差异，而在高频段（折算频率大于0.12），其值差异较小.

为了更好地比较相同开洞率下不同开洞形式对横向基底弯矩的影响，图5给出了4种开洞率下的横风向基底一阶广义气动力谱.从图5可以看出开洞率越大，开洞形式对基底气动力谱影响也越大；在低频段（折算频率小于0.12）横风向开洞能使横向风载能量更为集中，即其峰值尖峰更为突兀；而对于高频段能量较为相近.

2.3顺风向基底一阶广义气动力谱

研究表明，横风向气动力主要是与旋涡脱落、再附有关，顺风向气动力主要是来自来流空气微粒的撞击与尾流引起，其气动力谱和来流的脉动风速谱较为相近.从上节对基底横风向平均弯矩系数分析可知，单个洞口的大小对横风向基底平均弯矩影响较大，故本节选取大开洞与小开洞的最大开洞率时的工况为研究对象，分析不同洞口朝向对顺风向基底一阶广义气动力谱的影响.

图6分别给出2种开洞率下与全封闭工况（工况L7，S7） 的基底气动力谱.从图6可以看出，顺风向基底弯矩功率谱较为平坦，且与来流脉动风速谱较为相似；顺风向开洞对降低顺风向基底弯矩更为明显，且开洞率越大其降幅越明显.

3结论

本文针对2个在0.5H和0.85H高度开设洞口的超高层模型开展动态测力试验研究，分析了洞口对基底弯矩系数与基底一阶广义气动力谱的影响，得出以下结论：

1） 测力试验表明，顺风向开洞能有效地降低顺风向基底平均弯矩，并且上部开洞优于下部开洞，开洞率越大效果越明显；横风向基底平均弯矩比较小，大开洞可提高基底横向平均弯矩，小开洞的结果则相反.

2）开洞对横风向与顺风向的基底脉动弯矩都有较大影响，特别是开洞率比较大的情况.

3）不管是大开洞还是小开洞，在折算频率约为0.12位置处，均出现了与旋涡脱落频率相近的窄带峰值，且不同工况下，低频段的功率谱值差异略大于高频段.

4）开洞率对基底横风向能量分布影响较大，顺风向基底弯矩功率谱较为平坦，且与来流脉动风速谱较为相似；顺风向开洞对降低顺风向基底弯矩更为明显，且开洞率越大其降幅越明显.

5）由于高层建筑风效应与其高宽比、边长比密切相关，本文针对高宽比为5的方形高层建筑在开洞情况下的荷载效应属于其中一个特例，相关内容仍需要开展大量的研究工作，本文的研究方法可为其他类似开洞建筑的设计提供参考.

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