稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究

邹鑫　汪之松　李正良

摘要：雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性，采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场，进行高层建筑刚性模型测压试验，讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明：建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时，迎风面风压最大值出现在底部，明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性；径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部，横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变，而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.

关键词：冲击射流模型；高层建筑；刚性模型；风荷载特性；雷暴冲击风

中图分类号：TU312.1； TU973.32 文献标识码：A

Abstract：Downbursts are dramatically different from the atmospheric boundary layer. To investigate the wind load characteristics of highrise building in thunderstorm downbursts， a static impinging jet was used to simulate the thunderstorm downburst. Rigid model manomeric test was carried on a highrise building. Both local and overall wind load characteristics were discussed in time domain and frequency domain. The results indicate that the position of the maximum mean surface pressure is consistent with the peak radial velocity. Meanwhile， the maximum surface pressure on the windward side is located at the bottom of the building， obviously different from the top part tested in atmospheric boundary layer wind field. The maximum mean radial wind load of each layer is located at the middle of the building. And the mean wind load is 0 at the crosswind and torsional direction. Wind load spectrums of each layer keep unchanged along the height at the radial and crosswind direction. But wind load spectrums changes obviously at the twist direction.

Key words： impinging jet model； highrise building； rigid mode； wind load characteristic； thunderstorm downburst

目前结构抗风设计一般依照大气边界层风场进行，对建筑结构风荷载特性的研究也主要集中在边界层风场作用下[1-2].然而根据相关统计资料[3]，一个地区的极值风速往往不是由大气边界层风场决定的，而是产生于雷暴冲击风等极端天气气候.因此，对雷暴冲击风作用下建筑风荷载特性的研究显得尤为重要.

近几十年来，国内外学者对雷暴冲击风的研究着重于风场特性方面[4-8]，对建筑结构风荷载特性的研究相对较少.Letchford和Chay[9-10]分别测试了静止型冲击射流风场和运动型冲击射流风场中，小立方体表面压力分布.陈勇[11-12]对球壳型屋盖和拱形屋面进行稳态冲击射流试验，研究了不同结构参数对表面风压分布的影响，并采用kε湍流模型进行数值模拟，结果与试验较为吻合.汤卓[13]通过静止型冲击射流试验研究了双坡屋面在雷暴冲击风作用下风压分布特性.以上研究主要以低矮结构为主，而对于高层建筑的风荷载特性研究则相对较少.Sengupta和Sarkar[14]通过冲击射流试验研究了立方体高层结构表面风压情况，并与数值模拟结果进行了对比.赵杨[15]利用主动控制风洞模拟下击暴流风速剖面，并通过刚性模型测压试验研究了高层结构空气动力学参数变化情况.Kyle和曹曙阳[16]同时进行大气边界层风场和雷暴冲击风风场作用下高层建筑测压试验，试验结果表明两种风场作用下高层建筑表面压力分布特征差异明显.吉柏锋、瞿伟廉[17]以CAARC高层建筑标准模型为研究对象，采用数值模拟的方式模拟了下击暴流风场中高层建筑表面风压分布情况.

本文采用静止型冲击射流装置模拟雷暴冲击风风场.进行高层建筑刚性模型测压试验，考察了高层建筑风荷载特性.对试验结果进行统计分析，为实际高层建筑雷暴冲击风抗风设计提供一定参考.

1试验概况

1.1冲击射流装置

冲击射流装置如图1所示.控制射流直径Djet=600 mm，射流高度H=1 160 mm，射流速度vjet≈12 m/s.

1.2刚性模型及地形参数

刚性模型几何缩尺比1∶1 000，模型尺寸0.05 m（b）×0.05 m（d）×0.1 m（h）.刚性模型四面（A，B，C，D面）及顶面（S面）均匀布置105个测压孔.模型表面测压孔布置如图2所示.

2试验结果及讨论

2.1径向风速剖面

采用热线风速仪测试不同径向位置处径向风速.图4给出了试验测得的不同径向位置处无量纲风速剖面与国外学者试验和现场实测结果的对比.由图可见，风场测试结果与国外学者的研究结论较为吻合.

图6给出了刚性模型位于不同径向位置时，沿来流方向中心线上测孔的平均压力系数.横坐标0-1代表迎风面，1-2为顶面，2-3代表背风面.总体来说，建筑表面风压特性与其所处风场位置相关.建筑所处径向位置越远，建筑表面压力系数绝对值越小.迎风面压力系数均为正值，随着高度的增加，压力系数先增大，之后减小.迎风面中线压力系数最大值出现在建筑底部，与建筑所处径向位置风场一致，明显有别于边界层风场中典型高层建筑表面风压最大值靠近顶部位置的分布形式.顶面和背风面均为负压，顶面压力系数绝对值在靠近迎风面一侧较大，随着位置远离迎风面，压力系数绝对值逐渐减小.背风面压力系数绝对值呈现出下部小，上部大的分布特征.

建筑在r=1Djet位置处表面风压最大，图7给出了建筑位于该位置时，平均和根方差压力系数云图.由图7（a）可以发现，迎风面均为正压，平均压力系数底部大，上部小，中间大，两侧小.最大平均压力系数接近1.0，与射流口速度压力相当.侧风面和背风面均为负压.侧风面平均压力系数绝对值上部大，下部小，靠近迎风面一侧较小，靠近背风面一侧较大.背风面平均压力系数分布较为均匀，压力系数绝对值呈现上部大，下部小的趋势.

由图7（b）可知，迎风面根方差压力系数分布规律与平均压力系数分布相似，根方差压力系数最大值约为0.15.侧风面根方差压力系数在靠近迎风面一侧较小，靠近背风面一侧较大.背风面根方差压力系数底部较小，而上部较大.压力系数根方差最大值出现在侧风面底部，靠近背风面一侧.

实际雷暴冲击风风场近地面风速远远高于大气边界层风场，并且计算冲击射流试验压力系数的参考点与常规大气边界层也不一致，难以在数值上对两者进行比较.本文对两种风场中平均和根方差压力系数分布情况进行对比.图8为文献[21]给出的大气边界层风场中高层建筑表面压力系数分布.对于平均风压系数，雷暴冲击风作用下迎风面风压下部大，上部小，其分布形式与大气边界层风场正好相反.侧风面负压绝对值在靠近迎风面一侧较小，靠近背风面一侧较大，也与大气边界层风场不同.边界层风场中背风面风压均值较为均匀，沿高度变化很小，而雷暴冲击风风场中背风面风压均值沿高度变化明显.

两种风场作用下，根方差压力系数分布同样具有明显差别.雷暴冲击风风场中，迎风面根方差压力系数下部大，而上部小，与边界层风场相反.边界层风场中背风面脉动压力系数沿高度变化较小，而雷暴冲击风风场下背风面脉动风压沿高度变化明显.

定义建筑表面两测点相关系数为：

cor=σij/σiσj （3）

式中：σij为i，j两测点的风压协方差；σi，σj分别为i，j两测点风压根方差.图9给出了建筑各面中心线上测点相对于该面底层测点的脉动风压相关系数.总体来讲，脉动风压竖向相关系数随着两点间距离的增加而减小.迎风面测点相关系数在较低的2～4层几乎完全相关，而在较高位置处，相关程度逐渐降低，直至在7，8层位置处出现与底层测点负相关.侧风面测点相关系数均为正值，且随着高度的增加线性递减.在较低2～4层，相关性小于迎风面测点，而在较高位置处，侧风面测点脉动风压相关性要高于迎风面测点.背风面测点相关系数均为正值，并且在底部衰减速度高于迎风面和侧风面，但5～8层测点相关系数几乎不变.

2.3建筑整体风荷载特性

以建筑中段第5层测点为对象来考察建筑表面风压水平相关性.表1给出了第5层各测点相关系数，测点编号见图2所示.由表1可知，同面测点相关系数均为正值，侧风面的水平相关性最高，迎风面次之，背风面最低.迎风面测点与侧风面和背风面测点均为负相关，且负相关程度相近.侧风面和背风面各测点压力相关系数均为正，且同面测点压力相关性较高，侧风面测点与背风面测点之间压力相关性较低.

图11给出了建筑位于不同径向位置时，各层径向层阻力系数.建筑处于不同径向位置时，径向层阻力系数沿高度方向均呈现先增大后减小的趋势.随着建筑远离射流中心，各层径向层阻力系数逐渐减小.在r=1Djet处，径向层阻力系数最大值出现在第5层，而该处风场最大值出现在高度较低的第2层附近，说明径向风阻力除包含来流风场的能量外，还同时包含了由于建筑断面产生的扰流涡旋能量.

对各层层风荷载系数时程进行功率谱变换，得到高层建筑不同高度处层风荷载系数谱.当建筑位于r=1Djet处，各层层风荷载系数谱如图14所示.径向层风荷载系数谱形状沿高度基本不变.各层径向谱均存在单一峰值，且峰值均出现在相同折算频率附近.横风向谱沿高度几乎不变，各层峰值频率略微高于径向谱.在建筑下部1～5层，扭转向谱“尖峰”不明显，峰值附近谱曲线较为平缓.而在较高的6～8层，谱存在明显单一峰值，带宽变窄.

若σij为i，j两层的风压协方差；σi，σj分别为i，j两层风压根方差，则式（3）可以表示建筑层风荷载竖向相关系数.图15给出了最底层层风荷载相对于其他各层荷载的竖向相关系数.总体来讲，层风荷载竖向相关系数均为正，并且均随着层间距离的增加而减小.横风向相关系数沿高度衰减较慢，扭转向相关系数衰减最快，径向相关系数衰减速度介于前两者之间.

3结论

通过静止型冲击射流试验模拟雷暴冲击风风场，对位于不同径向位置的高层建筑刚性模型进行测压试验，研究稳态雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性，结果表明：

1）随着建筑远离冲击射流中心，建筑所受风荷载逐渐减小.平均风荷载最大值出现在r=1 Djet径向位置处，与径向风速最大值位置相同.

2）雷暴冲击风作用下建筑表面压力均值和根方差分布与大气边界层风场作用下相比差异较大.

3）建筑各高度处径向层风荷载最大值与径向极值风速出现的高度有差异，大致出现在建筑中部.这个现象表明径向风阻力除了包含来流风场的贡献外，同时还包含了由建筑扰流产生的作用.另外，在各个径向位置下，建筑在横风向和扭转向各层风荷载均值均为0.

4）径向和横风向层脉动风荷载系数谱形状沿高度几乎不变.各层径向荷载谱均存在单一峰值，且峰值对应的折算频率较为接近.横风向谱各层峰值频率略微高于径向谱.建筑下部扭转向谱峰值附近较为平缓，上部“尖峰”明显，带宽变窄.

5）建筑表面脉动风压的竖向相关性随着距离的增加而减小.同面测点之间的脉动风压水平相关系数均为正值，侧风面的水平相关性最高，迎风面次之，背风面最低.

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