群体超高层建筑风致扭转干扰效应研究

于怀懿　鄂玉良



群体超高层建筑风致扭转干扰效应研究

于怀懿1鄂玉良2

（1.深圳市西丽街道办事处, 广东深圳 518000；2. 深圳市福田区建筑工务局,广东深圳 518000）

文章通过同步测压风洞试验，详细研究了六种不同宽度比、四种不同高度比的单个施扰建筑在B类地貌三种不同湍流度中对下游受扰建筑峰值基底扭矩的干扰效应，并单独对并列位置的扭转干扰效应进行了详细分析。研究表明，超高层建筑扭转干扰效应非常显著，基本配置最大扭转干扰因子达到2.8，宽度比为0.4时发生涡激共振，其最大干扰因子高达2.89，并通过涡激共振原理分析得到了宽度比和基本风压的关系。并列位置最大干扰因子达到1.38。

同步测压技术；超高层建筑；风洞试验；峰值基底扭矩；干扰效应；涡激共振

引　言

随着城市化进程的加快，城市中心超高层建筑群逐渐增多，建筑之间的相互干扰作用使得建筑所承受的风荷载比单体情况显著增加，并且变得复杂。尤其随着人类对建筑外形美的追求，建筑截面不再单一简单，干扰作用下扭转荷载对超高层建筑的作用更加明显。近年来，高层建筑干扰效应研究已成为国际风工程研究的热点之一，顺风向和横风向干扰效应已经比较成熟，但是对扭转干扰效应的研究比较少且并不系统。

BLESSMANN(1985)[1]等通过对测压数据进行表面积分的方法以相邻建筑间的平均扭矩为对象进行干扰效应研究，马健[2]研究了同轴双方柱平均扭矩气动力荷载的相互干扰。THORODDSEN S T(1985)[3]等利用动态测力天平技术研究了方形建筑对不同截面形状的受扰建筑上游少量位置的干扰效应，得到平均和脉动扭矩风荷载。ZHANG W J(1995)[4]等利用气弹模型技术研究了不同截面的偏心结构之间的干扰效应，但是其结果仅局限于试验所选取的结构特性。黄鹏[5]采用动态测力天平技术两个完全一样的方形建筑在不同风场和风向角下的平均、脉动及峰值扭转风荷载的干扰效应，但是施扰建筑只有一个。

气弹模型方法可以直接测量结构响应功率谱，但是其结果与模型的结构特性有关。高频底座天平方法由于采用刚性模型因而试验结果仅与建筑气动外形有关，但是必须满足第一阶摆振振型随高度线性变化以及摆振和扭振振型相互正交等假设，否则需对结论进行修正。采用同步测压技术，通过高频压力积分(HFPI)方法克服了以上缺陷。本文采用同步测压技术研究了6种不同宽度比、4种不同高度比的施扰建筑在B类地貌三种不同湍流度的流场中的干扰试验，分析了不同基本风压对干扰效应的影响，并通过分析涡激共振机理得到了宽度比和基本风压的关系。此外，对并列位置的相同建筑之间的干扰效应进行了研究。

1　基本试验及方法

1.1试验内容

本论文试验是在汕头大学STDX-1风洞主试验段进行，该试验段宽3m，高2m，长20m，风速连续可调，最大风速可达45m/s。根据我国《建筑结构荷载规范》[6]模拟了B类地貌下三种不同湍流度的流场(H、L、SL)[7]。受扰建筑模型设计为100mm×100mm×600mm，模型缩尺比为1:400，响应分析中假定其原型扭转方向的一阶固有频率为0.35Hz，相应的模态阻尼比为0.035，峰值因子按照Davenport提出的表达式估算。受扰建筑模型共布置7×4×7=196个测点，如图1所示。采用与受扰建筑模型同高不同宽(宽度为0.4b、0.6b、0.8b、1.0b、1.2b、1.4b，其中b代表受扰模型宽度)和同宽不同高(高度为0.8h、1.0h、1.2h、1.4h，其中h代表受扰模型高度)的施扰模型。

试验时，在B类地貌三种不同湍流度下通过导轨系统移动施扰建筑位置，双柱体干扰试验移动网格系统见图2，并列位置干扰试验工况布置见图3。图中□表示施扰建筑模型，表示固定于坐标原点的受扰建筑模型。

1.2干扰效应的量化方法

为了方便工程师在进行建筑结构设计时对干扰作用下的总荷载有个单一而可靠的参考，本文以峰值基底扭矩为研究对象，定义扭转干扰因子为：

由于结构响应0和参考高度风压有关，因而动态的干扰因子必然也和参考高度风压有关。为了简化结果，参考谢壮宁[9]的方法，取以上干扰因子在基本风压范围内的包络值来衡量结构的干扰响应：(2)

图1.受扰建筑模型测压孔位置图

图2.双柱体干扰试验中施扰模型移动坐标网格图

图3.并列干扰试验工况布置图

2　试验结果与分析

2.1基本配置在不同基本风压下的结果

基本配置是指施扰建筑与受扰建筑高宽完全一样的情况。在湍流度L中考虑六种不同基本风压干扰因子的回归关系，为相应其他基本风压的回归结果，从结果来看，显示了不同基本风压下干扰因子良好的回归结果，相关系数在0.93以上，基本风压越接近，相关性越好。

从图4中还可以看出，随着基本风压的减小，干扰效应也相应减小，但是减小的幅度很小，且得到w0=0.7与0.6、0.5与0.4的回归直线几乎重合。可见，参考风压对扭转干扰效应的影响甚小。

图4.不同基本风压干扰因子回归结果

2.2基本配置在不同湍流度中的结果

总体来看，湍流度越低干扰效应越显著，湍流度SL下干扰对响应的放大作用是湍流度H下的3倍，最显著干扰区域随着湍流度的增加向x轴负方向靠拢。在{x=1.5～2,|y|=1.5～2.7}内干扰因子随着湍流度的增加，其干扰因子最小值从0.6变化到1.0，斜上方干扰作用的“遮挡效应”逐渐消失。在串列位置，随着湍流度从SL向H变化，干扰效应从增加基底峰值扭矩向减小基底峰值扭矩转变，在x=3处，最小干扰因子从1.5转变为0.8，说明湍流度对串列位置的干扰效应有质的转变。

图5.B类地貌湍流度SL下干扰因子分布图

图6.B类地貌湍流度L下干扰因子分布图

图7.B类地貌湍流度H下干扰因子分布图

2.3施扰建筑宽度的影响

当宽度比等于0.4时，干扰因子分布规律与其他宽度比很不一样，最显著干扰点在串列位置上，且其干扰效应增加的基底扭矩是其他宽度比的3倍以上，当x=3，取得最大干扰因子，其值为2.89。且在串列位置，随着x的增加，干扰因子先从1增加到最大值，然后又逐渐减小，增大的过程中增速很大，减小的过程中减速较小，当x>7，干扰因子小于1.2。在{x=1.5～5.0,y=-1.5～0}内，干扰效应尤其显著，干扰作用使得受扰建筑基底峰值扭转增加50%以上。

图8.

图9.

图10.

图11.

图12.

图13.

2.4涡激共振机理分析

当涡脱频率与结构固有频率相等时，结构发生涡激共振，已知方形结构的斯托罗哈数在0.1左右，本文取为0.09，得到折算风速与结构迎风面宽度的关系为：

表1.基本风压（kN/m2）和折算风速（m/s）

0.90.850.80.750.7 4.54.44.24.14.0 0.650.60.550.50.4 3.83.73.53.43.0

表2.不同宽度比施扰建筑的尾流涡激共振折算风速（m/s）

0.40.60.81.01.21.4 4.446.678.8911.1113.3315.55

依照上述结果，便能很好地解释为什么只有在宽度比为0.4时发生了涡激共振现象。现将干扰最显著的施扰点（x=3,y=0）单独对不同基本风压下的干扰效应进行分析，用来验证发生涡激共振时的基本风压大小，结果如图14所示。当基本风压等于0.85时，干扰因子取得最大值2.89，此时发生最明显的涡激共振现象，基本风压越接近0.85，其干扰因子越大。且随着基本风压的增加，在没有发生涡激共振之前，干扰效应随基本风压的增加而增加，当基本风压大于0.85，干扰效应减弱。

对照基本风压对基本配置的干扰效应，可以发现，基本风压对能发生涡激共振的宽度比施扰建筑的干扰效应影响要大很多，发生涡激共振时基本风压对应的干扰因子是最小基本风压下干扰因子的两倍以上。

图14.典型施扰点不同基本风压下干扰因子大小

2.5施扰建筑高度的影响

研究表明，不同高度比的干扰因子存在很好的线性相关性，以基本配置为基准对不同高度比干扰效应进行鲁棒回归分析得到图 15、图16和图17。结果表明，宽度比小于1的相关系数为0.88，高度比大于1的相关系数在0.97以上，说明高度比大于1时，其相关性很好。高度比越大，回归直线的斜率越大，干扰效应越显著，此外，随着宽度比的增大，回归直线的斜率增速减慢。不同高度比与基本配置的回归关系如式(4)(5)(6)。这样就大大简化了试验数据，并可以此估测其他高度比的干扰效应。

图15.高度比1.0和0.8的回归结果

(4)

图16.高度比1.0与1.2的回归结果

(5)

图17.高度比1.0与1.4的回归结果

(6)

3　并列位置干扰效应

并列位置干扰效应产生的机理与上游施扰建筑产生的干扰效应不同，后者主要是由于上游建筑脱落的旋涡增加或削弱了尾流的脉动成分，而并列位置干扰效应主要是因为施扰建筑与受扰建筑之间的峡管效应，由于施扰建筑的干扰使得受扰建筑背风面及侧面风压分布不均造成的。针对这一情况，本文单独对一个施扰建筑和两个施扰建筑的并列位置干扰效应在湍流度L和H中进行了详细的研究。

在绘制两个施扰建筑在并列配置下干扰因子等值图时，为了更直观地表达施扰建筑间距对顺风向、横风向、扭转方向干扰效应的影响，本文在干扰因子分布图中将y轴负方向绕原点旋转90°，原点坐标为(y,-y)=(1.2,-1.2)。

3.1一个施扰建筑的干扰结果

单个施扰建筑在并列位置的干扰效应如图18所示，研究发现，湍流度L下的干扰效应普遍比湍流度H下干扰效应明显，且所有干扰因子都大于1。随着施扰建筑与受扰建筑间距的增加，风致扭转干扰效应递减，当y=1.2，湍流度L下干扰因子取得最大值1.38，湍流度H下干扰因子取得最大值1.31。从曲线递减规律来看，当y>5，干扰因子递减的速度比y<5的干扰因子递减速度小1/2。

将并列位置扭转干扰因子拟合成二次多项式，可把两种不同湍流度下的干扰因子曲线表达成下述函数：

图18.单个施扰建筑干扰因子分布图

图19.湍流度L中两个施扰建筑干扰因子分布图

图20.湍流度H中两个施扰建筑干扰因子分布图

3.2两个施扰建筑的干扰结果

本文研究了B类地貌下湍流度L和H两种风场中两个施扰建筑在并列位置的扭转干扰效应，干扰因子分布图如图19和图20所示。结果表明：(1)扭转干扰效应主要由与施扰建筑较近的施扰建筑控制，当较近施扰建筑固定时，较远施扰建筑位置变化对干扰作用的影响甚微。(2)当与施扰建筑较近的受扰建筑之间的间距小于4时，干扰效应比其他位置显著，尤其在最近建筑间距为1.5～3之间时，峡管效应对受扰建筑基底扭矩的干扰作用最明显，低湍流场中最大干扰因子出现在（1.5，3.5）处，最值为1.41，高湍流场中最大干扰因子出现在（2.0，7.5）处，其值为1.36。(3)当两施扰建筑离受扰建筑的距离都大于4.5b之后，干扰因子稳步在1.1。(4)并不是施扰建筑离受扰建筑越近干扰效应越明显，当两施扰建筑与受扰建筑的间距均小于2.0时，干扰效应并不明显，而且在湍流度H的流场中，此范围内干扰效应减弱了受扰建筑的基底扭矩。(5)与一个施扰建筑并列位置干扰效应进行比较，发现最大的区别是两个施扰建筑干扰时，当较近施扰建筑处于y=1.2处，干扰效应较小，当y=1.5~2.0之间时，干扰效应最显著。(6)湍流度越低，两个施扰建筑显著干扰区域的干扰效应越显著。

4　结　语

(1)基本配置下，湍流度L中最大干扰因子为1.7，要尤其注意施扰建筑位于区域{x=3~7,|y|=0.9}的扭转干扰效应。

(2)施扰建筑宽度比对干扰效应的影响较大，干扰作用随宽度比的增加而增加，但是当发生涡激共振现象时，干扰效应分布规律发生改变且最显著干扰点的基底峰值扭矩是非共振情况的5倍之多，涡激共振时与临界基本风压越接近，干扰效应越显著。不同高度比之间的干扰效应存在较好的线性相关性，高度比越大，干扰效应越显著，且高度比大于1时施扰建筑对扭转干扰效应的影响相对较小。

(3)单个建筑在并列位置施扰时，随着施扰建筑与受扰建筑距离的增加扭转干扰效应逐渐消失。两个施扰建筑分别布置在受扰建筑两侧时，干扰效应主要由离受扰建筑更近的施扰建筑控制，且显著干扰效应出现在|ymin|={1.2~3}处。

[1]BLESSMANN J,RIERA J D.Wind excitation of neighbour-ing tall buildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic ,1985,18:91-103.

[2]马健,郭明民,徐有恒.同轴双方柱气动力载荷的相互干扰[J].力学季刊,2000,23(3):365-370.

[3]THORODDSEN S T,CERMAKJ E,PETERKA J A.Mean and dynamic wind loading caused by an upwind structure [A].Proceedings of 5th U. S. National Conference on Wind Engineering[C].Lubboch,USA,1985:4A27-4A280.

[4]ZHANGWJ,XU YL,KWOK K C S.Interference effects on aeroelastic torsional response of structurally asymmetric tall buildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic,1995,57:41-61.

[5]黄鹏,顾明.高层建筑风致扭转干扰效应研究[J].建筑结构学报,2005,(4).

[6]A.G.Davenport, The Application of Statistical Concepts to the Wind Loading of Structures,Proc.Instn. Civ.Engnrs,vol 19,Aug.1961,pp.449-472.

[7]谢壮宁,顾明,任意排列双柱体的风致干扰效应[J].土木工程学报,2005,(10).

（责任编校:何俊华）

2017－03－25

于怀懿（1986－），男，湖南永州人，工学硕士，工程师，研究方向为工程结构抗风。

TU8

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1673-2219（2017）06-0067-05