CAARC 高层建筑标准模型下击暴流风洞试验

辛亚兵 ，刘志文 ，陈浩

［1.风工程与桥梁工程湖南省重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082；2.湖南建工集团有限公司，湖南 长沙 410004；3.湖南建工交通建设有限公司，湖南 长沙 410004］

下击暴流是常见的异特气流，具有局地性、突发性、强破坏性的特点.由于下击暴流冲击而在地面附近产生较强水平气流，对工程结构产生巨大的威胁［1］.2007 年7 月27 日，湖北省武汉市突发雷暴大风天气，造成江夏区、黄陂区大量房屋倒塌［2］.2011 年1月29日，巴西帕拉州贝伦市一栋37层的建筑物因下击暴流发生倒塌［3］.因此开展建筑结构在下击暴流作用下的影响研究对建筑结构的安全十分重要［4］.近年来，国内外学者在研究下击暴流风场特性的基础上，利用平板等装置进行下击暴流边界层风洞试验.相对于下击暴流发生装置（主动控制多风扇风洞［5］、WindEEE 下击暴流实验室［6］和下击暴流喷射模拟试验装置［7-8］），这种试验方法具有建造方便、造价较低的优点，且可模拟较大缩尺比（范围在1∶300 内）的下击暴流风场.

目前已开展了一些下击暴流风场及其对工程结构影响的风洞试验研究.刘慕广等［9］利用导流板进行了缩尺比为1∶50 的稳态雷暴场风洞试验，以某鼓型角钢塔为研究对象，进行了雷暴风和良态B 类场地下的结构响应和风振系数对比分析.研究结果表明：角钢塔结构在雷暴风下的响应平均值、脉动响应一般比 B 类大气边界层风场作用响应高，且雷暴风最大风速处于塔头高度时响应的增幅更显著.钟永力等［10］利用开发的下击暴流试验装置进行了下击暴流非稳态风场风洞试验.研究结果表明：试验模拟的下击暴流时变平均风速较接近实际的下击暴流风速数据.谢壮宁等［11］利用开发的下击暴流试验装置进行了缩尺比为1∶300的下击暴流稳态风场风洞试验.研究结果表明，下击暴流发生的相对位置对结构风压系数影响较小.段旻等［12］利用倾斜平板进行了下击暴流风剖面风洞试验.Butler 等［13］利用平板在美国Notre Dame 大学赫斯特航空航天研究试验室进行了下击暴流稳态风场模拟试验.通过调整平板与来流方向的交角，加速风洞中低部气流，从而形成下击暴流风剖面.Matsumoto 等［14］利用带可开合叶片的百叶窗在直流风洞中进行了下击暴流风场试验，进而研究了圆形和矩形截面构件在下击暴流风场下的风压特性.同样地，Aboutabikh 等［15］利用两层带可开合叶片的百叶窗装置进行了风洞试验，但是Aboutabikh模拟风场的几何缩尺比为1∶1 000，缩尺比相对较小.

本文在前期研究的基础上［16］，以国际标准建筑模型（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council，CAARC）为研究对象，设计并制作了几何缩尺比为1∶200 的试验模型，进行CAARC 模型在下击暴流和大气层边界层风场作用下的风洞试验，并对结构在下击暴流和大气边界层下位移响应进行了分析.研究旨在为工程结构在下击暴流作用下抗风性能研究奠定基础.

1 试验概况

1.1 试验装置

在湖南大学HD-2风洞进行CAARC模型下击暴流风场和大气边界层风场下结构响应试验研究.图1为CAARC 模型下击暴流风场试验照片.下击暴流试验装置由可调节角度的竖向斜板和可开合的水平板组成［16］.通过竖向斜板使风洞中下部气流风速增大，上部气流风速减小，从而形成下击暴流风剖面；通过水平板的开合运动，在下击暴流试验装置下游形成风速的瞬变，从而形成下击暴流瞬态风场.图2 为CAARC 模型大气边界层B 类风场试验照片.来流风速V为均匀来流，位于风洞中下击暴流试验模拟装置的上游.

图1 CAARC模型下击暴流风场试验照片Fig.1 Photo of CAARC model test under the downburst wind field

图2 CAARC模型大气边界层B类风场试验照片Fig.2 Photo of CAARC model test under type B atmospheric boundary layer wind field

1.2 试验模型设计

采用芯钢梁和ABS 板加工制作了试验模型，缩尺比为1∶200.图3 为CAARC 原型与试验模型.原型横截面宽度为30.48 m，长度为45.72 m，高度为182.88 m［17］.由于试验模型具有棱角，故放宽了雷诺数的模拟.表1为CAARC试验模型设计参数.

表1 CAARC试验模型设计参数Tab.1 Design parameters of CAARC test model

图3 CAARC原型和试验模型Fig.3 CAARC standard model of high-rise building and its test model

表2 为CAARC 原型与试验模型前两种模态的频率和阻尼对比情况.由表2 可知，原型与试验模型的理论频率值、有限元计算值和实测值差值较小；此外，绕x轴和y轴一阶弯曲振动模式的阻尼比分别为0.25%和0.49%，因此试验模型满足设计和试验要求.

表2 CAARC原型与试验模型前两种模态的频率和阻尼比Tab.2 Frequency and damping ratio of the first two modes of CAARC prototype and test model

1.3 试验工况

表3 为CAARC 标准模型下击暴流试验工况.CAARC 标准模型试验风偏角如图3（b）所示.采用激光位移计来测试CAARC 标准模型顶部位移响应.在模型顶部截面的长边布置激光位移计2，用来监测模型梁端x方向位移；在模型顶部截面的短边布置激光位移计1，用来监测模型梁端y方向位移，如图1、图2 所示.激光位移计分辨率为0.2 mm，采样频率为200 Hz，可以进行200 mm 长距离测量，试验时设定采样时间为40 s.

表3 CAARC标准模型下击暴流试验工况Tab.3 CAARC standard model downhurst test conditions

2 下击暴流风场试验模拟

2.1 平均风速剖面

图4为沿高度分布的下击暴流风场测点布置图.图5 为试验得到的下击暴流水平风速剖面与经验风剖面对比.由图5 可知，试验得到的下击暴流风速剖面开始时风速随高度的增加而增加，达到一定高度后，风速随高度的增加而减小；大气边界层B 类风场风速剖面随着高度的增加，风速一直随之增加.试验所得下击暴流风剖面与下击暴流经验风剖面两者吻合较好.

图4 下击暴流风场测点布置（单位：mm）Fig.4 Layout of measuring points for the downburst wind field（unit：mm）

图5 试验水平风速剖面与经验风剖面比较Fig.5 Comparison between experimental horizontal wind speed profile and empirical wind profile

2.2 下击暴流试验风速时程

图6 为当来流风速V=8.0 m/s 时，试验得到测点P4 下击暴流瞬变风速.从图6 可以看出，时变平均风速分别在t=11.0 s 和22.0 s 处出现显著峰值.监测点对应的最大瞬时风速为15.0 m/s.此外，第一个峰值的突变持续时间为12 s，对应于原型下击暴流的持续时间为480 s，接近原型下击暴流风速突变的持续时间为5～10 min［18-19］.

图6 下击暴流试验瞬变风速Fig.6 Result of the experimental transient wind velocities of downburst

2.3 下击暴流脉动风湍流度

下击暴流湍流度Iu(t)可表示为：

式中：t为时间参数；σu(t)为脉动风速u在时距T内的标准差为时变平均风速.参考文献［20-21］计算下击暴流风速的方法，取时距T=30 s（折合时距为0.75 s）以计算脉动风速标准差σu(t)和时变平均风速.图7（a）为不同测点试验模拟下击暴流的脉动风速湍流度随时间的变化情况.从图7（a）可以看出，在时间段Ⅱ（7.5～15.0 s）期间，脉动风速的湍流度分别比时间段I 和Ⅲ大.表4 为三个时间段不同监测点脉动风速湍流度特征参数的统计值.由表4 可知，在时间段Ⅰ和Ⅱ中，P1 和P2 的脉动风速的湍流度平均值大于P3～P7 的湍流度平均值.在时间段Ⅱ中，脉动风速的湍流度平均值在0.11～0.20 之间，接近文献［22-23］推荐的湍流度平均值0.05～0.12.湍流度的最大值在0.21～0.38之间.

表4 下击暴流试验脉动风速湍流度的统计参数Tab.4 Statistical parameters of the turbulence intensities of the tested downburst fluctuating wind speeds

图7 下击暴流试验风场湍流度Fig.7 Turbulence intensities of the fluctuating wind velocity of simulated downburst outflow

图7（b）为下击暴流试验风场湍流度与经验湍流度值对比.由图7（b）可知，下击暴流瞬态风速的湍流度大于下击暴流稳态风场湍流度.下击暴流瞬态风场湍流度的平均值约为0.17，略大于经验值Iu=0.08～0.11［24］.此外，下击暴流瞬态风场湍流度最大值的平均值约为0.28，接近文献［25］建议值Iu=0.25.

2.4 下击暴流脉动风功率谱

图8 为来流风速为V=8.0 m/s 时，测点P4 下击暴流瞬态风场测试的风速脉动风功率谱与《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01―2018）［26］推荐的Simiu 谱之对比.由图8 可知，在低频部分，试验脉动风功率谱值比规范谱［26］推荐的Simiu 谱值小；在高频部分，试验脉动风功率谱值比规范谱推荐的Si⁃miu 谱值偏低.

图8 试验脉动风功率谱与规范谱对比Fig.8 Comparison between the tested fluctuating wind powerspectrum under downburst transient wind field and code spectrum

3 CAARC 模型试验结果分析

3.1 位移响应

试验得到下击暴流瞬态风场、稳态风场和大气边界层风场作用下CAARC 试验模型位移响应.图9为CAARC 模型顶部位移响应曲线（风偏角β=0°）.由图9 可知，CAARC 试验模型在下击暴流瞬态风场、稳态风场作用下，模型顶部x、y方向位移幅值变化较大；大气边界层B 类风场下模型顶部x、y方向位移幅值变化较小.以来流风速V=8.0 m/s 为例，试验模型在B-type BL、SD 和TD 风场下x方向的最大位移分别为-4.659 mm、6.142 mm 和-7.755 mm；试验模型在B-type BL、SD 和TD 风场下y方向的最大位移分别为5.279 mm、10.077 mm和7.542 mm.

图9 CAARC模型顶部沿x和y方向位移响应曲线Fig.9 Time histories of the displacements at the top of the CAARC model in x-and y-direction

3.2 位移响应谱

图10 为CAARC 模型顶部位移响应谱.由图10可知，在SD 和TD 风场下，CAARC 模型顶部x方向上的位移响应振幅明显大于在B-type BL 风场下的CAARC 模型顶部x方向上的位移响应振幅.表5 为不同来流风速和不同风场下试验模型位移响应主频频率.由表5 可知：①在相同风场下，不同来流风速下试验模型位移响应主频频率变化不大.②在x方向，在TD 和SD 风场下位移响应主频频率平均值7.8 Hz，等于试验模型实测x方向自振频率7.8 Hz；在B-type BL 风场下，试验模型位移响应主频频率平均值为7.3 Hz，与试验模型实测x方向自振频率相差6.4%，基本接近于试验模型自振频率.③在y方向，在TD 和SD 风场下位移响应主频频率平均值为7.2 Hz、7.1 Hz，与试验模型实测y方向自振频率相差8.8%、10.1%，这是由于试验装置主要模拟水平方向下击暴流风场的缘故；在B-type BL 风场下，试验模型位移响应主频频率平均值为7.6 Hz，与试验模型实测y方向自振频率相差3.8%，基本接近于试验模型自振频率.

表5 不同来流风速和不同风场下试验模型位移响应主频频率Tab.5 Main frequency of displacement response of test model under different incoming wind speeds and different wind fields Hz

图10 CAARC模型顶部沿x和y方向位移响应谱Fig.10 Amplitude spectra of the displacements at the top of the CAARC model in x-and y-direction

3.3 位移响应RMS值

为了研究风偏角对CAARC 试验模型位移响应的影响，分析了风偏角β分别为0°、45°和90°时CAARC 模型的风致振动响应，并计算了模型顶部振动位移响应均方根RMS 值.图11 为在不同风场和风偏角下，CAARC 模型顶部位移响应RMS最大值与来流风速关系曲线.其中横坐标采用无量纲风速V/(fB)、V/(fL)（f为试验模型沿x、y方向的测试频率；模型横截面宽度B=0.15 m，模型横截面长度L=0.23 m），纵坐标采用无量纲位移y/B、x/L.从图11（a）可以看出，随着来流风速的增加，模型顶部x方向脉动风位移响应时变RMS 最大值随之增大.在不同风偏角下，TD 和SD 风场CAARC 模型顶部x方向的位移RMS 最大值显著大于B 类BL 风场下的CAARC 模型位移RMS 最大值.由图11（b）可知，在不同风场和风偏航角下，CAARC 模型顶部y方向位移RMS 最大值表现了类似变化特征.

图11 不同风场和风偏角下CAARC模型顶部位移响应RMS最大值与来流风速关系Fig.11 The maximum RMS displacement at the CAARC model top vs.incoming wind velocity for different wind fields and wind yaw angles

4 结论

利用下击暴流模拟装置在边界层风洞中进行了下击暴流风场试验，在此基础上进行CAARC 试验模型在下击暴流风场和大气边界层B 类风场下风洞试验.可以得到如下结论：

1）开发的基于边界层风洞的下击暴流出流风速模拟试验装置可在大气边界层风洞中进行下击暴流水平风速风场的模拟，可进行建筑结构在下击暴流作用下的风洞试验.

2）在相同风场下，不同来流风速对试验模型位移响应主频频率影响不大.在x方向，在TD 和SD 风场下位移响应主频频率平均值为7.8 Hz，等于试验模型实测x方向自振频率7.8 Hz；在B-type BL 风场下，试验模型位移响应主频频率平均值为7.3 Hz，与试验模型实测x方向自振频率相差6.4%，基本接近于试验模型自振频率.

3）CAARC 试验模型顶部x、y方向脉动风位移响应时变RMS 最大值随来流风速增大而增大.在不同风偏角下，下击暴流瞬态风场、下击暴流稳态风场下试验模型顶部x、y方向的位移RMS 最大值分别大于大气边界层B 类风场下的试验模型顶部x、y方向位移RMS最大值.

需要说明的是，本文研究了CAARC 高层建筑标准模型在下击暴流与大气边界层风场作用下风振响应.后续将对不同风场作用下试验模型风荷载特性作进一步研究.