密排式建筑百叶风荷载风洞试验研究

李仁杰 （广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006）

1 引言

据统计，现代社会的三大能耗中，建筑能耗占比高达40%以上[1]。目前，特别是在南方地区太阳辐射较强，为降低建筑内制冷能耗，大量建筑采用百叶窗遮阳。除此之外，百叶常用于高层建筑的围护结构，起到装饰作用，用于冷却塔底部，起到散热作用[2]。百叶窗结构主要由并列多片小间隔斜置薄壁翅片组成，翅片多由轻质合金制成，导致翅片具有较强的柔性和弹性，在一定风速下会产生较大的风致振动和变形甚至破坏[3]。《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）给出边棱处的装饰条等突出构件的局部体型系数取值，实际工程中若采用边棱处突出构件的设计风荷载进行设计，会导致非边棱处突出构件的设计风荷载过于保守，影响设计的经济性[4]。

相关学者们对建筑百叶风荷载进行了诸多研究。张永飞等[5]基于刚性测压风洞试验对大型间冷却塔百叶窗风荷载进行研究，总结了百叶窗内外表面风压分布规律，探究不同透风率和风速对其平均风压系数的影响。谭上飞[6]对幕墙风荷载取值问题、风洞试验在幕墙抗风设计方面的应用进行讨论，证明风洞试验可以有效降低幕墙工程的抗风成本。吴亚洲等[7]对遮阳百叶的风荷载进行研究，探究防风结构设计对遮阳百叶抗风性能的提升效果。

综上，相关研究多为风速和透风率对百叶风荷载的影响，而百叶布置情况对百叶风荷载的研究较少，且当前规范对于建筑外立面百叶结构的抗风设计仍有不足。因此，本文通过刚性测压风洞试验得到不同百叶间距和不同百叶与楼面间距下的并联百叶的风压峰值和均方根值，分析百叶间距和百叶与楼面间距对风压的影响，并对比分析基于边缘百叶计算所得风荷载和试验风荷载。

2 工程与实验概况

2.1 工程概况

为便于比较，试验设计了三组节段模型，如表1 所示，平面尺寸为30m×35m，高度为15m，百叶宽度a=75cm，间距s=1.0a、2.0a、5.0a，百叶与楼面间距d=0、1.0a，在百叶上、中、下外表面布置测点，每个翅片上6个测点。

2.2 试验概况

对百叶阶段模型进行风洞试验，试验在CGB-1风洞进行，风洞截面尺寸为4m×3m。采用刚性模型同步测压技术测量风荷载，刚性缩尺模型如图1 所示，刚性模型几何缩尺比为1:50。试验阻塞比为1.75%＜5%。

图1 并联百叶试验模型

每个模型都在风速为10m/s均匀流场下进行试验，风向角如图2 所示，逆时针每隔10°设置一个风向角进行测试，其中逆时针0°～180°风向角为工况1、3、5 的迎风风向角，逆时针180°～0°风向角为工况2、4、6的迎风风向角。

图2 风向角示意图

3 试验结果及分析

3.1 百叶与楼面间距对风压的影响

图3 为不同百叶与楼面间距的综合风压峰值随风向角变化曲线，反映了百叶整体所受风荷载。由图3 可知，三个模型的综合风压峰值随风向角变化规律相似，d=0.75m 工况（工况2、4、6）下的综合风压峰值最大值均大于d=0m 工况（工况1、3、5）下的最大风压峰值最大值。尤其在模型二中，工况4 的最大风压峰值为工况3 最大风压峰值的2.45倍，说明百叶与楼面间距的增大会使风压明显增大。工况1、3、5 的最大综合风压峰值出现在40°和140°风向角附近，工况2、4、6 的最大综合风压峰值出现在220°和320°风向角附近，来流风向与百叶所在楼面夹角为50°时百叶所受风荷载最大，说明该风向角为最不利风向角。

图3 不同百叶与楼面间距的风压峰值分布曲线

3.2 百叶间距对风压的影响

为研究百叶间距对风压的影响，选取d=0m 的三个百叶间距不同工况（间距分别为0.75m、1.50m、3.75m）下的风压峰值进行对比，如图4 所示，分别取中间一个百叶、最左边一个百叶和最右边一个百叶得到三个风压曲线图。可以看出，百叶间距对风压有显著影响，由于百叶之间的遮挡作用，百叶间距越小遮挡作用越强。百叶风压越小，尤其是中间百叶在大多数风向角下的风压峰值接近于0kPa，边缘百叶受到的遮挡作用相对较小。对比不同位置的百叶最大风压峰值可以看出，中间百叶在三个工况下的最大风压均远小于边缘百叶的最大风压，说明中间叶片所受风荷载远小于边缘叶片所受风荷载。

图4 不同百叶间距的风压峰值分布曲线

图5 为不同百叶间距下的风压均方根值随风向角变化曲线，对比可知，风压均方根值基本呈现百叶间距越小，风压均方根值越大的分布规律，边缘处百叶较为明显地呈现出上述规律，但中间百叶规律不明显。不同百叶间距下风压均方根值随风向角变化规律相似，中间百叶在来流风向与楼面夹角10°（10°、170°）时风压均方根值较大，边缘百叶在来流风向与楼面夹角10°（左边百叶为10°，右边百叶为170°）和与楼面夹角80°（左边百叶为80°，右边百叶为100°）附近风压均方根值较大，在背风风向角（190°～350°）处，中间百叶的风压均方根值较为稳定且基本不随百叶间距变化，边缘百叶的风压均方根值波动幅度相对较大。

图5 不同百叶间距的风压均方根曲线

3.3 风压对比分析

为证明采用边缘处百叶的设计风荷载进行设计过于保守，将试验所得整体风压与边缘百叶计算所得风压进行对比，如图6所示。基于工况1分析结果进行对比，试验风压为各测点风压叠加所得，计算风压为边缘百叶风压与百叶数量的乘积。可以看出，左边百叶和右边百叶计算风压在各风向角下均大于试验风压，尤其在顺风向风向角下，计算风压远大于试验风压，证明对于密排式百叶结构，若采用边缘百叶风荷载进行设计过于保守，经济性较差。

图6 风压对比曲线

4 结论

采用刚性测压风洞试验对百叶风荷载进行研究，并考虑了不同百叶与楼面间距和不同百叶间距对百叶风压的影响，主要结论如下。

①百叶与楼面间距为0.75m时的风压峰值大于百叶与楼面间距为0m 时的风压峰值，来流风向与楼面夹角约为50°时百叶综合风压取得最大值。

②百叶之间的遮挡作用明显，百叶间距越小遮挡作用越强，百叶风压越小，中间百叶受遮挡作用较强，风压峰值较小，边缘百叶受遮挡作用较弱，风压峰值较大。

③风压均方根值随百叶间距减小而增大，来流风向与楼面夹角10°和80°时风压均方根值较大。

④以边缘百叶风荷载计算百叶整体风荷载结果远大于试验风荷载，过于保守。