圓柱形建筑雙幕墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)

樓文娟，張 敏，2

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州310027，louwj@zju.edu.cn;2.桂林理工大學(xué)土木工程系，廣西桂林541004)

在建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往把注意力集中在外部風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的作用上，而對結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)壓則關(guān)注很少.現(xiàn)行GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［1］對體型各異的封閉式建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)作了明確規(guī)定，而對結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)壓僅提供了關(guān)于封閉式建筑物的建議，即按外表面風(fēng)壓的正負(fù)取-0.2或0.2.而對雙層幕墻［2-3］來說，其特點(diǎn)就是在外層幕墻上開有一定面積的永久性通風(fēng)孔，如圖1所示，氣流可以通過通風(fēng)孔作用于內(nèi)層幕墻，并且氣流在雙層幕墻之間的通風(fēng)廊道內(nèi)形成復(fù)雜的流動，因此雙幕墻有3個(gè)受風(fēng)表面，即外層幕墻的內(nèi)、外表面以及內(nèi)幕墻的外表面，其內(nèi)幕墻的風(fēng)壓主要由廊道內(nèi)的風(fēng)壓決定，外幕墻的風(fēng)載則由外壓和廊道內(nèi)壓的共同決定作用，外壓的分布主要是由建筑體型決定，這部分的研究較多，荷載規(guī)范［1］也做了詳細(xì)的規(guī)定，但廊道內(nèi)氣流的復(fù)雜性使得荷載規(guī)范規(guī)定的建議值遠(yuǎn)不能滿足工程設(shè)計(jì)的需求，可見了解結(jié)構(gòu)部分開孔時(shí)的內(nèi)部風(fēng)荷載特性是風(fēng)工程研究中亟待解決的重要課題.

圖1 廊道式通風(fēng)雙幕墻及其縱向剖面圖

開孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)研究在國外開展得較早，以Liu和Saathoff［4］為代表的一批學(xué)者率先發(fā)展了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮內(nèi)部風(fēng)壓的方法，從此Woods和Blackmore等［5］學(xué)者通過一系列剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)壓進(jìn)行了細(xì)致的研究，關(guān)于風(fēng)致內(nèi)壓靜力問題的理論研究也迅速開展起來，1999年Ginger和Letchford［6］進(jìn)行了足尺房屋墻面開洞時(shí)內(nèi)部風(fēng)壓測定試驗(yàn)，使人們對結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)有了更深的了解.但這些研究成果基本都是針對大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓，雙幕墻結(jié)構(gòu)與大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場有很大的不同.國內(nèi)外關(guān)于雙幕墻結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的研究［7-10］只是基于個(gè)別的工程項(xiàng)目的試驗(yàn)對雙幕墻的風(fēng)壓分布進(jìn)行了分析，而對影響雙幕墻的風(fēng)荷載分布的因素卻鮮有涉及.因此，深入了解雙幕墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)的特性并明確其產(chǎn)生機(jī)理，并且在理論上得到估算內(nèi)部風(fēng)荷載的方法，對于雙幕墻結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)無疑是非常有意義的.本文針對不同開孔面積及不同廊道間距的雙幕墻剛性模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)致內(nèi)壓的空間分布規(guī)律、廊道內(nèi)平均風(fēng)壓的產(chǎn)生機(jī)理與理論估算問題.

1 模型試驗(yàn)概況

模型原型為直徑20 m的圓柱形建筑，圓弧雙幕墻的圓心角為120°，內(nèi)外幕墻的間距分別為0.5 m、1 m和1.5 m，廊道高度為3.6 m.模型幾何縮尺比為1:50，在每個(gè)樓層的外層幕墻的頂部和底部分別設(shè)有出風(fēng)和進(jìn)風(fēng)孔，空氣只能通過這些開孔交流，其它地方均密閉.為了得到雙幕墻3個(gè)受風(fēng)表面的風(fēng)壓，在模型外幕墻的內(nèi)、外表面的對應(yīng)位置分別布置測點(diǎn)，并且在內(nèi)幕墻外表面的相應(yīng)位置也布置測點(diǎn)(見圖2).在試驗(yàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙幕墻3個(gè)受風(fēng)面對應(yīng)測點(diǎn)的同步測壓，以得到內(nèi)、外幕墻表面的同步風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù).

試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示，監(jiān)測的雙幕墻布置在模型高度的中部.為了模型對比性各高度風(fēng)速一致，均為9.4 m/s.采樣頻率273 Hz，采樣時(shí)間為15 s.每個(gè)測點(diǎn)一個(gè)工況的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程樣本包含4 096個(gè)數(shù)據(jù).測壓風(fēng)向角從0～360°，每隔15°為一個(gè)工況，風(fēng)向角定義見圖2.考慮到雙層幕墻的風(fēng)壓特征與外幕墻開孔率(即開孔面積與外幕墻面積的比值)及廊道間距有關(guān)，研究工況如表1所示.

圖2 模型平面圖、測點(diǎn)布置圖及風(fēng)向角定義

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)工況表

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，采取將各測點(diǎn)的壓力相對于參考點(diǎn)高度處動壓無量綱化的方法，故其風(fēng)壓系數(shù)定義為

2 雙幕墻廊道內(nèi)壓的空間分布特性

圖4是圓弧型雙幕墻的內(nèi)幕墻各測點(diǎn)在全風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)分布圖，可以看出，迎風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向(-90°≤α≤90°)時(shí)，廊道內(nèi)各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)不一致，而背風(fēng)向時(shí)，其值則非常接近，這主要是迎風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向時(shí)，外幕墻各開孔處的風(fēng)壓不一致，使得廊道內(nèi)的空氣流動非常劇烈，空氣流動的過程中與通風(fēng)孔和廊道內(nèi)壁產(chǎn)生摩阻損失，導(dǎo)致了其內(nèi)壓不均勻;而背風(fēng)向時(shí)，其外幕墻各孔口處的風(fēng)壓基本相同，使得雙幕墻廊道內(nèi)的空氣流動緩慢或不流動，使得壓力損失很小，因此，廊道內(nèi)的壓力分布均勻，其值大約等于各孔口風(fēng)壓的平均值.

圖4 工況4的雙幕墻廊道內(nèi)各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

3 雙幕墻廊道風(fēng)壓的穩(wěn)態(tài)理論估算

由空氣動力學(xué)的理論和試驗(yàn)研究成果［11］，孔口兩側(cè)的壓差與流經(jīng)該孔的空氣流量有如下關(guān)系

式中:Q為空氣體積流量，K為流動系數(shù)，與開孔的形狀有關(guān)，反映了孔口的損失系數(shù)，A為開孔面積，ΔP為孔口兩側(cè)的壓差，t為流動指數(shù)，研究［11-12］表明t介于0.5～0.8.

圖5 廊道氣流和孔口氣流示意圖

若雙幕墻的外幕墻面有n個(gè)通風(fēng)孔，并把雙幕墻分隔成n個(gè)區(qū)域，假定每個(gè)區(qū)域的內(nèi)壓一致，如圖5所示，則第j個(gè)通風(fēng)孔兩側(cè)的空氣流量為

式中:AE為通風(fēng)孔的開孔面積，CPE，j為第j孔口外表面風(fēng)壓系數(shù)，CPI，j為結(jié)構(gòu)廊道內(nèi)的第j個(gè)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)壓系數(shù).

由于摩擦阻力的存在，空氣在雙幕墻廊道內(nèi)流動，產(chǎn)生壓力損失，根據(jù)文獻(xiàn)［13-14］中達(dá)西-威斯巴哈公式可得:其廊道內(nèi)第j+1區(qū)域的空氣流入相鄰的第j區(qū)域的空氣流量應(yīng)為

式中:AI相鄰兩區(qū)域的通風(fēng)孔面積，在此即為雙幕墻廊道的橫斷面面積;λ為沿程摩阻系數(shù)，與雷諾數(shù)及廊道壁的粗糙系數(shù)有關(guān);CPI，j為結(jié)構(gòu)廊道內(nèi)的第j個(gè)區(qū)域處的風(fēng)壓系數(shù);R為水力半徑，L為空氣流經(jīng)的距離，在此為相鄰兩分隔區(qū)域的中心點(diǎn)間距.

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，考慮空氣的不可壓縮性，廊道內(nèi)第j區(qū)域的空氣流入和流出的流量相等，可得

根據(jù)雙幕墻廊道內(nèi)的每個(gè)區(qū)域的空氣流量平衡，可列出n個(gè)方程，由于處于圓弧雙幕墻端部的兩個(gè)區(qū)域分別只有一個(gè)相鄰的區(qū)域，因此j=1時(shí).將外幕墻各開孔處的孔口平均風(fēng)壓系數(shù)CPE，j代入，求解上面這個(gè)方程組，就可以得出CPI，j，即廊道內(nèi)各區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù).

根據(jù)本次試驗(yàn)的模型參數(shù)，并經(jīng)過多輪擬合最終確定符合本試驗(yàn)條件狀況的參數(shù)值，見表2.

表2 各工況下的模型參數(shù)

由前面分析已知，30°風(fēng)向角時(shí)外幕墻各孔口處的風(fēng)壓相差較大，180°風(fēng)向角時(shí)其風(fēng)壓則較接近，且篇幅所限，在此就取30°和180°風(fēng)向角這兩個(gè)較有代表性的風(fēng)向角下的各工況的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證，如圖6所示.從圖中可以看出，絕大多數(shù)工況的廊道內(nèi)各測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)與計(jì)算值都很較接近，特別是180°風(fēng)向角時(shí)，計(jì)算值和試驗(yàn)值幾乎一致.

4 影響內(nèi)壓分布的參數(shù)探討

由于K和t均只是反應(yīng)孔口和廊道的物理環(huán)境，在相同孔口條件的前提下，可以討論其余參量對內(nèi)壓的影響.以下將通過平均內(nèi)壓系數(shù)的分析，探討影響內(nèi)壓的主要因素，為設(shè)計(jì)提供參考.

圖6 各工況的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對比

4.1 開孔率

此處取5種開孔率(分別為3%、6%、9%、12%、15%)變化為例，圖7為圓弧雙幕墻的廊道間距為20 mm的工況下外幕墻開孔率變化時(shí)的內(nèi)壓變化情況，可以看出:

1)當(dāng)外壓不均勻時(shí)，廊道內(nèi)壓隨開孔率的增大而變得越來越不均勻，其各測點(diǎn)處的風(fēng)壓越來越接近孔口處的壓力;

2)當(dāng)外壓均勻時(shí)，廊道內(nèi)的壓力也很均勻，且開孔率的變化對內(nèi)壓的影響很小.

4.2 廊道間距

此處取5種廊道間距(分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm)變化為例，圖8為圓弧雙幕墻的外幕墻開孔率為9%的工況下廊道間距變化時(shí)的內(nèi)壓變化情況，可以看出:

1)當(dāng)外壓不均勻時(shí)，同一開孔率的雙幕墻，廊道間距越小，其內(nèi)壓受外壓的影響越大，就越不均勻;

2)當(dāng)外壓均勻時(shí)，廊道內(nèi)的壓力也很均勻，且廊道間距的變化對內(nèi)壓的影響很小.

圖7 外幕墻開孔率對內(nèi)壓分布的影響

圖8 廊道間距對內(nèi)壓分布的影響

4.3 來流風(fēng)速

此處取5種來流風(fēng)速(分別為4 m/s、8 m/s、12 m/s、16 m/s、20 m/s)變化為例，圖9為圓弧雙幕墻的外幕墻開孔率為9%的工況下來流風(fēng)速變化時(shí)的內(nèi)壓變化情況，可以看出:

1)當(dāng)外壓不均勻時(shí)，來流風(fēng)速越大，廊道內(nèi)氣流越劇烈，產(chǎn)生的風(fēng)壓損失越多，廊道內(nèi)的風(fēng)壓就越不均勻;

2)當(dāng)外壓均勻時(shí)，廊道內(nèi)的壓力也很均勻，且來流風(fēng)速的變化對內(nèi)壓的影響很小.

圖9 來流風(fēng)速對內(nèi)壓分布的影響

從以上分析可知:廊道內(nèi)氣流流動是否劇烈是各參數(shù)對廊道內(nèi)壓分布影響大小的關(guān)鍵.當(dāng)圓弧雙幕墻的外幕墻各孔口處的風(fēng)壓基本相同時(shí)，廊道內(nèi)的空氣流動緩慢或不流動，使得氣流與廊道內(nèi)壁和通風(fēng)孔摩擦產(chǎn)生的壓力損失很小，因此，此時(shí)外幕墻開孔率、廊道間距和來流風(fēng)速的變化對雙幕墻平均內(nèi)壓的影響很小，其廊道的內(nèi)壓分布均勻，且大致與孔口處的風(fēng)壓相等.當(dāng)圓弧雙幕墻的外幕墻各孔口處的風(fēng)壓非常不均勻時(shí)，壓差使得廊道內(nèi)的空氣流動非常劇烈，與通風(fēng)孔和廊道內(nèi)壁產(chǎn)生較大的摩阻損失，導(dǎo)致了其內(nèi)壓不均勻;此時(shí)空氣流動劇烈，因此開孔率、廊道間距和來流風(fēng)速的大小對風(fēng)壓摩阻損失的影響不一樣;開孔率大時(shí)，孔口的風(fēng)壓損失小，內(nèi)壓與外壓更接近，同時(shí)孔口的空氣流量大，使得廊道內(nèi)的空氣流動更劇烈，摩阻損失也增大;廊道間距減小時(shí)，廊道內(nèi)空氣的摩阻損失增大，使得廊道內(nèi)的風(fēng)壓更不均勻;來流風(fēng)速增大使得廊道內(nèi)的氣流流動更加劇烈，增大了摩阻損失，使得廊道內(nèi)的壓力更加不均勻.

圖10給出了30°和180°風(fēng)向角下模型風(fēng)洞試驗(yàn)的廊道內(nèi)各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)圖，可以看出，外壓均勻時(shí)(180°風(fēng)向角)，廊道內(nèi)的風(fēng)壓分布受外幕墻開孔率和廊道間距的影響很小;外壓不均勻時(shí)(30°風(fēng)向角)，廊道內(nèi)風(fēng)壓分布隨開孔率的增大和廊道間距的減小越來越不均勻，這與理論分析結(jié)果完全吻合，證明前述的理論分析完全正確.

圖10 30°和180°風(fēng)向角下各工況內(nèi)壓分布的對比

5 結(jié)論

1)圓弧型雙幕墻在迎風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向時(shí)，廊道內(nèi)的平均風(fēng)壓不均勻，而背風(fēng)向時(shí)，廊道內(nèi)的平均風(fēng)壓則非常均勻.

2)采用穩(wěn)態(tài)理論估算雙幕墻廊道內(nèi)部各區(qū)域的平均風(fēng)壓與試驗(yàn)值吻合較好，當(dāng)開孔率不是特別小時(shí)，其估算值可滿足工程精度要求.

3)當(dāng)外幕墻開孔處的風(fēng)壓均勻時(shí)，雙幕墻的開孔率和廊道間距的大小及來流風(fēng)速對其平均內(nèi)壓影響很小，可以忽略.

4)當(dāng)外幕墻開孔處的風(fēng)壓不均勻時(shí)，隨外幕墻開孔率的增大、廊道間距減小或來流風(fēng)速增大，廊道內(nèi)壓變得更加不均勻.

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