超高層雙塔建筑體型系數(shù)風(fēng)洞試驗研究

柳美玉，楊 璐

(1.中元國際工程公司，北京 100089;2.北京工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，北京 100124)

隨著社會的進(jìn)步，城市建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代高層建筑發(fā)展速度迅猛。輕質(zhì)高強(qiáng)新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，高層建筑不但建筑形式變化多樣，而且結(jié)構(gòu)體型也朝著高大、輕柔的方向發(fā)展，風(fēng)荷載對高層建筑的影響越來越大，風(fēng)荷載成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可忽略的重要組成部分［1］。

同時，現(xiàn)代城市的高速發(fā)展造就了越來越多的高層建筑，同時也使得建筑之間也越來越密集。由于相鄰建筑物之間的流場相互干擾，將使得相鄰建筑物之間的風(fēng)荷載以及風(fēng)性態(tài)與單體建筑物時的性質(zhì)發(fā)生改變?？赡茉斐山ㄖ锼茱L(fēng)力比單體建筑物時大大增加或者建筑物局部風(fēng)荷載急劇增加，從而引起了抗風(fēng)設(shè)計中許多其它安全問題［2］［3］。

本文主要介紹了東直門東華廣場的風(fēng)洞試驗對體型系數(shù)和風(fēng)荷載研究情況。得到了該雙塔的體型系數(shù)以及風(fēng)荷載情況，可為主體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及外圍幕墻等其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和指導(dǎo)作用。

1 工程背景介紹

東直門交通樞紐暨東華國際廣場商務(wù)區(qū)最為突出的建筑是高度為175 m的雙塔寫字樓。雙塔建成后將成為東直門附近區(qū)域標(biāo)志性的建筑，如圖1。

圖1 東直門東華國際廣場效果圖

由于雙塔之間的間距約20 m，而塔高則有175 m，預(yù)計流經(jīng)這個垂直方向狹窄通風(fēng)道的氣流迥然有別于簡單塔狀建筑物的周圍氣流，按國家建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范進(jìn)行風(fēng)洞試驗是必要的，而且風(fēng)洞試驗的結(jié)果將為數(shù)值風(fēng)洞研究的結(jié)果提供驗證依據(jù)。

2 試驗設(shè)備及測點(diǎn)布置

2.1 試驗設(shè)備

試驗在北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院2號環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流吸式，試驗段長32 m、寬3 m、高2～2.5 m(頂板可調(diào))。建筑物前方來流風(fēng)速控制在17 m/s左右。遠(yuǎn)離模型的上游設(shè)置尖塔，并在模型與尖塔之間鋪擺粗糙元以達(dá)到所需的平均風(fēng)速廓線指數(shù)。

風(fēng)速的測量使用丹麥產(chǎn)DISA熱膜風(fēng)速儀，使用前用DISA自備的校正單元——射流風(fēng)洞進(jìn)行校正。速度信號經(jīng)A/D由聯(lián)想昭陽筆記本電腦采樣并進(jìn)行處理。來流的監(jiān)視使用KANOMAX 6250風(fēng)速風(fēng)溫儀。風(fēng)壓的測量使用美國產(chǎn)Scanivalve電子壓力掃描閥，如圖2。

圖2 Scanivalve電子壓力掃描閥

2.2 模型測點(diǎn)布置

為區(qū)別不同模型側(cè)面測點(diǎn)，將模型側(cè)面編號，分別為1、2、…、12計12個面，合計341個測點(diǎn)。由于篇幅限制，僅以雙塔西立面測點(diǎn)布置為例，見圖3。

圖3 雙塔西立面測點(diǎn)布置

2.3 試驗過程

風(fēng)向角間隔采用10°，按風(fēng)向角間距 Δθ=10°，在0 ～360°范圍內(nèi)共有36個來流風(fēng)向。采樣頻率設(shè)置為500 Hz，時間段長為10 s。當(dāng)壓力指向正對測點(diǎn)所在參考面時，壓力為正;當(dāng)壓力指向離開測點(diǎn)所在參考面時，壓力為負(fù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 體型系數(shù)

表1給出了雙塔幕墻各立面正壓和負(fù)壓體型系數(shù)絕對值中最大的兩個值及其相關(guān)信息。

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從測量的結(jié)果看，各立面的最大正壓體型系數(shù)除了南塔南立面點(diǎn)超出0.8，其余測點(diǎn)均未超出規(guī)范中建議的0.8。這與南側(cè)與東側(cè)比較空曠的東直門外大街、東直門外斜街以及雙塔周邊的建筑布局有關(guān)。

雙塔結(jié)構(gòu)的最大負(fù)壓體型系數(shù)大多集中在雙塔連廊附近，這說明雙塔之間的風(fēng)速明顯大于其它位置，雙塔之間的相互影響不可忽略。

表2給出了雙塔連廊屋頂面體型系數(shù)正壓和負(fù)壓體型系數(shù)絕對值中最大的兩個值及其相關(guān)信息。

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從表2可以看出:雙塔連廊東西中間部位體型系數(shù)比較大，。雙塔北連廊的最大負(fù)壓體型系數(shù)，在測點(diǎn)573(θ=130°)為 μs= －1.92。

3.2 風(fēng)荷載

體型系數(shù)能直接反映風(fēng)荷載的方向和大小，起主要作用的體型系數(shù)還不是風(fēng)荷載的全部因素，除此之外還有基本風(fēng)壓、風(fēng)壓高度變化系數(shù)等［4］。

在此次風(fēng)洞試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)中，有些測點(diǎn)的體型系數(shù)較大，個別點(diǎn)甚至達(dá)到μs=－3.34。但這些點(diǎn)基本都位于結(jié)構(gòu)的底層，由于較低層數(shù)的風(fēng)速較低，造成的風(fēng)荷載并不是最大的。

從試驗結(jié)果可以看出，雙塔塔冠的風(fēng)荷載有這樣的特點(diǎn)，即雙塔相對的面上的正壓要小于負(fù)壓，而其他面上負(fù)壓則大于正壓。塔冠上的50 a重現(xiàn)期的正壓大多在1.74 kPa左右，絕對值大于相應(yīng)重現(xiàn)期的負(fù)壓風(fēng)荷載絕對值;而其它立面測點(diǎn)的50 a重現(xiàn)期負(fù)壓則最大達(dá)到－2.18 kPa，絕對值大于相應(yīng)重現(xiàn)期的正壓風(fēng)荷載絕對值。

連廊上的正壓風(fēng)荷載不超過+0.8 kPa，但50 a重現(xiàn)期負(fù)壓風(fēng)荷載最大達(dá)到－1.64 kPa。

4 小結(jié)

(1)通過進(jìn)行1∶300縮尺模型的風(fēng)洞試驗，得到了36個不同來風(fēng)方向所有測點(diǎn)風(fēng)壓數(shù)據(jù)，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理得到了每個測點(diǎn)的平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓以及不同測點(diǎn)的最大正壓、負(fù)壓體型系數(shù)以及風(fēng)荷載。

(2)試驗結(jié)果表明雙塔的結(jié)構(gòu)形式對風(fēng)場存在較大的影響，特別是雙塔之間通道和立面的角隅附近影響更加明顯;因局部的環(huán)境風(fēng)速較大，需要注意人員的安全，建議大風(fēng)時不要到連廊及商業(yè)樓屋頂上去;

(3)雙塔塔冠女兒墻上有可能出現(xiàn)較大的風(fēng)荷載，其數(shù)值接近或超過－2.00 kPa，尤其是在進(jìn)行北塔南立面和南塔北立面塔冠部位的設(shè)計時需要特別注意;

(4)對于雙塔雨棚，試驗測得的風(fēng)荷載小于規(guī)范中用建議使用的體型系數(shù)2.0所求得的風(fēng)載，按照規(guī)范規(guī)定進(jìn)行設(shè)計施工將偏于安全。

［1］A.G.Davenport.How can we simplify and generalize wind loads.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.1995:54－55，657 －669

［2］沈國輝，孫炳楠，樓文娟.復(fù)雜體型高層建筑單體和雙塔時的風(fēng)荷載［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2005，39(8):1229 －1233

［3］傅小堅，嚴(yán)曉萍，許明輝.雙塔高層建筑風(fēng)荷載靜力干擾效應(yīng)的數(shù)值研究［J］.工程建設(shè)，2007，39(1):1 －5

［4］GB 50009－2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］