兩串列方形高層建筑局部風壓干擾特性分析

韓 寧，顧 明

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海200092)

對于流場中的鈍體結(jié)構(gòu)，由于來流的分離和再附，其在迎風面、側(cè)風面和背風面的風壓分布特性是不同的[1]。當考慮臨近建筑的干擾效應時，受擾建筑各個面的風壓變得更加復雜。由于工作量巨大，國內(nèi)外對高層建筑干擾效應的研究主要集中在風荷載方面[2－5]，而對于風壓干擾的研究較少，只有少量的研究成果。文獻[6]通過平均和極值風壓系數(shù)定義的干擾因子分析了高層建筑產(chǎn)生的抖振效應對位于其周邊低矮建筑的影響，發(fā)現(xiàn)低矮建筑表面壓力系數(shù)有顯著的增加。文獻[7]研究了并列布置的兩不同截面模型在不同間距比下表面風壓系數(shù)的變化特征，給出了由于間距比較小產(chǎn)生的狹縫效應導致了大截面模型的內(nèi)側(cè)較大負壓的結(jié)論。結(jié)合實際工程項目，文獻[8]研究了受擾建筑特定高度處截面的風壓分布特性，指出當施擾建筑處于受擾建筑尾流邊界的某些位置時，受擾建筑表面的最大負壓系數(shù)有可能降低，但當兩者距離較近時，局部風壓則有可能放大較多。文獻[9]分析了3個典型串列位置處上下游2建筑表面的脈動風壓系數(shù)變化規(guī)律，指出在間距比大于3時，受擾模型各個面上的脈動風壓均變大。同樣考慮多個建筑相互干擾時，文獻[10]則分析了斜風向3個緊密布置建筑的干擾效應，給出了特定間距比和風向角下受擾建筑各個面上的風洞試驗和數(shù)值模擬的平均風壓系數(shù)分布等值線圖，指出受擾建筑背風面出現(xiàn)了極大的負壓，但其沒有分析間距比改變的影響。對一般性方形高層建筑模型，以風壓系數(shù)干擾因子為指標詳細地分析串列布置時施擾建筑對于測試模型表面局部風壓的影響，得出了一些有普遍意義的結(jié)論。

1 試驗簡介

1.1 風洞及風場

試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ－2風洞進行。TJ－2風洞為閉口回流式矩形接口風洞，試驗段寬3m、高2.5m、長15m。采用被動模擬方法在TJ－2風洞模擬了中國規(guī)范(GB 50009—2001)[11]中的C類風場(密集建筑群的城市市區(qū)，風速剖面指數(shù)α＝0.22)，幾何縮尺比為1：400。試驗風速為12m／s。由于中國規(guī)范未給出各類地貌紊流度剖面，故試驗采用日本建筑荷載規(guī)范(AIJ2004)[12]建議的紊流度公式。詳細的平均風速剖面和紊流度剖面的模擬結(jié)果與理論值的比較見文獻[13]。

1.2 試驗概況

試驗模型為尺寸為900mm×150mm×150mm的方柱，幾何縮尺比為1：400。在模型上共計布置496個測點，每個立面上均有124個測點，4個面測點布局相同，均在模型的最上部和棱邊處布置較密的測點，具體的測點布置圖見文獻[13]。試驗時施擾模型和受擾模型完全相同，但其表面沒有布置測點。考慮施擾模型位置變化的影響時，串列布置選取6個典型位置、并列布置選取4個典型位置、斜列布置選取6個典型位置，詳細的布置圖見文獻[13]。由于試驗結(jié)果太多，該文僅分析串列布置的情況?？紤]施擾模型高度變化的影響時，施擾模型橫截面均為150mm×150mm，高度分別為測試模型高度的0.7、1.0和1.3倍。

2 結(jié)果分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理方法

該文的平均和脈動風壓系數(shù)定義和文獻[1]相同：

分析干擾效應時，定義平均、脈動風壓系數(shù)干擾因子如下：

施擾建筑的影響主要通過干擾因子IF來體現(xiàn)，表示增加表示減小。

在考慮施擾模型高度變化的影響時，定義高度比：

2.2 間距比的影響

2.2.1 平均風壓分析 由于是串列布置且來流風垂直于受擾模型橫截面，所以在分析施擾位置對風壓的影響時，考慮對稱性僅取其中一個側(cè)面進行研究。

圖1－圖3分別為0°風向角施擾模型處于不同串列位置時，受擾模型迎風面、側(cè)風面和背風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線分布圖。

圖1中(a)圖為無施擾建筑(單體狀態(tài))迎風面平均風壓系數(shù)等值線分布圖，圖(b)－(g)是根據(jù)式(1)計算的不同間距比時平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖，從中可以更清楚地看出建筑物受擾以后風壓的變化情況。由圖可以看出間距比等于3是一個臨界值。間距比小于3時，迎風面絕大部分干擾因子為負值，和圖(a)對比知這些部位的平均風壓系數(shù)為負值，說明這些部位產(chǎn)生了吸力，而在間距比大于3時，僅在迎風面的兩側(cè)棱邊處出現(xiàn)負的干擾因子。由此可見，串列布置的2個建筑物，隨間距比的變化會出現(xiàn)2種不同的流動模式：當間距小于臨界間距時，前柱的渦街被抑制；當間距大于臨界間距時，2柱均形成渦街，前柱和后柱的渦相互作用，這和文獻[14]的研究結(jié)論是吻合的。該文中間距比小于3時，上游施擾建筑的渦街被抑制，其后的高速分離剪切流再附到下游建筑側(cè)風面，這樣在兩建筑間形成了漩渦區(qū)，所以在受擾建筑迎風面出現(xiàn)負壓區(qū)其干擾因子數(shù)值基本介于(－0.5～0)之間；而當間距比大于3時，上游施擾建筑后形成的漩渦脫落進入到間隙區(qū)，使受擾建筑的迎風面出現(xiàn)正壓，但由于其后的尾流速度小于單體狀態(tài)時來流速度，故受擾建筑迎風面干擾因子基本介于(0～0.5)之間且隨間距比的增大而增大，在間距比等于8時，其值主要介于(0.5～1)之間。值得注意的是在迎風面的頂部和棱邊的局部，平均風壓系數(shù)干擾因子會顯著放大，由圖可知，干擾因子最大值隨著間距比的增大而減小。綜上分析，上游施擾建筑的存在對平均風壓有減小的作用，即對平均風壓的干擾效應表現(xiàn)為遮擋效應。

圖1 串列布置時受擾模型迎風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖(0°風向角)

圖2 串列布置時受擾模型側(cè)風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖(0°風向角)

和迎風面相比，側(cè)風面平均風壓串列布置的干擾效應隨間距比的變化規(guī)律較為一致，由圖2可以看出，干擾因子均為正值，這表明即使有施擾建筑的存在，下游受擾建筑的側(cè)風面平均風壓仍然為負值。但值得注意的是，側(cè)風面的前緣上端角部處干擾因子均較大。另由圖(a)可知，單體狀態(tài)下側(cè)風面局部平均負風壓系數(shù)(吸力)最大值也處于該位置，吸力最大值超過了－1，當施擾建筑存在時，該部位的干擾因子大于1，說明施擾建筑的存在導致了吸力的放大，局部吸力放大超過了1.4。這是由于隨著間距比的增大，來自上游建筑的分離流直接撞擊到下游受擾建筑的迎風面上端，加速了側(cè)風面前緣角端分離流的再分離，所以其分離流速度增大，導致吸力增加。

圖3為背風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖，由圖可以看出，無論間距比的大小，干擾因子在背風面均小于1且為正值，對比圖(a)可知，施擾建筑存在時，受擾建筑背風面平均風壓仍然為負值，但吸力相對單體狀態(tài)變小，這是由于上游施擾建筑的存在使受擾建筑后緣形成的尾流速度相對單體狀態(tài)均變小。

圖3 串列布置時受擾模型背風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖(0°風向角)

2.2.2 脈動風壓分析 圖4—圖6為0°風向角施擾模型處于不同串列位置時，下游受擾建筑迎風面、側(cè)風面和背風面脈動風壓系數(shù)干擾因子等值線分布圖。

圖4 串列布置時受擾模型迎風面脈動風壓系數(shù)干擾因子等值線圖(0°風向角)

由圖4可以看出，隨間距比的增大，迎風面脈動風壓系數(shù)干擾因子大于1的范圍也隨之增大，而最大值卻隨之減小。在間距比等于3時，干擾因子最大值在接近屋頂?shù)膬蓚?cè)棱邊處達到了3.8，但間距比等于8時，干擾因子最大值僅有1.7。這是因為，在間距比小于3時，前后建筑空隙間形成了穩(wěn)定的漩渦區(qū)，而在屋頂兩側(cè)棱邊處，由于間距比較小，上游施擾建筑的分離剪切流快速再附到受擾建筑的側(cè)風面，然后在受擾建筑后緣再次分離，并在其后形成了準周期性漩渦脫落。圖5中間距比小于3的側(cè)風面干擾因子分布圖證明了這種現(xiàn)象，其側(cè)風面前緣由于分離剪切層再附，脈動風壓較單體狀態(tài)變大。當間距比大于3時，施擾建筑和受擾建筑均可以在各自后形成漩渦脫落，和單體狀態(tài)相比，由于下游受擾建筑迎風面來流中湍流脈動增加所以其迎風面脈動風壓增加，表現(xiàn)為干擾因子大于1的范圍擴大，如圖4(d)－(g)所示，但其最大值卻減小了，證明干擾效應隨間距比的增大而減弱。該間距比范圍內(nèi)，側(cè)風面脈動風壓也相應的增大，因為上游施擾建筑尾流中的漩渦直接撞擊到下游受擾建筑迎風面，加速了側(cè)風面前緣的剪切層分離速度，形成了較大的脈動，如圖5(d)－(g)所示，其干擾因子大于1的范圍隨間距比的增大而擴大，同樣可以注意到，隨間距比增大，干擾因子最大值減小。

圖5 串列布置時受擾模型側(cè)風面脈動風壓系數(shù)干擾因子等值線圖(0°風向角)

圖6為背風面脈動風壓系數(shù)干擾因子隨間距比的變化圖，可以看到干擾因子僅在間距比等于3時在背風面中間部位數(shù)值超過了1，其它工況下，干擾因子數(shù)值均小于1。這一結(jié)論說明上游施擾建筑的存在使得下游受擾建筑背風面后的渦脫強度相對單體狀態(tài)時變小，所以背風面脈動風壓減小。

圖6 串列布置時受擾模型背風面脈動風壓系數(shù)干擾因子等值線圖(0°風向角)

2.3 高度比的影響

根據(jù)不同施擾位置對于受擾模型風壓分布的影響，選取典型位置x／B＝2，y／B＝0和x／B＝8，y／B＝0來分析施擾模型位置固定但高度變化對于受擾模型風壓的影響。

2.3.1 平均風壓分析 圖7是典型串列位置處迎風面平均風壓系數(shù)干擾因子分布圖。由圖可以看出，間距比等于2時，若高度比等于0.7，則干擾因子在迎風面中上部均為正值且越靠近頂部數(shù)值越大，0.8H以上超過了1.0，這是因為施擾建筑高度低于受擾建筑時，越過施擾建筑頂部的分離流會直接撞擊到下游受擾建筑迎風面上后迅速向上爬升，并和空氣中的來流疊加，導致干擾因子大于1；而在迎風面的下部，干擾因子為負值，這是因為間距比較小時，上游建筑兩端的分離流直接再附到受擾建筑兩側(cè)，所以其后的漩渦脫落受到抑制，這樣在兩建筑間的空隙形成了穩(wěn)定的漩渦區(qū)，從而產(chǎn)生了負壓。這在高度比等于1.0和1.3的干擾因子分布圖中得到了證實，尤其是高度比等于1.3時，受擾建筑迎風面的干擾因子全為負值；且隨高度比增大，負干擾因子絕對值也增大，在高度比等于1.3時取得最大值－6.4，所以間距比較小時，高度比越大對于迎風面越不利。間距比等于8時，3種高度比的干擾因子基本均為正值。在高度比等于0.7時，干擾因子介于(0.5～1.2)，而當高度比增大到1.3時，其值基本介于(0～0.5)之間，這說明高度比越大，遮擋效應越明顯，對受擾建筑迎風面越有利。

圖7 典型串列位置處迎風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖隨高度比變化圖(0°風向角)

圖8是典型串列位置處側(cè)風面平均風壓系數(shù)干擾因子分布圖。由圖可以看出，間距比等于2時，平均風壓系數(shù)干擾因子最大值隨高度的增大呈先減小后增大的趨勢，以高度比等于1.0為轉(zhuǎn)折點。當高度比等于0.7時，側(cè)風面干擾因子在約2／3H高度處取得最大值1.7；而當高度比ηh≥1時，平均風壓系數(shù)干擾因子均小于1.0，說明此時施擾建筑的存在對側(cè)風面的平均分壓是有利的。這是因為間距比較小時，上游施擾建筑兩側(cè)棱邊處的分離流直接再附到下游受擾建筑的側(cè)風面上，從而減小了側(cè)風面的風吸力，但是當高度比小于1.0時，在受擾建筑側(cè)風面高度大于施擾建筑的部分來流會形成局部加速效應，導致受擾建筑這一部位的吸力極大。間距比等于8時，側(cè)風面干擾因子隨高度比的增大而減小，這和間距比較小時的規(guī)律不同。這是因為高度比越大，施擾建筑的遮擋效應越顯著，這樣到達受擾建筑側(cè)面的尾流速度越小，自然平均風壓系數(shù)也越小，平均風壓系數(shù)干擾因子在高度比等于0.7時取得最大值1.3。

圖9是典型串列位置處背風面平均風壓系數(shù)干擾因子分布圖?？梢钥闯?，間距比等于2時，平均風壓系數(shù)干擾因子均小于1，說明施擾建筑的存在減小了背風面的吸力。值得指出的是，高度比ηh≥1時背風面的干擾因子隨高度比的增大而增大，這和間距比等于8時不同，其在高度比ηh≥1時，干擾因子隨高度比增大趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因為背風面的風壓除了受兩側(cè)面的分離流影響外還要受其后漩渦脫落的影響。一方面由于施擾建筑的遮擋效應，來流在到達背風面時的速度減小，背風面平均風壓系數(shù)干擾因子小于1；但是高度越大的施擾建筑形成的尾流區(qū)域也較大，自然受擾建筑后形成的漩渦脫落速度要快，帶走的空氣也越多，這對遮擋效應有所削弱。2種原因綜合作用下出現(xiàn)了間距比較小時等高干擾下背風面干擾因子最小的現(xiàn)象，而當間距比較大時由于施擾建筑的遮擋效應減弱，高度比變化的影響也相應減弱，所以背風面平均風壓系數(shù)干擾因子改變較小。

圖8 典型串列位置處側(cè)風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖隨高度比變化圖(0°風向角)

圖9 典型串列位置處背風面平均風壓系數(shù)干擾因子等值線圖隨高度比變化圖(0°風向角)

2.3.2 脈動風壓分析 圖10是典型串列位置處迎風面脈動風壓系數(shù)干擾因子分布圖。由圖可以看出，間距比等于2時，脈動風壓系數(shù)干擾因子在迎風面均沿中軸線對稱分布且由中間向兩棱邊處增大；高度比ηh≤1時，迎風面大部分干擾因子均小于1，這和間距比較大時有著顯著的不同，說明此時受擾建筑迎風面的流體脈動要小于單體狀態(tài)時迎風面的流體脈動；高度比增加，干擾因子大于1的范圍增大，但其最大值則呈先增大后減小的趨勢，在高度比等于1.0時干擾因子取得最大值3.7。受高度比改變的影響，干擾因子最大值的位置由高度比等于0.7時的大約0.65H處上升到高度比ηh≥1.0時的迎風面頂部的兩端角部處。間距比等于8時，隨高度比增大，脈動風壓系數(shù)干擾因子最大值也相應增大，在高度比等于1.3時取得最大值2.5。這是因為間距比較大時，隨著高度比的增大，施擾建筑后的尾流區(qū)域變大且其后的漩渦脫落尺度也增大，從而導致來流湍流脈動增大。但不同高度比干擾因子的最大值出現(xiàn)位置和小間距比時幾乎相同，因為脈動風壓變化劇烈的位置主要是在流體分離處。

圖10 典型串列位置處迎風面脈動風壓系數(shù)干擾因子等值線圖隨高度比變化圖(0°風向角)

圖11 典型串列位置處側(cè)風面脈動風壓系數(shù)干擾因子等值線圖隨高度比變化圖(0°風向角)

圖11是典型串列位置處側(cè)風面脈動風壓系數(shù)干擾因子分布圖。由圖可以看出，間距比等于2時，脈動風壓系數(shù)干擾因子在高度比等于1.0時取得最大值2.1。這和迎風面脈動風壓的規(guī)律基本一致。因為間距比較小時，施擾建筑后的分離流再附到受擾建筑的側(cè)風面，其在側(cè)風面前緣處會形成漩渦區(qū)域，導致脈動增大而高度比等于1.0時，受擾建筑上端角部處受施擾建筑側(cè)面分離流和頂層分離流的共同作用，所以脈動較其它高度比大。而由于高度比變化的影響，干擾因子最大值出現(xiàn)的位置發(fā)生了變化：高度比等于0.7時，受擾建筑側(cè)風面的干擾因子最大值出現(xiàn)在前緣大約0.65H處，而在高度比ηh≥1.0時均出現(xiàn)在迎風前緣的上端棱邊處。間距比等于8時，側(cè)風面脈動風壓系數(shù)干擾因子最大值隨高度比的增大而增大。這和迎風面是一致的。間距比較大時，施擾建筑后的漩渦脫落和尾流區(qū)域均隨高度比的增大而增大，從而導致側(cè)風面迎風前緣的脈動風壓相對單體狀態(tài)增大。

圖12 典型串列位置處背風面脈動風壓系數(shù)干擾因子等值線圖隨高度比變化圖(0°風向角)

圖12是典型串列位置處背風面脈動風壓系數(shù)干擾因子分布圖。由圖可以看出，間距比等于2時，脈動風壓系數(shù)干擾因子最大值隨高度比的變化和平均風壓系數(shù)干擾因子類似，隨高度比的增大呈先減小后增大的趨勢。在高度比等于1.3時取得最大值1.5。間距比等于8時，干擾因子最大值隨高度比的增大呈先減小后增大的趨勢，其出現(xiàn)位置均位于背風面的上端且數(shù)值小于1.0，這和同樣間距比下平均風壓系數(shù)的規(guī)律不同，說明高度比的改變對于脈動風壓的影響要大于對平均風壓的影響。

3 結(jié) 論

以風壓系數(shù)及其定義的干擾因子為研究對象，詳細的研究了0°風向角下，施擾模型位置變化對受擾方柱迎風面、側(cè)風面和背風面局部風壓的影響。由以上的分析可以得出如下結(jié)論。

1)高度比固定，受擾模型迎風面平均風壓間距比小于3時為負壓，間距比大于3為正壓，干擾效應主要表現(xiàn)為遮擋效應，間距比越大，遮擋效應越弱；其側(cè)風面和背風面平均風壓系數(shù)干擾因子均為正值且均在間距比等于3時取得干擾因子最大值。和平均風壓相比，脈動風壓隨間距比的變化較為簡單。其在受擾模型各個面上的變化規(guī)律一致，均在間距比等于3時取得最大值。

2)高度比變化，當間距比小于3時，高度比越大對迎風面平均風壓越不利，側(cè)風面和背風面的平均風壓均在等高時取得最小值；當間距比大于3時，受擾模型各個面的平均風壓均隨高度比的增大而減小。脈動風壓隨高度比的變化和平均風壓不同，當間距比小于3時，受擾模型迎風面和側(cè)風面脈動風壓系數(shù)干擾因子均在等高時取得最大值；當間距比大于3時，迎風面和側(cè)風面的脈動風壓均隨高度比的增大而增大，但在背風面上，其脈動風壓干擾因子無論間距比大小均在高度比等于1.0時取得最小值。

3)2建筑串列布置時，側(cè)風面的前緣上端角部是最需要注意的部位，尤其是在2建筑等高，間距比等于3.0時。

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