兩并列方形高層建筑局部風(fēng)壓干擾特性

韓 寧，顧 明

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

由于建筑物之間的流場干擾，作用于建筑物上的風(fēng)壓與孤立狀態(tài)時(shí)相比會(huì)有顯著變化，建筑物各個(gè)面的風(fēng)壓將會(huì)變得更加復(fù)雜.過去幾十年中，國內(nèi)外對高層建筑干擾效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究.文獻(xiàn)［1］對影響干擾效應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，此后，文獻(xiàn)［2－5］針對3個(gè)干擾建筑做了詳細(xì)的研究，主要分析了動(dòng)力干擾效應(yīng)和干擾相關(guān)性.對于2個(gè)建筑物處于并列位置的干擾效應(yīng)研究，文獻(xiàn)［6］分析了施擾方柱為4種不同尺寸比（即0.5，1.0，1.5和2.0）且位于不同特定位置處時(shí)對于測試方柱振動(dòng)反應(yīng)的影響，指出尺寸比等于1.0是臨界值，當(dāng)尺寸比小于等于1.0時(shí)，其改變對于測試方柱振動(dòng)幅值的影響并不顯著，但是當(dāng)尺寸比大于1.0且有較高的折減速度（大于12）時(shí)，施擾方柱尺寸比改變將會(huì)使受擾方柱產(chǎn)生較大幅值的振動(dòng).文獻(xiàn)［7］通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬對比分析了錯(cuò)列布置時(shí)2個(gè)臨近建筑的風(fēng)壓干擾效應(yīng)，但其僅研究了特定高度處若干測點(diǎn)的變化.文獻(xiàn)［8］分析了2個(gè)不同截面尺寸方柱并列布置時(shí)其周圍流場變化和氣動(dòng)力分布，研究的橫向間距介于1.12～2.50之間.文獻(xiàn)［9］通過數(shù)值模擬方法分析了2個(gè)并列方柱不同間距比時(shí)的流場特征，發(fā)現(xiàn)間距比存在一個(gè)閾值，小于該值時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)偏流現(xiàn)象，但其沒有考慮方柱的3維效應(yīng).由于風(fēng)洞試驗(yàn)得到的干擾效應(yīng)具有海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，所以目前的研究主要集中在風(fēng)荷載方面，而對于風(fēng)壓干擾的研究極少.

本文對一般性方形高層建筑模型，通過改變間距比以及施擾建筑和受擾建筑之間的高度比，進(jìn)行測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)分析施擾建筑對于測試模型表面局部風(fēng)壓的影響，得出了一些有普遍意義的結(jié)論.

1 試驗(yàn)簡介

1.1 風(fēng)洞及風(fēng)場

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ－2風(fēng)洞進(jìn)行.TJ－2風(fēng)洞為閉口回流式矩形接口風(fēng)洞，試驗(yàn)段寬3m、高2.5m、長15m.采用被動(dòng)模擬方法在TJ－2風(fēng)洞模擬了我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）中的C 類風(fēng)場（風(fēng)速剖面指數(shù)α＝0.22），幾何縮尺比為1∶400.試驗(yàn)風(fēng)速為12m·s－1.由于我國規(guī)范未直接給出各類地貌紊流度剖面，故本次試驗(yàn)采用日本建筑荷載規(guī)范（AIJ 2004）［10］建議的紊流度公式.詳細(xì)的平均風(fēng)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(xiàn)［11］.

1.2 試驗(yàn)概況

圖1 施擾模型布置位置Fig.1 Arrangements of buildings and coordinate system

圖2 并列布置模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of models in parallel arrangement

2 結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

本文的風(fēng)壓系數(shù)定義與文獻(xiàn)［12］相同

在分析干擾效應(yīng)時(shí)，以平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)定義的干擾因子為指標(biāo)，其定義如下：

式中：Cp＿infer為干擾狀態(tài)下受擾建筑的風(fēng)壓系數(shù)，可以是平均風(fēng)壓系數(shù)或是脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)；Cp＿iso為相對應(yīng)的單體狀態(tài)受擾建筑平均風(fēng)壓系數(shù)或是脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù).施擾建筑對受擾建筑的影響主要通過干擾因子If來體現(xiàn)，If＞1表示增加，If＜1表示減小，If＝1表示施擾建筑沒有影響.

在考慮施擾模型高度變化的影響時(shí)，定義高度比為

式中：H為施擾模型高度；h為受擾模型高度.

2.2 施擾位置變化的影響分析

在分析間距比變化對于受擾建筑表面風(fēng)壓的影響時(shí)，僅考慮兩者等高的情況，也即高度比ηh＝1.0.

2.2.1 平均風(fēng)壓系數(shù)

圖3是受擾建筑4個(gè)面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子等值線隨間距比變化分布圖.在圖3a中，狹縫面干擾因子均自前側(cè)（迎風(fēng)棱邊）向后側(cè)逐漸減小，不同的是，間距比越小，該值自前向后減小的速度越快.這是因?yàn)椴⒘胁贾脮r(shí)，2個(gè)建筑間形成了間隙流；間距比越小，氣流通過狹縫的速度越快，從而產(chǎn)生較大的負(fù)壓.其干擾因子最大值隨間距比的增大而減小，在間距比等于2時(shí)取得最大值，位于大約（2／3）H高度處，數(shù)值為1.9；同時(shí)其最小值變化趨勢相反，在間距比為4時(shí)達(dá)到最大值1.1，說明干擾作用隨間距比增大而漸趨平均.圖3b顯示的是外側(cè)面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子變化圖，和狹縫面不同，其均在后緣上端角部處取得最大值，這是因?yàn)槭_建筑的存在改變了單體狀態(tài)時(shí)受擾建筑的流體形狀，使得受擾建筑外側(cè)面后端角部處旋渦脫落加劇，這在文獻(xiàn)［9］中已經(jīng)得到證實(shí).相對側(cè)風(fēng)面，間距比的改變對于迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子的影響較小，在迎風(fēng)面的大部分位置，平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子略有增大，僅在靠近外側(cè)面的棱邊處，干擾因子小于1.0，這在圖3c中可以觀察到.在圖3d中，受擾建筑背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子均超過1，也即施擾建筑存在時(shí)，受擾建筑背風(fēng)面吸力增大，和迎風(fēng)面相同，在所研究的間距比范圍內(nèi)，間距比改變對于其干擾因子數(shù)值變化的影響不大，干擾因子基本介于1.25～1.35之間，說明施擾建筑后的流體形態(tài)沒有發(fā)生質(zhì)的變化，這和文獻(xiàn)［8－9］的研究結(jié)論是一致的，也即并列布置的2個(gè)建筑物間存在小于2的臨界間距比，當(dāng)間距比超過該臨界值時(shí)，建筑后的流體形態(tài)由非對稱流轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ流且在2 個(gè)建筑物后分別形成旋渦脫落，所以建筑物的背風(fēng)面氣動(dòng)力特征趨于穩(wěn)定.

綜上所述，本文思考異形柱框輕和短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)短肢剪力墻是剪力墻結(jié)構(gòu)的分支，在結(jié)構(gòu)布置方面比較靈活，可調(diào)整性較強(qiáng)。如今建筑行業(yè)已經(jīng)能夠?yàn)槿藗兲峁└叨仁孢m性的住宅，這其中離不開混凝土異形柱、短肢剪力墻的支持，二者使得高層住宅體系更加完善，不僅滿足舒適性，還實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果，也讓建筑住宅有良好的耐久性和安全性特點(diǎn)。

圖3 受擾建筑平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子隨間距比變化等值線圖（0°風(fēng)向角，ηh＝1.0）Fig.3 Contours of mean pressure coefficient interference factors on each side of principal building at various spacing ratios at 0°wind direction（ηh＝1.0）

2.2.2 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)

圖4是受擾建筑脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子等值線隨間距比變化分布圖.在圖4a中，脈動(dòng)風(fēng)壓干擾因子沿狹縫面的變化趨勢和平均風(fēng)壓干擾因子相同，均從前緣逐漸向后減小，其最大值主要位于狹縫面前緣上端角部和中間0.6H～0.8H高度范圍內(nèi)且隨間距比的增大而減小，但整體干擾作用隨間距比的增大而趨向于平均.在間距比等于2時(shí)，狹縫面干擾因子最大值等于2.2，位于前緣上端角部處，這是因?yàn)樵摬课惶幱诹黧w加速分離的高流速區(qū)域，流體脈動(dòng)加劇，所以此處較為危險(xiǎn).由圖4b可以看出，和狹縫面不同，外側(cè)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子最大值主要位于后緣上端角部，但其值受間距比的影響較小，基本穩(wěn)定在1.2左右.此外，由于間距比增大，通過受擾建筑兩側(cè)的氣流趨向于對稱，所以整個(gè)外側(cè)面干擾因子大于1的范圍隨間距比的增大而整體略有增加.在圖4c中，迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子受間距比改變的影響較小，其值基本介于0.9～1.1之間，在間距比等于4時(shí)，整個(gè)迎風(fēng)面干擾因子分布非常均勻，這說明間距比增大，施擾建筑對于受擾建筑的影響逐漸減小，又因?yàn)橛L(fēng)面直接受來流作用，所以相對其他幾個(gè)表面，其受施擾建筑的影響就更小.圖4d為背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子，由圖可知，數(shù)值大于1的干擾因子范圍隨間距比的增大而略有增大，且其最大值出現(xiàn)位置逐漸靠近背風(fēng)面（2／3）H高度附近區(qū)域，當(dāng)間距比等于4時(shí)，干擾因子在背風(fēng)面大部分仍然大于1，這是由于施擾建筑的3維效應(yīng)仍然存在，導(dǎo)致受擾建筑周圍的湍流脈動(dòng)增加，也就是說當(dāng)間距比為4 時(shí)干擾效應(yīng)還是比較顯著的.

圖4 受擾建筑脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子隨間距比變化等值線圖（0°風(fēng)向角，ηh＝1.0）Fig.4 Contours of fluctuating pressure coefficient interference factors on each side of principal building at various spacing ratios at 0°wind direction（ηh＝1.0）

2.3 施擾模型高度變化的影響分析

在分析高度比變化對于受擾建筑表面風(fēng)壓的影響時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)［8－9］的結(jié)論，施擾建筑并列布置時(shí)存在小于2.0的臨界間距比，當(dāng)間距比大于該值時(shí)，受擾建筑的氣動(dòng)力特征變化趨于一致.通過對本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析也發(fā)現(xiàn)有此規(guī)律，所以在此僅考慮間距比為2.0的情況，其他間距比情況不再贅述.

2.3.1 平均風(fēng)壓系數(shù)

圖5是受擾建筑平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子等值線隨高度比變化分布圖.在圖5a中，狹縫面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子最大值隨高度比的增大而增大，其出現(xiàn)位置隨高度比的增大而上升，由高度比等于0.7時(shí)的0.5H上升到高度比等于1.3時(shí)的前緣上端角部，且此時(shí)值最大，接近2.3.這是因?yàn)楫?dāng)施擾建筑高度變化時(shí)，由施擾建筑上部產(chǎn)生的分離流會(huì)作用到受擾建筑不同的高度，又結(jié)合狹縫產(chǎn)生的高速流，導(dǎo)致了局部較大的負(fù)壓.相比之下，外側(cè)面的干擾因子要小于狹縫面，這可以從圖5b看出，干擾因子數(shù)值均大于1，也即施擾建筑的存在導(dǎo)致受擾建筑外側(cè)面的吸力增大.其最大值均位于后緣上端角部處且隨高度比的增大而增大，高度比等于1.3時(shí)，其值等于1.6.值得注意的是，在高度比等于0.7 時(shí)，外側(cè)面0.7H處以下的干擾因子也相對較大，反映了高度比變化對于受擾建筑的影響效果.在圖5c中，干擾因子均在1.0左右，且隨高度比增大只有微弱增加，說明高度比變化對于受擾建筑迎風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子的影響較小.在圖5d中，背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子最大值主要位于遠(yuǎn)離施擾建筑一側(cè)的上端角部處和中間部位且隨高度比的增大而增大，但中間部位的干擾因子最大值位置下移，其原因?yàn)楫?dāng)施擾建筑高度大于受擾建筑高度時(shí)，其對受擾建筑后的漩渦有壓制作用，導(dǎo)致背風(fēng)面下部的漩渦增強(qiáng)，在高度比等于1.3時(shí)，平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子最大值等于1.4.綜上可知，受擾建筑各個(gè)面干擾因子均隨高度比的增大而增大，即相鄰建筑物中較高的建筑物對較為低矮的建筑物有顯著的干擾作用，這和文獻(xiàn)［1］的研究結(jié)論是吻合的.

2.3.2 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)

圖5 受擾建筑平均風(fēng)壓系數(shù)干擾因子隨高度比變化等值線圖（0°風(fēng)向角，間距比為2.0）Fig.5 Contours of mean pressure coefficient interference factors on each side of principal building at various height ratios at 0°wind direction（Y／B＝2.0）

圖6 受擾建筑脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子隨高度比變化等值線圖（0°風(fēng)向角，間距比為2.0）Fig.6 Contours of fluctuating pressure coefficient interference factors on each side of principal building at various height ratios at 0°wind direction（Y／B＝2.0）

圖6是受擾建筑脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子等值線隨高度比變化分布圖.在圖6a中，狹縫面干擾因子最大值隨高度比的增大而增大且其位置隨高度比的增大而上升，在高度比等于1.3 時(shí)，數(shù)值接近2.7，位于狹縫面前緣上端角部，總體上其變化趨勢與平均風(fēng)壓一致，但干擾作用更為顯著.這說明建筑物周圍的特征湍流對于脈動(dòng)風(fēng)壓增大有很大的影響.由圖6b可以看出，外側(cè)面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子由前緣部分向后緣逐漸增大，其最大值出現(xiàn)在后緣上端角部處且隨高度比的增大而增大，而前緣的干擾因子數(shù)值均小于1，也即脈動(dòng)風(fēng)壓相對單體狀態(tài)減小.在圖6c中，與平均風(fēng)壓相似，迎風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子較為穩(wěn)定，但數(shù)值稍大，基本介于1.0～1.2 之間，其最大值均位于靠近內(nèi)側(cè)棱邊的上端角部處且數(shù)值隨高度比的增大而增大，最大為1.3.由圖6d可知，隨著高度比的增加，背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子增大且其最大值出現(xiàn)位置逐漸靠近背風(fēng)面中下部，在高度比等于1.3時(shí)，其最大值為1.3左右，可見施擾建筑高度較大時(shí)，壓制了受擾建筑上部的漩渦，導(dǎo)致其下部漩渦強(qiáng)度增大，從而脈動(dòng)增加.

3 結(jié)論

本文以平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)各自定義的干擾因子為研究對象，詳細(xì)分析了0°風(fēng)向角下，并列布置的2個(gè)方型建筑，施擾模型位置和高度變化對于受擾方柱表面平均和脈動(dòng)風(fēng)壓的影響.由以上對試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得出如下結(jié)論.

（1）高度比等于1.0，平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子最大值在狹縫面和外側(cè)面均隨間距比的增大而減小，但脈動(dòng)風(fēng)壓受干擾影響較大，間距比等于2時(shí)，其干擾因子在狹縫面取得最大值2.2；迎風(fēng)面和背風(fēng)面干擾因子最大值受間距比改變的影響均較小，僅隨間距比的增大而略有增大，但背風(fēng)面的干擾因子相對迎風(fēng)面大，其干擾因子最大值為1.4.

（2）間距比等于2.0，在建筑物狹縫面、外側(cè)面和背風(fēng)面，平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子均隨高度比的增加而增大，其中狹縫面脈動(dòng)風(fēng)壓放大最為明顯，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)干擾因子最大值達(dá)到2.7；背風(fēng)面脈動(dòng)干擾較弱，干擾因子為1.3左右.而在迎風(fēng)面，干擾因子受高度比的影響很小.

（3）并列布置時(shí)，受擾建筑狹縫面風(fēng)壓改變較為顯著，尤其是迎風(fēng)前緣的上端角部處，平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓均顯著放大，所以當(dāng)有臨近建筑物時(shí)，需要注意相應(yīng)部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)加固.

［1］ Khanduri A C，Stathopoulos T，Bedard C.Wind－induced interference effects on buildings：a review of the stateof－the－art［J］.Eng Struct，1998，20（7）：617.

［2］ Xie Z N，Gu M.Mean interference effects among tall buildings［J］.Eng Struct，2004，26（9）：11.

［3］ Gu M，Xie Z N.Along－wind dynamic interference effects of tall buildings［J］.Adv Struct Eng，2005，8，163.

［4］ Xie Z N，Gu M.Simplified formulas for evaluation of windinduced interference effects among three tall buildings［J］.J Wind Eng Ind Aerodyn，2007，95（1）：31.

［5］ Xie Z N，Gu M.Across－wind dynamic response of high－rise building under wind action with interference effects from one and two tall buildings［J］.The Structural Design of Tall and Special Buildings，2009，18（1）：37.

［6］ Ajith Kumar R，Gowda B，Sohn C.Interference excitation of a square section cylinder［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22（3）：599.

［7］ Zhang A，Gu M.Wind tunnel tests and numerical simulations of wind pressures on buildings in staggered arrangement［J］.J Wind Eng Ind Aerodyn，2008，96：2067.

［8］ Wong P T Y，Ko N W M，Chiu A Y W.Flow characteristics around two parallel adjacent square cylinders of different sizes［J］.J Wind Eng Ind Aerodyn，1995，54／55：263.

［9］ 陳素琴，顧明，黃自萍.兩并列方柱繞流相互干擾的數(shù)值研究［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2000，21（2）：131.CHEN Suqin，GU Ming， HUANG Ziping. Numerical computation of the flow around two square cylinders arranged side by side［J］.Applied Mathematics and Mechanics，2000，21（2）：131.

［10］ Architectural Institute of Japan.AIJ 2004 Recommendations for loads on buildings［S］.Tokyo：Architectured Institute of Japan，2004.

［11］ 韓寧，顧明.兩串列方柱局部脈動(dòng)風(fēng)壓干擾研究：第1部分 迎風(fēng)面效應(yīng)［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28（12）：188.HAN Ning，GU Ming.Interference effects on local fluctuating pressure of two square tall buildings in tandem arrangement：part 1 windward side effects［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28（12）：188.

［12］ Holmes John D.Wind loading of structures［M］.2nd ed.London：Taylor and Francis，2007：199.