青島某超高層住宅的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

李建峰 郁有升

(1.青島騰遠(yuǎn)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司，山東 青島 266071;2.青島理工大學(xué)，山東 青島 266033)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市用地越來(lái)越緊張，超高層建筑也越來(lái)越多，超高層建筑對(duì)風(fēng)荷載極為敏感，在風(fēng)的作用下極易發(fā)生大幅振動(dòng)，風(fēng)荷載是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一，因此對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及其響應(yīng)的研究是一項(xiàng)重要的研究工作，超高層建筑的風(fēng)荷載作用正受到學(xué)術(shù)界和工程界的極大關(guān)注[1-4]。

本文基于青島華潤(rùn)中心超高層1號(hào)住宅工程，在湖南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對(duì)模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)的位移、加速度響應(yīng)進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性、結(jié)構(gòu)三維風(fēng)振特性及舒適性進(jìn)行了分析。該樓位于青島市山東路10號(hào)，高度為201.15 m，1號(hào)樓的長(zhǎng)度和寬度分別為72.4 m和20.15 m，為超限高層建筑，采用鋼筋混凝土局部轉(zhuǎn)換剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀肁BS板制成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。模型與實(shí)物在外形上保持幾何相似，模型幾何縮尺比1∶300，周邊環(huán)境模型比例也為1∶300。將模型固定在風(fēng)洞試驗(yàn)室的轉(zhuǎn)盤上，圖1即為風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸苓吔ㄖ植记闆r。

圖1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸苓吔ㄖ植?/p>

2 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

該建筑剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該試驗(yàn)所使用的風(fēng)洞為直流式矩形截面邊界層風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面尺寸為3.0 m(寬)×2.5 m(高)，風(fēng)速范圍為0 m/s～20.0 m/s。流場(chǎng)性能良好，試驗(yàn)區(qū)流場(chǎng)的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5°。風(fēng)洞試驗(yàn)中使用了兩套測(cè)量系統(tǒng)，風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)和風(fēng)壓測(cè)量、記錄及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

鑒于該結(jié)構(gòu)所處地理位置及周邊建筑情況，大氣邊界層的特性按C類地表模擬，地面粗糙度指數(shù)α=0.22。考慮到周圍建筑的干擾，風(fēng)洞試驗(yàn)以主建筑物為中心，模擬半徑500 m范圍內(nèi)的主要建筑及地形。風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，將模型置于風(fēng)洞試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每一個(gè)風(fēng)向測(cè)量一組數(shù)據(jù)。風(fēng)向角間隔為15°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖2所示，總共有24個(gè)風(fēng)向。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的采樣時(shí)間為32 s，采樣頻率為312.5 Hz。試驗(yàn)風(fēng)速為10 m/s。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)向角圖

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了測(cè)取幕墻上的風(fēng)壓分布，在模型外表面上共布置了474個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中在頂部幕墻及雨篷處布置了雙層測(cè)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，將風(fēng)洞中受建筑影響較小的位置定為參考點(diǎn)，并在該參考點(diǎn)布置一個(gè)熱線風(fēng)速儀、來(lái)測(cè)量該點(diǎn)風(fēng)速，其他測(cè)試點(diǎn)的風(fēng)速通過(guò)與參考點(diǎn)比值而求得。試驗(yàn)時(shí)取參考點(diǎn)高度為67 cm，對(duì)應(yīng)大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)原型的高度為201 m。按風(fēng)氣候分析結(jié)果及我國(guó)GB 50009-2001(2006年版)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[5]，C類地貌、參考高度67 cm(相對(duì)實(shí)際為201 m)處的風(fēng)壓、風(fēng)速:50年重現(xiàn)期風(fēng)壓值為1.385 kPa，風(fēng)速為47.07 m/s;模型試驗(yàn)中符號(hào)約定以壓力向內(nèi)壓為正，向外吸為負(fù)。

3.1 風(fēng)壓系數(shù)

模型試驗(yàn)中符號(hào)約定以壓力向內(nèi)壓為正，向外吸為負(fù)。模型表面各點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)由下列公式給出:

其中，cpi(t)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系趇個(gè)測(cè)壓孔所在位置的風(fēng)壓系數(shù);pi(t)為該位置上測(cè)得的表面風(fēng)壓值;p0，p∞分別為參考點(diǎn)處測(cè)得的平均總壓和平均靜壓。對(duì)于雙側(cè)受風(fēng)的位置，內(nèi)外對(duì)應(yīng)布置兩個(gè)測(cè)壓孔，由內(nèi)外表面對(duì)應(yīng)的測(cè)壓點(diǎn)測(cè)出的壓力相減得到:

其中，Δcpi(t)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系趇個(gè)測(cè)壓孔所在位置的風(fēng)壓差系數(shù);pii(t)，p0i(t)分別為該位置內(nèi)外表面的風(fēng)壓值，為了簡(jiǎn)化敘述，本文均采用壓力系數(shù)cpi(t)來(lái)表示式(1)，式(2)兩種情況。

對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)壓，可以通過(guò)式(3)來(lái)求得脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值:

其中，Cpik為第i個(gè)測(cè)壓孔所在位置的風(fēng)壓差系數(shù)時(shí)程;N為樣本數(shù)。

依此可以求出測(cè)點(diǎn)的最大峰值風(fēng)壓系數(shù):

各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓通過(guò)風(fēng)壓系數(shù)與參考點(diǎn)風(fēng)壓相乘而得到，因此風(fēng)壓系數(shù)能直觀比較出各點(diǎn)的風(fēng)壓大小。

3.2 局部體型系數(shù)

為比較不同建筑體型的優(yōu)劣，還需要了解建筑的體型系數(shù)。測(cè)點(diǎn)體型系數(shù)的計(jì)算公式如下:

對(duì)于局部體型系數(shù)由下式得到:

其中，Ai為局部區(qū)域的某一小部分面積，其體型系數(shù)為μsi。建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)風(fēng)壓，一般參考24個(gè)風(fēng)向中最大的極值風(fēng)壓系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。得到風(fēng)壓系數(shù)后，再通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)速換算出參考高度處的實(shí)際風(fēng)壓。

3.3 風(fēng)壓值

根據(jù)風(fēng)壓系數(shù)可由下式得到風(fēng)壓值pi:

作用于建筑物表面的局部風(fēng)壓亦可由下式得到:

其中，βz為風(fēng)振系數(shù)(主要承重結(jié)構(gòu))或陣風(fēng)系數(shù)(圍護(hù)結(jié)構(gòu));Cpi為建筑原型上相應(yīng)第i測(cè)壓孔的位置的平均風(fēng)壓系數(shù);μzr為參考點(diǎn)的風(fēng)壓高度變化系數(shù);Cpiμzrw0為某重現(xiàn)期基本風(fēng)壓下的測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓值。

各測(cè)點(diǎn)的最大峰值風(fēng)壓及平均風(fēng)壓見(jiàn)表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，單測(cè)點(diǎn)最大平均風(fēng)壓系數(shù)為1.29，發(fā)生在 N5，風(fēng)向角為 180°，相應(yīng)的 50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值為1.79 kPa;雙測(cè)點(diǎn)最大平均風(fēng)壓系數(shù)為2.01，發(fā)生在PQ7，風(fēng)向角為255°，相應(yīng)的50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值為2.78 kPa。單測(cè)點(diǎn)全風(fēng)向極大峰值風(fēng)壓系數(shù)為2.54，發(fā)生在H7，風(fēng)向角為165°，相應(yīng)的50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值為3.51 kPa;雙測(cè)點(diǎn)全風(fēng)向極大峰值風(fēng)壓系數(shù)為2.39，發(fā)生在PQ3，風(fēng)向角為105°，相應(yīng)的50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值為 3.31 kPa。

表1 各層測(cè)點(diǎn)最大(峰值、平均)風(fēng)壓系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

由青島華潤(rùn)中心1號(hào)住宅樓風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果及分析可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)從青島華潤(rùn)中心1號(hào)住宅樓墻體外表面測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)結(jié)果可以看出，氣流在外墻面的棱角處出現(xiàn)明顯的分離，且在分離區(qū)出現(xiàn)較大的負(fù)壓;由于南北立面寬度大，在南北立面中部出現(xiàn)較大正風(fēng)壓，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。2)從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于周邊建筑的影響，出現(xiàn)了明顯的群體超高層風(fēng)干擾效應(yīng)。3)總體來(lái)說(shuō)，沿高度方向，較大正風(fēng)壓出現(xiàn)在大樓約1/2以上高度處，并且在主體結(jié)構(gòu)的四個(gè)周邊拐角區(qū)域、受內(nèi)外壓影響的頂部，其風(fēng)荷載較大;受周邊建筑的干擾，以至于極小峰值負(fù)壓分布特點(diǎn)不明顯。4)經(jīng)數(shù)據(jù)分析，并與以往類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相比較可以得出本試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)是可靠的，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

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