風場和周邊干擾對高層建筑峰值風壓的影響＊

李正農(nóng)，康建彬

（湖南大學 建筑安全與節(jié)能教育部重點試驗室，湖南 長沙 410082）

近年來，干擾問題成為建筑風工程研究的熱 點[1－4].韓寧，謝壯寧等[5－8]對2個高層建筑物的干擾效應(yīng)進行了研究，結(jié)果表明：受擾建筑所受的干擾與施擾建筑的相對位置以及形狀有關(guān)，當施擾建筑與受擾建筑串列或斜列布置時，施擾建筑對受擾建筑的迎風面和側(cè)風面的局部位置表現(xiàn)為遮擋效應(yīng).李壽英，謝壯寧等[9－10]對群體建筑物的干擾效應(yīng)進行了研究，結(jié)果表明：2個施擾建筑對受擾建筑的協(xié)同干擾作用大于單個施擾建筑的干擾作用，當施擾建筑位于受擾建筑左、右或下游時，受擾建筑背風面的風壓將顯著增大.

目前，已有文獻大多是針對某一特定風場情況下周邊建筑物的干擾效應(yīng)進行研究，但對高層建筑（有或者無周邊建筑物干擾）在風場類型變化時峰值風壓變化規(guī)律以及不同風場情況下周邊建筑物的干擾效應(yīng)的研究相對較少.本文通過對某一高層建筑縮尺模型的風洞實驗結(jié)果進行了分析，研究了高層建筑（有或者無周邊建筑物干擾）在風場類型變化時的峰值風壓變化規(guī)律以及B，C，D 3類風場情況下周邊建筑物對高層建筑的干擾效應(yīng).

1 實驗概況及數(shù)據(jù)處理

實驗在湖南大學建筑安全與節(jié)能教育部重點試驗室的HD－3大氣邊界層風洞中進行.

1.1 實驗概況

某高層建筑原型截面尺寸為長69m，寬39m，高235m，模型采用1∶300的比例尺，縮尺后其建筑模型的截面尺寸為長230mm，寬130mm，高783mm.沿模型豎向20個不同高度布置20層測點，A～Q層為建筑外墻層，每層布置28個測點，R層、S層、T層為幕墻層，內(nèi)外雙面布點，R層內(nèi)外各布置23個測點，S層、T層內(nèi)外各布置16個測點，共586個測點，其中A，I，Q層測點所處高度就建筑原型而言分別為9.3，104.2，204.8m，就模型而言分別為31，347，682mm.模型圖及測點布置如圖1所示.由圖1可以看出，高層建筑的標準層（高度大于30m）與非標準層平面并不是完全對稱.圖2給出了標準層和非標準層平面圖.依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[11]，在HD－3大氣邊界層風洞中采用格柵、尖劈、擋板和粗糙元等裝置模擬了B，C，D 3類風場，各類風場的風剖面及湍流度如圖3所示.圖4給出了3類風場的風剖面及湍流度.需要說明的是圖4和圖3的主要區(qū)別在于：圖3是對模擬風場的客觀描述，圖4側(cè)重于比較各類風場的風剖面和湍流度，由于不同風場梯度風高度處風速相同，為便于對比，圖4（a）中將各類風場梯度風高度處風速均取為1.每類風場均測量24個風向角條件下高層建筑模型的風壓分布，風向角間隔為15°.以原有建筑總圖分布的北向來風定義為0°風向角，測壓信號采樣頻率為312.5Hz，每個測點采集10 000個數(shù)據(jù).風向角示意圖如圖5所示，其中建筑物GCJZ即為本文研究對象.

由于建筑物GCJZ西立面干擾建筑較多、干擾較強并且復(fù)雜，北立面干擾建筑較矮、干擾較小，東立面無干擾建筑，這些立面均不利于進行干擾分析.而南立面干擾建筑物的高度和數(shù)量適中，比較有利于研究周邊狀況對于建筑物的干擾，故本文選取建筑物GCJZ南立面來進行分析，幕墻層（R至T層）不予考慮.

圖1 風洞實驗?zāi)Ｐ图皽y點布置圖Fig.1 The wind tunnel tests model and measuring point arrangement

圖2 標準層和非標準層平面圖Fig.2 Standard and non－standard floor plan layer

圖3 B，C，D 3類風場風剖面及湍流度Fig.3 The wind profile and turbulence intensity of terrain categories B，C and D

圖4 各類風場風剖面與湍流度比較Fig.4 Comparison of wind profile and turbulence intensity of terrain categories B and C，D

圖5 風向角示意圖Fig.5 Wind direction illustrations

為簡化表述，若無特別說明，下文中所出現(xiàn)高層建筑皆代表建筑物GCJZ（即本文所研究對象），南立面均代表建筑物GCJZ的南立面，測點均代表建筑物GCJZ南立面的測點，B（C，D）類風場的峰值風壓系數(shù)代表B（C，D）類風場情況下南立面測點的峰值風壓系數(shù).

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)建筑物表面基本風壓特征，第i號測點峰值風壓系數(shù)可按照以下公式計算：

式中：vT，j為j類風場所對應(yīng)的梯度風高度處的平均風速；j（B，C，D）表示風場類型；Zr為參考點高度；vr，j為j類風場下參考高度處的平均風速，本次風洞實驗參考高度統(tǒng)一為0.8m，對應(yīng)實際高度為240m；HG，j和αj分別為j類風場所對應(yīng)的梯度風高度和平均風剖面冪函數(shù)指數(shù).因為各類風場下基于梯度風高度的參考風壓是一致的，為便于對比，本文所求風壓系數(shù)皆以對應(yīng)風場下梯度風高度的風壓為參考風壓.

式中：i為測點編號；和分別為j類風場下i號測點風壓時域信號平均值與靜壓時域信號平均值；0.5ρvT，j為j類風場所對應(yīng)的梯度風高度處的參考風壓；σprms，i，j為j類風場i號測點的脈動風壓；和CPrms，i，j分別為j類風場下i號測點的平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù).

式中：為j類風場下i號測點的峰值風壓系數(shù)；k為峰值因子.本文主要討論風場類別和周邊干擾對峰值風壓的影響，根據(jù)相關(guān)文獻[12]，為簡化計算，干擾因子統(tǒng)一取為3.5.

2 峰值風壓特性

為更好地研究風場類型和周邊干擾對高層建筑峰值風壓的影響，本文選取了高層建筑除幕墻層外的底層測點A層，中間層測點I層和頂層測點Q層測點以及南立面對稱軸測點（即4號測點）的峰值風壓系數(shù)進行分析.

2.1 無周邊建筑物干擾時不同風場情況下南立面峰值風壓對比分析

圖6為無周邊建筑物干擾時南立面A，I和Q層測點的峰值風壓系數(shù)，圖7為無周邊建筑干擾時南立面A～Q層4號測點的峰值風壓系數(shù).

從圖6和圖7可以看出，當高層建筑物無周邊建筑物干擾，風場類型變化時，該建筑物南立面的峰值風壓系數(shù)的變化規(guī)律如下：

在0°風向角作用下，南立面處于背風面，峰值風壓系數(shù)為負；就風場類型而言，B類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于C類風場，最大可為C類風場條件下的122%，C類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于D類風場，最大可為D類風場條件下的109%；就測點所處高度而言，峰值風壓系數(shù)絕對值表現(xiàn)為中間略小于兩端；就同一水平位置而言，同層測點峰值風壓系數(shù)變化不大.

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圖6 無周邊建筑干擾時南立面A，I和Q層測點峰值風壓系數(shù)分布Fig.6 No peripheral interference the peak wind pressure coefficient distribution chart of each measuring point of A I and Q layer on the south facade

圖7 無周邊建筑物干擾時南立面A～Q層4號測點峰值風壓系數(shù)分布Fig.7 No peripheral interference No.4measuring point peak wind pressure coefficient distribution chart of A～Q layer on the south facade

在90°風向角作用下，南立面處于側(cè)風面，峰值風壓系數(shù)為負.就風場類型而言，B類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于C類風場，最大可為C類風場條件下的129%，C類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于D類風場，最大可為D類風場條件下的141%，且隨著高度的升高，兩類風場之間峰值風壓系數(shù)的差值逐漸減小.就測點所處高度而言，峰值風壓系數(shù)絕對值表現(xiàn)為中間大兩端小.就同一水平位置而言，A層和Q層測點的峰值風壓系數(shù)絕對值隨著氣流流動的方向逐漸減小，I層測點峰值風壓系數(shù)表現(xiàn)為中間大于兩邊.

在180°風向角作用下，南立面處于迎風面，但是由于高層建筑部分邊緣測點受漩渦脫落的影響，峰值風壓系數(shù)有正有負.就風場類型而言，160m高度（高層建筑高度的2／3）以下，B類風場的峰值風壓系數(shù)大于C，D兩類風場，最大可為C，D兩類風場條件下的127%，C，D兩類風場的峰值風壓系數(shù)較為接近，相差在8%以內(nèi)，160m高度以上，D類風場的峰值風壓系數(shù)大于B類風場，最大可為B類風場條件下的112%，B類風場的峰值風壓系數(shù)大于C類風場，最大可為C類風場條件下的106%.就測點所處高度而言，隨著測點所在高度的升高，測點的峰值風壓系數(shù)先增大后減小，增大幅度最大的為D類風場，達到了73%，增大幅度最小為B類風場，為26%，由于峰值風壓的大小主要受平均風壓和脈動風壓的影響，因此各類風場的風剖面及湍流度沿高度的變化（如圖3所示）是造成此現(xiàn)象的主要原因.就同一水平位置而言，同層測點的峰值風壓系數(shù)表現(xiàn)為中間大于兩邊.

在270°風向角作用下，南立面處于側(cè)風面，峰值風壓系數(shù)為負，其分布規(guī)律與90°（側(cè)風面）風向角作用下存在差別，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于高層建筑標準層平面具有不對稱性，高層建筑東立面外型上存在明顯突變，而西立面不存在明顯突變.當風向角為90°時（側(cè)風面），風從東立面吹來，當風向角為270°時（側(cè)風面），風從西立面吹來，迎風面的寬度并不相同（具體參見圖1，圖2和圖5），氣流繞側(cè)風面的流動規(guī)律也不一致.從而導致90°和270°風向角作用時，其測點的峰值風壓系數(shù)分布規(guī)律并不一致.就風場類型而言，B類風場的峰值風壓系數(shù)大于C，D兩類風場，最大可為C，D兩類風場條件下的153%，90m高度（高層建筑高度的3／8）以下，C類風場的峰值風壓系數(shù)大于D類風場，最大可為D類風場條件下的121%，90m高度以上，D類風場的峰值風壓系數(shù)大于C類風場，最大可為C類風場條件下的106%.就測點所處高度而言，表現(xiàn)為中間大于兩端.就同一水平位置而言，A層和Q層測點的峰值風壓系數(shù)絕對值隨著氣流流動的方向逐漸減小，I層測點的峰值風壓系數(shù)表現(xiàn)為中間大于兩邊.

2.2 有周邊建筑干擾時不同風場情況下南立面峰值風壓對比分析

圖8為有周邊建筑物干擾時南立面A，I和Q層測點的峰值風壓系數(shù)，圖9為有周邊建筑物干擾時南立面4號測點的峰值風壓系數(shù).周邊干擾建筑具體布置情況如圖1和圖5所示.

圖8 有周邊建筑干擾時南立面A，I和Q層測點峰值風壓系數(shù)分布Fig.8 With peripheral interference the peak wind pressure coefficient distribution chart of each measuring point of A I and Q layer on the south facade

圖9 有周邊建筑干擾時南立面A～Q層4號測點峰值風壓系數(shù)分布Fig.9 With peripheral interference No.4measuring point peak wind pressure coefficient distribution chart of A～Q layer on the south facade

從圖8和圖9可以看出，當高層建筑有周邊建筑物干擾，風場類型變化時，該建筑物南立面的峰值風壓系數(shù)的變化規(guī)律如下：

在0°風向角作用下，就風場類型而言，B類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于C類風場，最大可為C類風場條件下的117%，C類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于D類風場，最大可為D類風場條件下的119%.就測點所處高度而言，峰值風壓系數(shù)絕對值表現(xiàn)為中間大兩端小.就同一水平位置而言，由于受到周邊建筑的干擾，A層測點峰值風壓系數(shù)絕對值表現(xiàn)為中間大于兩邊，I層和R層測點峰值風壓系數(shù)沿水平位置變化不大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于0°風向角時，周邊建筑對南立面的干擾較復(fù)雜，隨著測點高度的升高，干擾有所減小.

在90°風向角作用下，就風場類型而言，B類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于C類風場，最大可為C類風場條件下的148%，C類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值大于D類風場，最大可為D類風場條件下的130%.就測點所處高度而言，隨著測點高度的升高，測點的峰值風壓系數(shù)絕對值表現(xiàn)為中間大于兩端.就同一水平位置而言，規(guī)律與無周邊情況類似.在180°風向角作用下，就風場類型而言，B類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值略大于C類風場，最大可為C類風場條件下的113%，C類風場的峰值風壓系數(shù)絕對值略大于D類風場，最大可為D類風場條件下的112%.就測點所處高度而言，隨著測點高度的升高，峰值風壓系數(shù)先增大后減小，增大幅度最大的仍為D類風場，達到了129%，增大幅度最小的仍為B類風場，為99%.就同一水平位置而言，測點的峰值風壓系數(shù)絕對值表現(xiàn)為中間大于兩邊.

2.3 有、無周邊建筑物干擾時不同風場情況下南立面峰值風壓對比分析

上文已詳細討論高層建筑有或者無周邊建筑干擾時，不同風場情況下高層建筑峰值風壓的變化規(guī)律，故本部分不重復(fù)討論.本部分著重研究同類風場情況下，高層建筑在有周邊建筑物干擾時，其峰值風壓系數(shù)相對于無周邊建筑干擾時的變化.圖10給出了B，C和D 3類風場下高層建筑有、無周邊建筑干擾時南立面A，I，Q層測點峰值風壓系數(shù)分布，圖11給出了B，C，D 3類風場下高層建筑有、無周邊建筑干擾時南立面A～Q層4號測點峰值風壓系數(shù)分布.

從圖10和圖11可以看出，當有周邊建筑物干擾時，各個風向角下測點的峰值風壓系數(shù)已經(jīng)發(fā)生改變，具體表現(xiàn)為：

圖10 有、無周邊建筑干擾時南立面A，I和Q層測點峰值風壓系數(shù)分布Fig.10 With and without peripheral interference The peak wind pressure coefficient distribution chart of each measuring point of A I and Q layer on the south facade

圖11 有、無周邊建筑干擾時南立面A～Q層4號測點峰值風壓系數(shù)分布Fig.11 With and without peripheral interference No.4measuring point peak wind pressure coefficient distribution chart of A～Q layer on the south facade

在0°風向角作用時，南立面處于背風面.同類風場情況下，當有周邊建筑物干擾時，測點的峰值風壓系數(shù)變化趨勢以及大小發(fā)生改變.就測點所處高度而言，發(fā)生改變最大處約在G4測點所處位置（約為建筑物高度的1／3），在此高度處，測點的峰值風壓系數(shù)絕對值均增大，增大幅度最大的為C類風場，達到了74%，增大幅度最小的為D類風場，為36%.就同一層測點而言，隨著測點所處位置的不同，其峰值風壓系數(shù)大小改變亦不相同，A1～A4號測點的峰值風壓系數(shù)絕對值增大，A5～A7號測點的峰值風壓系數(shù)絕對值卻減小，I層測點峰值風壓系數(shù)絕對值也有所增大，Q層測點峰值風壓系數(shù)變化不大，相差在10%以內(nèi).產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于A1～A4號測點所靠近的高層建筑西側(cè)干擾建筑分布復(fù)雜，A5～A7號測點所靠近的高層建筑東側(cè)無干擾建筑，A層和I層測點所處高度位于周邊干擾建筑高度范圍內(nèi)，導致其所受干擾較大，Q層測點所在高度處于周邊干擾建筑高度范圍外，所受干擾較小.

在90°風向角作用時，南立面處于側(cè)風面，同類風場情況下，當有周邊建筑物干擾時，測點的峰值風壓系數(shù)變化趨勢與無周邊建筑干擾時基本一致，但其峰值風壓系數(shù)大小卻發(fā)生改變.隨著風場類型、測點所處高度以及位置的不同，測點的峰值風壓系數(shù)變化并不一致，有增大，有減小的，也有保持基本不變的.例如圖中A7測點，B類風場有周邊干擾情況下，其峰值風壓系數(shù)相對于無周邊建筑干擾來說增大了29%，而D類風場有周邊建筑干擾情況下，其峰值風壓系數(shù)相對無周邊建筑干擾來說卻基本不變.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于來流、干擾建筑F靠近南立面的棱邊產(chǎn)生的分離流、干擾建筑F上部產(chǎn)生的分離流、高層建筑自身產(chǎn)生分離流摻混到一起，而不同風場產(chǎn)生的分離流的運動并不一致，不同高度不同位置處氣流摻混的程度也不一致.

在180°風向角作用時，南立面處于迎風面，同類風場情況下，當有周邊建筑物干擾時，測點的峰值風壓系數(shù)變化趨勢與無周邊基本一致，但其大小卻發(fā)生改變，少數(shù)靠近棱邊的測點峰值風壓系數(shù)或變大或由正變負，例如圖中的A1測點峰值風壓系數(shù)增大，A6，A7和J7等測點的峰值風壓系數(shù)由正變負，絕大多數(shù)測點的峰值風壓系數(shù)均減小，B類風場時其最大減小幅度達到了43%，C類風場時可達37%，D類風場時可達46%.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于當風向角為180°時，干擾建筑E，F(xiàn)對南立面而言主要表現(xiàn)為遮擋作用，所以絕大多數(shù)測點峰值風壓系數(shù)減小，而干擾建筑物E，F(xiàn)側(cè)風面產(chǎn)生的分離流以及干擾建筑F背風面產(chǎn)生的尾流與來流摻混到一起，形成復(fù)雜的空氣運動，致使部分測點的峰值風壓系數(shù)或變大或由正變負.

在270°風向角作用時，南立面處于側(cè)風面，同類風場情況下，當有周邊建筑物干擾時，測點的峰值風壓系數(shù)變化趨勢發(fā)生改變，測點的峰值風壓系數(shù)均減小，三類風場情況下其測點的峰值風壓系數(shù)最大減小幅度基本接近，分布在75%左右，且在高層建筑135m（干擾建筑C，D，H，G高度）至175m（干擾建筑E高度）高度處，隨著測點所處高度的升高，其峰值風壓系數(shù)的減小幅度減小，175m高度以上，其峰值風壓系數(shù)的減小幅度趨于穩(wěn)定，但低于其下部測點的減小幅度.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于135m高度以下，南立面受到干擾建筑C，D，E等的干擾，干擾較復(fù)雜，且其對南立面主要表現(xiàn)為遮擋效應(yīng).135～175m高度處，對南立面產(chǎn)生干擾效應(yīng)的主要是干擾建筑E，干擾建筑C，D產(chǎn)生的干擾減小.175m高度以上，由于其測點高度高于周邊干擾建筑高度，所受周邊建筑干擾較小.270°和90°風向角作用時，南立面雖同處側(cè)風面，但測點的峰值風壓系數(shù)變化趨勢與變化幅度卻明顯不同.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于當風向角為270°時，風從高層建筑西面吹來，高層建筑上游眾多干擾建筑（具體如圖3所示）對氣流的運動產(chǎn)生顯著影響，對南立面而言，干擾復(fù)雜.當風向角為90°時，風從高層建筑東面吹來，高層建筑上游并無干擾建筑，對南立面產(chǎn)生干擾的主要是干擾建筑F，干擾較簡單.

3 結(jié) 論

本文通過對風場和周邊干擾對高層建筑峰值風壓的影響進行了研究，得出如下結(jié)論：

風場類型對高層建筑峰值風壓有著較大影響，當高層建筑周邊環(huán)境不變（有或者無周邊干擾）時，絕大多數(shù)情況下，B類風場時高層建筑的峰值風壓系數(shù)大于C類風場，最大可達C類風場條件下的153%，C類風場大于D類風場，最大可達D類風場條件下的141%.

周邊干擾對高層建筑峰值風壓的影響不僅與周邊建筑的相對位置有關(guān)，還與高層建筑有、無周邊時所處的風場類型有關(guān).南立面為迎風面時，干擾建筑E，F(xiàn)位于南立面斜前方，表現(xiàn)為遮擋效應(yīng)，絕大多數(shù)測點的峰值風壓系數(shù)均減小，B類風場時其最大減小幅度達到了43%，C類風場時可達37%，D類風場時可達46%.

城市化的變遷過程，對于高層結(jié)構(gòu)抗風來說，其實質(zhì)是高層建筑所處的風場類型、周邊環(huán)境發(fā)生變化的過程，此時，高層建筑局部位置所承受的峰值風壓可能變大，可能變小，甚至由正變負，由負變正，這一點尤其要引起結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的注意.

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