臺風(fēng)“凡亞比”作用下超高層建筑風(fēng)壓特性的現(xiàn)場實測與風(fēng)洞試驗對比研究

史文海，李正農(nóng)，羅疊峰

（1.溫州大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，溫州 325035；2.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，長沙 410082）

0 引 言

東南沿海是我國經(jīng)濟最發(fā)達(dá)的區(qū)域，有大量的超高層建筑。近年來隨著該地區(qū)的人口和社會財富的迅速增加，以及高層建筑的材料與設(shè)計理念的創(chuàng)新，該地區(qū)的高層建筑正朝越來越多、越來越高和越來越柔的方向發(fā)展。由于超高層建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率較低，恰位于臺風(fēng)動荷載的主要頻率范圍或與其接近，在強／臺風(fēng)的作用下其風(fēng)致響應(yīng)較大，成為影響該地區(qū)超高層建筑安全性和適用性設(shè)計的關(guān)鍵控制指標(biāo)。因此，超高層建筑的風(fēng)荷載作用問題受到了學(xué)術(shù)界和工程界極大的關(guān)注和重視。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了較多的超高層建筑風(fēng)荷載特性的風(fēng)洞試驗研究，如文獻(xiàn)［1－6］所做的工作。風(fēng)洞試驗方法可根據(jù)試驗?zāi)康倪M(jìn)行多次重復(fù)試驗，便于多工況、多層次開展深入細(xì)致的研究，是風(fēng)工程研究的主要手段。

現(xiàn)場實測是獲得超高層建筑風(fēng)效應(yīng)狀況最可靠的方法，風(fēng)洞試驗、理論分析和數(shù)值模擬得出的結(jié)果，最終還是要通過現(xiàn)場實測進(jìn)行驗證，現(xiàn)場實測結(jié)果也是改進(jìn)其他研究方法的依據(jù)和參照。因此，積極開展現(xiàn)場實測研究具有非常重要的意義。在國外，Lee［7］、Ohkuma［8］、Kanda［9］等對高層建筑進(jìn)行了較多的現(xiàn)場實測研究，在高層建筑風(fēng)壓分布特性和風(fēng)致響應(yīng)等方面獲得了許多成果。在國內(nèi)，李秋勝［10］、徐安［11］、顧明［12］和申建紅［13］等通過大量觀測研究，獲得了我國沿海超高層建筑的強／臺風(fēng)風(fēng)場特性和結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)特征等成果。然而，目前國內(nèi)外對于臺風(fēng)作用下超高層建筑表面風(fēng)壓的現(xiàn)場實測研究仍然匱乏，目前國內(nèi)已開展的大量高層建筑風(fēng)洞試驗也沒有與現(xiàn)場實測進(jìn)行對比研究。

為此，本文基于2010年臺風(fēng)“凡亞比”作用下廈門沿海某超高層建筑表面風(fēng)壓的現(xiàn)場實測，與2011年在湖南大學(xué)HD－3大氣邊界層風(fēng)洞中開展的該實驗樓的風(fēng)洞模型試驗進(jìn)行了對比研究，探討了臺風(fēng)作用下超高層建筑表面的風(fēng)壓特性及其變化規(guī)律。

1 現(xiàn)場實測概況

1.1 實驗樓概況

實驗樓為廈門市東海岸的觀音山營運中心11號樓，離海邊約400m，建筑東面無任何阻擋，附近高層建筑較少，視野開闊。該樓為該海岸附近最高建筑，共37層，高146m。圖1為該實驗樓及其周邊環(huán)境。

圖1 實驗樓及其周圍環(huán)境Fig.1 Test building and its surrounding environment

在本次實測過程中風(fēng)主要從東海一側(cè)吹向?qū)嶒灅牵|偏東南風(fēng)），實驗樓位于高層建筑群的最東側(cè)（1臺風(fēng)速儀亦架設(shè)在實驗樓的最東側(cè)）且明顯高于該區(qū)域內(nèi)的其他建筑，如圖1所示，分析可知實測獲得的臺風(fēng)風(fēng)場基本上沒有受到周圍建筑的影響。所以，本次實測獲得的直接從海面吹來且未受周圍環(huán)境干擾的臺風(fēng)風(fēng)場和建筑表面風(fēng)壓數(shù)據(jù)極為可貴，對超高層建筑的風(fēng)場和風(fēng)壓特性研究具有重要的科學(xué)意義。

1.2 實測儀器介紹

采用CY2000型風(fēng)壓傳感器測試建筑表面的風(fēng)壓，如圖2（a）所示。在大樓的東南和西北角各安裝了1臺RM.Young 05103V型機械式風(fēng)速儀（如圖2b）進(jìn)行風(fēng)場觀測，風(fēng)速儀離地高度約150m。通過同一臺電腦控制兩套32和64通道高精度動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，同步對2臺風(fēng)速儀的風(fēng)速和風(fēng)向角數(shù)據(jù)、18臺風(fēng)壓傳感器的風(fēng)壓數(shù)據(jù)和6個樓層共12臺拾振器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同步采集。

1.3 實測概況

為獲得超高層建筑表面的風(fēng)壓特性及其分布規(guī)律，在實驗樓的第33層四周玻璃幕墻外表面同時布置了18個風(fēng)壓測點。試驗中有1個測點的風(fēng)壓傳感器發(fā)生故障，有2個測點的數(shù)據(jù)異常，故有效測點數(shù)為15個。有效測點平面布置如圖3所示。

2010年第11號臺風(fēng)“凡亞比”于9月20日7時在福建省漳州市漳浦縣沿海登陸，登陸地點距試驗點約95km，登陸時最大風(fēng)力12級（35m／s），中心最低氣壓為97kPa。在20日5時臺風(fēng)中心距實驗樓最近，約為60km。于9月20日利用上述實測系統(tǒng)開展了超高層建筑風(fēng)場、風(fēng)壓和風(fēng)致響應(yīng)的同步實測，其中風(fēng)壓信號采樣頻率為20Hz，風(fēng)場和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號采樣頻率為25.6Hz。實測獲得了臺風(fēng)“凡亞比”登陸前后約3小時12分鐘（04：41：47至07：53：27）的風(fēng)場、風(fēng)壓和結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)時程。

圖2 現(xiàn)場實測儀器Fig.2 Photos of field measurement instruments

圖3 建筑平面與風(fēng)壓傳感器測點布置圖（單位：m）Fig.3 Top view and locations of the pressure sensors

2 風(fēng)洞試驗概況

2.1 試驗?zāi)Ｐ图帮L(fēng)場模擬

為模擬實測環(huán)境，將實驗樓的兩幢相鄰高層建筑在風(fēng)洞試驗中予以考慮。測壓模型的幾何縮尺比為1∶200，模型試驗以實驗樓為中心，進(jìn)行群體風(fēng)洞試驗，如圖4所示。

試驗在湖南大學(xué)風(fēng)洞實驗室的HD－3大氣邊界層風(fēng)洞中開展。按我國GB 50009－2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［14］，實驗樓所處場地屬于A類地貌，地面粗糙度指數(shù)取a＝0.12。采用大氣邊界層模擬裝置尖塔和粗糙元模擬a＝0.12的湍流場，并參考實驗樓實測風(fēng)場湍流特性，模擬出平均風(fēng)速（U）剖面和湍流度（Iu）剖面，如圖5所示。

圖4 實驗樓及其周邊建筑的風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ虵ig.4 Building model and its surrounding environment

圖5 平均風(fēng)剖面和湍流度剖面Fig.5 Mean wind speed profile and turbulence intensity profile

2.2 測點布置與數(shù)據(jù)采集

測壓模型總共布置了15個測點層，246個測點。本試驗的重點是為了對比現(xiàn)場實測樓層處的風(fēng)壓系數(shù)，故在試驗?zāi)Ｐ偷膶?yīng)位置布置了測點層，且在其上下測點層測點布置也較密，即在第32層、33層（現(xiàn)場實測層）、34層各層布置了22個測點，并盡量和現(xiàn)場實測的測點布置位置相同。其他樓層每層只布置了15個測點，但每層所有測點的位置均一樣?，F(xiàn)場實測層（第33層）測點編號及布置如圖6所示。

風(fēng)洞試驗采樣頻率為312.5Hz，每個測點采樣樣本總長度為10000個數(shù)據(jù)。以現(xiàn)場實測得到的風(fēng)向角數(shù)據(jù)為參考，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，在0°～90°之間選取了24個風(fēng)向角進(jìn)行同步測壓試驗。風(fēng)洞試驗風(fēng)向角示意圖如圖7所示。

圖6 測點布置圖Fig.6 Arrangements of test points

圖7 風(fēng)洞試驗風(fēng)向角示意圖Fig.7 Wind directions of wind tunnel test

3 實測風(fēng)速風(fēng)向角

選取2010年9月20日實測獲得的臺風(fēng)“凡亞比”登陸前后約3小時12分鐘的風(fēng)場數(shù)據(jù)（如圖8）進(jìn)行分析，相應(yīng)的計算公式見文獻(xiàn)［15］。實測風(fēng)向角定義北風(fēng)為φ＝0°，南風(fēng)為φ＝180°，依此類推，如圖3所示。由圖8可以看出臺風(fēng)“凡亞比”風(fēng)場的脈動較大，風(fēng)速基本在10～30m／s范圍內(nèi)，其中瞬時風(fēng)速最大值為33.4m／s，風(fēng)向角基本在90°～140°范圍內(nèi)。

圖9給出了臺風(fēng)“凡亞比”的10min平均風(fēng)速（U10）、風(fēng)向角時程。其中總體平均風(fēng)速為19.50m／s，平均風(fēng)向角為114.6°，10min平均風(fēng)速最大值為24.96m／s，10min平均風(fēng)向角為東偏東南向。

圖8 風(fēng)速、風(fēng)向角時程Fig.8 Time series of wind speed and wind direction

圖9 10min平均風(fēng)速、風(fēng)向角時程Fig.9 Time series of 10min mean wind speed and wind direction

圖10給出了10min平均時距順風(fēng)向、橫風(fēng)向湍流度隨著平均風(fēng)速的變化情況。可以看出，順風(fēng)向湍流度隨著平均風(fēng)速的增加呈遞減趨勢，而橫風(fēng)向湍流度相對穩(wěn)定。順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流度平均值分別為0.117和0.082。

圖10 湍流度與10min平均風(fēng)速的關(guān)系Fig.10 Relationship between turbulence intensity and 10min mean wind speed

4 實測風(fēng)壓特性

4.1 瞬時風(fēng)壓

圖11給出了臺風(fēng)“凡亞比”作用下實驗樓第33層玻璃幕墻外表面15個有效測點的風(fēng)壓（p）變化時程。結(jié)合圖8，從圖11可以看出，各測點風(fēng)壓脈動較大，尤其是在風(fēng)向角變化較大的時間段內(nèi)風(fēng)壓脈動非常劇烈；4個面內(nèi)測點之間的脈動風(fēng)壓相關(guān)性較強，如經(jīng)過計算，東南面（面D）整個風(fēng)壓時程中測點12、13、14、15之間的風(fēng)壓相關(guān)系數(shù)分別為0.975、0.828、0.679、0.836、0.6901和0.882。

4.2 平均風(fēng)壓

在不可壓低速氣流下，考慮無粘且忽略體積力的作用，流動為定常的。根據(jù)伯努利方程，將平均風(fēng)速換算成基本風(fēng)壓［16］：

式中取重力加速度g＝9.81m／s2，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣容重γ＝0.012018kN／m3，ρ＝γ／g；U10為風(fēng)壓傳感器所在高度的10min平均風(fēng)速，按實驗樓頂部測得的風(fēng)速計算得出。

圖12給出了各測點的10min平均風(fēng)壓與基本風(fēng)壓（計算值）變化時程，其中基本風(fēng)壓由式（1）計算出。對圖12結(jié)果的分析如下：

圖11 臺風(fēng)“凡亞比”作用下建筑表面的風(fēng)壓時程Fig.11 Time series of wind pressure on the test building during passage of typhoon Fanabi

東北面A：在風(fēng)向角較小的前70min，該面雖為迎風(fēng)面，但風(fēng)主要吹向東南面D，靠近迎風(fēng)角部測點1、2的值均為正；隨著風(fēng)向角由東轉(zhuǎn)向東南，該面基本變?yōu)榱藗?cè)風(fēng)面，測點1和2的值逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)。測點3在該面的中部位置，基本為負(fù)值。

西北面B：為背風(fēng)面，各測點實測值的變化規(guī)律非常一致，且均為較小的負(fù)值。

西南面C：為背風(fēng)面，均為負(fù)值；角部測點12受旋渦脫落的影響，負(fù)壓最大；在風(fēng)向角最大的第100min～120min內(nèi)，風(fēng)接近垂直吹向面D，面C基本變?yōu)榱藗?cè)風(fēng)面，受旋渦脫落再附著的影響，致使該面左側(cè)測點7、8與右側(cè)測點9、10、11的平均風(fēng)壓值和變化規(guī)律相差甚大。

東南面D：為迎風(fēng)面，值為正且較大；該面前70min的基本風(fēng)壓在各測點實測值之間，之后風(fēng)接近垂直吹向該面，基本風(fēng)壓均明顯小于實測值。

圖12 10min平均風(fēng)壓實測值與理論計算結(jié)果的對比Fig.12 The comparison between measured 10min mean wind pressure and computational result

4.3 平均風(fēng)壓系數(shù)

在全尺度測量試驗中，平均風(fēng)壓系數(shù)定義為：

式中p10為實測風(fēng)壓的10min平均值；ρ為空氣密度；Uh，10為風(fēng)壓傳感器所在高度的10min平均風(fēng)速，可按實驗樓頂部測得的風(fēng)速計算得出。圖13給出了各面的平均風(fēng)壓系數(shù)時程。對圖13結(jié)果的分析如下：

東北面A：該面的平均風(fēng)壓系數(shù)時程與其平均風(fēng)壓時程非常相似，值在－1～1之間。

西北面B：該面的平均風(fēng)壓系數(shù)時程與其平均風(fēng)壓時程非常相似，其值基本在－0.7以內(nèi)。

西南面C：值均為負(fù)，除了測點9和11的負(fù)值較大外，其他測點值均在－1以內(nèi)。

東南面D：隨著風(fēng)向角由東轉(zhuǎn)向東南，風(fēng)逐漸垂直吹向該面，其值逐漸增大，甚至有部分值超過2；測點13位于該面內(nèi)凹的陽臺處，其值較小。

總體來看，迎風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)較大（有部分值超過2），迎風(fēng)面迎風(fēng)角部位置的平均風(fēng)壓系數(shù)較中部位置的大；背風(fēng)面少數(shù)角部測點的平均風(fēng)壓系數(shù)的負(fù)值較大；隨著風(fēng)向角的變化，各面內(nèi)平均風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

圖13 平均風(fēng)壓系數(shù)時程Fig.13 Time series of 10min mean pressure coefficients

圖14給出了各測點的平均風(fēng)壓系數(shù)隨著風(fēng)向角的變化情況和分布規(guī)律?？梢钥闯觯S著風(fēng)向角的增大，風(fēng)逐漸垂直吹向面D，面D的平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸增大，而面A則由迎風(fēng)面逐漸變?yōu)榱藗?cè)風(fēng)面，其平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小直至全為負(fù)值；隨著風(fēng)向角的增大，背風(fēng)面B的負(fù)值總體上較小且變化較小，而面C（逐漸變成了側(cè)風(fēng)面）的負(fù)值則逐漸增大且變化較大。總體來看，圖14清晰地揭示出了建筑各面平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。

圖14 不同風(fēng)向角情況下各測點的平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.14 Mean pressure coefficients distribution of every test point under different wind directions

圖15給出了各測點平均風(fēng)壓系數(shù)與10min平均風(fēng)速之間的關(guān)系?？梢钥闯觯髅娴钠骄L(fēng)壓系數(shù)幅值隨著平均風(fēng)速的增大基本呈減小的趨勢。

圖15 平均風(fēng)壓系數(shù)與平均風(fēng)速之間的關(guān)系Fig.15 Relationship between mean pressure coefficients and 10min mean wind speed

4.4 脈動風(fēng)壓系數(shù)

脈動風(fēng)壓系數(shù)Cprms可定義為：

式中pi為實測瞬時風(fēng)壓；T為平均時距，本文取10min。

圖16給出了各測點的脈動風(fēng)壓系數(shù)時程?？梢钥闯?，各面的脈動風(fēng)壓系數(shù)時程呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律；迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的值較大，背風(fēng)面B的值非常小，基本在0.2以內(nèi)。

圖16 脈動風(fēng)壓系數(shù)時程Fig.16 Time series of fluctuating pressure coefficients

圖17給出了各測點脈動風(fēng)壓系數(shù)與10min平均風(fēng)速之間的關(guān)系。可以看出，建筑各面的脈動風(fēng)壓系數(shù)隨著平均風(fēng)速的增大呈明顯的遞減趨勢。

5 風(fēng)洞試驗與現(xiàn)場實測結(jié)果的對比

對風(fēng)洞試驗測得的風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計分析，可得到平均風(fēng)壓系數(shù)。建筑模型各測點的平均風(fēng)壓系數(shù)可按下式計算：

式中為平均風(fēng)壓系數(shù)，為測點的平均風(fēng)壓，Uz為模型高度z處前方來流未擾動區(qū)的平均風(fēng)速。

圖17 脈動風(fēng)壓系數(shù)與平均風(fēng)速之間的關(guān)系Fig.17 Relationship between fluctuating pressure coefficients and 10min mean wind speed

選取前述平均風(fēng)壓系數(shù)的實測值與該實驗樓第33層測點的部分風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。圖18給出了部分風(fēng)向角工況下實驗樓第33層各面實測平均風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗結(jié)果的對比。該圖中的現(xiàn)場實測風(fēng)向角統(tǒng)一換算成了風(fēng)洞試驗時的風(fēng)向角，現(xiàn)場實測的測點編號統(tǒng)一換成了風(fēng)洞試驗的測點編號。

由圖18結(jié)果可以看出，在不同的風(fēng)向角下，現(xiàn)場實測值的變化規(guī)律與風(fēng)洞試驗結(jié)果的變化規(guī)律吻合較好，部分測點在某些風(fēng)向角下的現(xiàn)場實測值與風(fēng)洞試驗結(jié)果亦吻合較好；風(fēng)主要從面D吹向建筑，迎風(fēng)面D的實測值總體較風(fēng)洞試驗結(jié)果大許多，而側(cè)風(fēng)面A的現(xiàn)場實測值總體較風(fēng)洞試驗結(jié)果小；背風(fēng)面C的現(xiàn)場實測值與風(fēng)洞試驗結(jié)果基本吻合，背風(fēng)面B的現(xiàn)場實測值略大于風(fēng)洞試驗結(jié)果。

圖18 平均風(fēng)壓系數(shù)的現(xiàn)場實測與風(fēng)洞試驗結(jié)果對比Fig.18 Mean wind pressure coefficient result comparison between field measurement and wind tunnel test

圖18結(jié)果表明，風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測揭示出的超高層建筑表面平均風(fēng)壓系數(shù)的分布特征及其隨風(fēng)向角的變化規(guī)律基本一致，證明了采用風(fēng)洞試驗開展高層建筑風(fēng)荷載試驗的有效性。但是，風(fēng)洞試驗的迎風(fēng)面結(jié)果低估了實際風(fēng)荷載的作用（其原因有待進(jìn)一步研究），會對超高層建筑的安全性和適應(yīng)性設(shè)計造成不利的影響。

6 結(jié) 論

通過對臺風(fēng)“凡亞比”登陸前后廈門沿海某超高層建筑表面風(fēng)壓特性的現(xiàn)場實測與風(fēng)洞試驗的對比研究，得到以下結(jié)論：

（1）實測結(jié)果表明，臺風(fēng)登陸前后沿海超高層建筑的風(fēng)場脈動較大，建筑表面的風(fēng)壓脈動劇烈；各面內(nèi)測點之間的風(fēng)壓相關(guān)性較強。

（2）迎風(fēng)面的實測平均風(fēng)壓較大，且有部分時段的值明顯大于理論計算值；背風(fēng)面某些角部位置的實測平均負(fù)壓也較大。

（3）迎風(fēng)面的實測平均風(fēng)壓系數(shù)較大，其中角部位置的值較中部位置大；背風(fēng)面少數(shù)角部測點的平均風(fēng)壓系數(shù)負(fù)值較大；隨著風(fēng)向角的變化，各面實測平均風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

（4）各面的實測脈動風(fēng)壓系數(shù)時程呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的值較大，背風(fēng)面的值非常??；實測脈動風(fēng)壓系數(shù)隨著平均風(fēng)速的增大呈明顯的遞減趨勢。

（5）在迎風(fēng)面，平均風(fēng)壓系數(shù)的現(xiàn)場實測值明顯大于風(fēng)洞試驗結(jié)果；在背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，平均風(fēng)壓系數(shù)的現(xiàn)場實測值與風(fēng)洞試驗結(jié)果相差較小。

（6）風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測揭示出的超高層建筑表面平均風(fēng)壓系數(shù)的分布特征及其隨風(fēng)向角的變化規(guī)律基本一致，證明了采用風(fēng)洞試驗開展高層建筑風(fēng)荷載試驗的有效性；但是在迎風(fēng)面，風(fēng)洞試驗結(jié)果低估了實際風(fēng)荷載的作用（其原因有待進(jìn)一步研究），會對超高層建筑的安全性和適應(yīng)性設(shè)計造成不利的影響。

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