高層建筑屋頂廣告牌風(fēng)壓分布特性

顧 明，陸文強(qiáng)，韓志惠，2，周晅毅

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.上海市氣象科學(xué)研究所，上海200030）

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，大風(fēng)對(duì)城市造成的破壞除了房屋建筑外，還包括一類(lèi)易于損壞的構(gòu)筑物，如戶外廣告牌.戶外廣告牌的形式多種多樣，常見(jiàn)的形式可分為獨(dú)立式和附屬式.獨(dú)立式廣告牌是指自身具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)支撐的廣告設(shè)施，如設(shè)置在公路兩側(cè)的高立柱廣告牌；附屬式廣告牌是指依附于建筑物、構(gòu)筑物等設(shè)置的廣告設(shè)施，如建筑物樓頂廣告設(shè)施等.大型廣告牌的風(fēng)致倒塌事故已經(jīng)引起了越來(lái)越多學(xué)者專(zhuān)家的注意，但是目前對(duì)于其風(fēng)壓和風(fēng)力研究卻相對(duì)較少.Letchford等［1-2］采用模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)懸空矩形廣告牌上的風(fēng)荷載進(jìn)行了研究.Paulotto等［3］采用模型風(fēng)洞試驗(yàn)考察了一種框架式單面板廣告牌周?chē)ㄖ猴L(fēng)環(huán)境對(duì)于面板表面風(fēng)荷載的影響.Warnitchai等［4］采用高頻天平測(cè)力試驗(yàn)分別對(duì)單面板及雙面板兩種矩形廣告牌進(jìn)行了研究.在國(guó)內(nèi)，金新陽(yáng)等［5］、秦云等［6］采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)典型戶外獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；沈之容等［7］則從廣告牌結(jié)構(gòu)風(fēng)振計(jì)算方面考慮，研究了樓頂廣告牌結(jié)構(gòu)基本自振周期的計(jì)算方法.

目前對(duì)于廣告牌的風(fēng)荷載研究主要是針對(duì)獨(dú)立式廣告牌特別是單面板廣告牌，而對(duì)于我國(guó)戶外較常采用的獨(dú)立式三面板廣告牌、高低房屋屋頂廣告牌的風(fēng)壓和風(fēng)力研究則少有報(bào)道，我國(guó)荷載規(guī)范［8］中也沒(méi)有相關(guān)風(fēng)載體型系數(shù)的規(guī)定.為此，本文對(duì)廣告牌沿高層建筑屋頂單邊布置、鄰邊布置、三邊布置及四周布置這4種方式下的面板表面風(fēng)壓分布進(jìn)行細(xì)致研究，可以為相關(guān)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定的參考.有關(guān)獨(dú)立式廣告牌風(fēng)荷載的研究見(jiàn)另文.

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 風(fēng)洞及風(fēng)場(chǎng)模擬

本試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行.該風(fēng)洞為閉口回流式矩形截面風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為寬3m、高2.5m、長(zhǎng)15m.試驗(yàn)風(fēng)速范圍為0.5～68.0m·s-1.風(fēng)壓測(cè)量、記錄及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由電子式壓力掃描閥系統(tǒng)、PC機(jī)以及相應(yīng)的信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理軟件組成.

依照我國(guó)規(guī)范，選取C類(lèi)地貌作為試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)［8］.風(fēng)場(chǎng)模擬采用在試驗(yàn)段上游安置尖劈和粗糙元來(lái)實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)風(fēng)速為13m·s-1.C類(lèi)風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)剖面指數(shù)為0.22，10m 處的名義湍流強(qiáng)度為0.23［8］.圖1給出了C類(lèi)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)洞布置情況、平均風(fēng)速及湍流度剖面.圖中：U代表風(fēng)速，Z代表高度，Utop代表模型頂部風(fēng)速，Ztop代表模型頂部高度，Iu為湍流度.從圖中可以看出，模擬值和理論值吻合得較好.

圖1 風(fēng)洞中模擬的C類(lèi)風(fēng)場(chǎng)Fig.1 Simulated wind field for terrain category of C

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在工程實(shí)踐中，大型廣告牌一般裝設(shè)在高層建筑樓頂、城市快速道路兩側(cè)等人流、車(chē)流密集區(qū)域，其設(shè)置應(yīng)考慮地方市容管理方面的規(guī)定.如上海市規(guī)定屋頂設(shè)置廣告牌的高層建筑高度不得超過(guò)55 m，并且廣告牌的高度不得超過(guò)5m.為了考慮最不利的情況，本次試驗(yàn)研究的高層建筑屋頂廣告牌的建筑原型長(zhǎng)寬高分別為30m×30m×55m，廣告牌原型的面板高5m，長(zhǎng)度與建筑物長(zhǎng)度一致為30m.屋頂廣告牌在建筑物頂部存在多種布置形式，即矩形建筑物屋頂四邊均設(shè)置廣告牌、三邊設(shè)置廣告牌、兩鄰邊設(shè)置廣告牌以及單邊設(shè)置廣告牌等.基于此，并考慮典型高層房屋的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了4種結(jié)構(gòu)形式如圖2a所示.模型縮尺比為1∶75，縮尺后的廣告牌面板尺寸為400mm×67mm，廣告牌頂部高度為0.8m.測(cè)點(diǎn)布置采取了邊密中疏、滿布對(duì)稱(chēng)的方式.單個(gè)面板表面布置55個(gè)測(cè)點(diǎn)，總測(cè)點(diǎn)數(shù)為55×2=110個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2b所示.

將垂直吹向面板1的風(fēng)向角定義為0°風(fēng)向角，試驗(yàn)風(fēng)向角間隔取為15°，按順時(shí)針?lè)较蛟黾?，每種工況共24個(gè)風(fēng)向角，見(jiàn)圖2.

圖2 模型尺寸及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Model configurations and locations of pressure taps

本次試驗(yàn)中，測(cè)壓信號(hào)采樣頻率為312.5Hz，高層建筑屋頂廣告牌每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣16 000個(gè)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為51.2s，對(duì)應(yīng)實(shí)際采樣時(shí)長(zhǎng)為20min.

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

面板表面的風(fēng)壓用量綱為一的壓力系數(shù)表示為

式中：Cp（i，θ，t）和p（i，θ，t）分別為風(fēng)向角為θ時(shí)i測(cè)點(diǎn)i在時(shí)刻t的風(fēng)壓系數(shù)及風(fēng)壓；VH是參考動(dòng)壓高度的風(fēng)速，這里高度取為面板頂部處高度；ρ為空氣密度.壓力系數(shù)為正表示垂直表面的風(fēng)壓為壓力，壓力系數(shù)為負(fù)表示為吸力.

Cpmean（i，θ）是測(cè)點(diǎn)i在風(fēng)向角θ下的平均風(fēng)壓系數(shù)，Cprms（i，θ）為測(cè)點(diǎn)i在風(fēng)向角θ下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)（即為風(fēng)壓系數(shù)的均方根值），從而有

式中：Cpmin（i，θ）為按照統(tǒng)計(jì)方法所得的測(cè)點(diǎn)i在風(fēng)向角θ下的最小風(fēng)壓系數(shù)；Cpmax（i，θ）為最大風(fēng)壓系數(shù)；g為峰值因子，在這里取g=3.5［9］.

由于測(cè)點(diǎn)i在每個(gè)風(fēng)向角下都有一個(gè)最小和最大風(fēng)壓系數(shù)，那么在0°～345°風(fēng)向角下總有一個(gè)最大值及最小值，稱(chēng)為測(cè)點(diǎn)i的最不利正風(fēng)壓系數(shù)和最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)，表示為

從而可以得到單塊面板表面的最大最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)為

式中，M為廣告牌面板上的測(cè)點(diǎn)數(shù).

2 結(jié)果及分析

2.1 平均風(fēng)壓系數(shù)分布

圖3是高層建筑屋頂廣告牌沿建筑單邊布置（工況1）時(shí)，廣告牌面板在0°，45°和135°風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖.圖中，廣告牌內(nèi)外表面的定義是以相對(duì)于建筑物的位置而定義的，沿建筑物外墻延伸的面為外表面，以0°風(fēng)向?yàn)槔?，迎風(fēng)面是外表面（見(jiàn)圖2）；迎風(fēng)面的背面為內(nèi)表面.從圖中可以看出：①0°風(fēng)向角下，面板1外表面的平均風(fēng)壓系數(shù)均為正值，并且左右對(duì)稱(chēng)分布，壓力系數(shù)值從中部向邊緣處逐漸較??；此時(shí)，面板1內(nèi)表面均為負(fù)壓，其值均為-0.7左右.②45°斜風(fēng)時(shí)，面板1外表面除最邊緣少數(shù)區(qū)域外，其他區(qū)域主要呈現(xiàn)正壓，最大正壓值出現(xiàn)在迎風(fēng)端邊緣，為0.75；此時(shí)，面板1的內(nèi)表面負(fù)壓值均較大，在靠近面板迎風(fēng)邊緣處出現(xiàn)最大風(fēng)壓，達(dá)到-1.8左右.③135°斜風(fēng)時(shí)，面板1外表面為背風(fēng)面，其值大部分為-0.50～-0.55，在邊緣可達(dá)到-0.65；此時(shí)，面板1內(nèi)表面前緣為負(fù)值，而在后緣再附，平均風(fēng)壓為正值.

圖4是高層建筑屋頂廣告牌沿建筑鄰邊布置（工況2）、三邊布置（工況3）、四邊布置（工況4）時(shí)，廣告牌面板在45°和135°風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖.由圖可見(jiàn)：①45°斜風(fēng)時(shí)，面板1外表面的正壓區(qū)及最大正壓值均隨著工況號(hào)的增加而減小.面板1內(nèi)表面均呈現(xiàn)負(fù)壓，并且差別不大，但都顯著小于工況1的面板1內(nèi)表面負(fù)壓值.②135°斜風(fēng)時(shí)，4種工況的面板1外表面均主要呈現(xiàn)負(fù)壓，而面板1內(nèi)表面則既有正壓區(qū)又有負(fù)壓區(qū)，并且隨著工況號(hào)的增大，負(fù)壓區(qū)及最大負(fù)壓值均逐漸增大，正壓區(qū)則正好相反.

2.2 脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布

圖5是高層建筑屋頂廣告牌沿建筑單邊布置（工況1）時(shí)，廣告牌面板在0°，45°和135°風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖.由圖可見(jiàn)：各個(gè)風(fēng)向角下，面板1內(nèi)外表面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律與平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律均比較相近.面板1外表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的最大值為0.25左右.面板1內(nèi)表面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布在0°風(fēng)向角時(shí)，其值均為0.14左右；45°風(fēng)向角時(shí)，面板中部靠近迎風(fēng)邊緣（B端）處出現(xiàn)較大值，達(dá)到0.35左右；135°風(fēng)向角時(shí)，最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)邊緣（B端）處，達(dá)到0.3，并且在面板中部偏后區(qū)域也出現(xiàn)較大值，達(dá)到0.28左右.

圖3 屋頂廣告牌沿高層建筑單邊布置時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.3 Mean wind pressure coefficient distributions on unilateral billboards

圖4 屋頂廣告牌沿高層建筑鄰邊、三邊及四邊布置時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.4 Mean wind pressure coefficient distributions on adjacent，trilateral and peripheral billboards

圖5 屋頂廣告牌沿高層建筑單邊布置時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.5 Fluctuating wind pressure coefficient distributions on unilateral billboards

圖6是高層建筑屋頂廣告牌沿建筑鄰邊布置（工況2）、三邊布置（工況3）、四邊布置（工況4）時(shí)，廣告牌面板1在45°和135°風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖.從圖中可以看出：45°風(fēng)向角時(shí)，各個(gè)工況下的面板1外表面迎風(fēng)前緣（B端）均出現(xiàn)較大的脈動(dòng)值，并且沿著面板長(zhǎng)邊方向，脈動(dòng)能量逐漸衰減，因而其脈動(dòng)值逐漸減小.此時(shí)，面板1內(nèi)表面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)值均較??；135°風(fēng)向角下，隨著工況的變化，面板1內(nèi)表面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布出現(xiàn)了較為顯著的變化.隨著工況號(hào)的增大，面板1內(nèi)表面中部靠近B端的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)值逐漸減小，這主要是由于新增加的面板對(duì)于來(lái)流的遮擋效應(yīng)造成的；此時(shí)，面板中部靠近A端的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)值有所增大，此處易產(chǎn)生局部振動(dòng).

圖7給出了0°，45°和135°風(fēng)向角下，面板1內(nèi)外表面典型測(cè)點(diǎn)處的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)功率譜.圖中，f為頻率，Scp（f）為脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)功率譜，σcp為脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)方差，B為廣告牌寬度，UH為廣告牌頂部處平均風(fēng)速；1E-28代表的是面板1外表面的28號(hào)測(cè)點(diǎn)，1I-28代表的是面板1內(nèi)表面的28號(hào)測(cè)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)意義與此類(lèi)似，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2b所示.由圖7a，b可得：0°風(fēng)向角下，各個(gè)工況的面板1內(nèi)外表面（測(cè)點(diǎn)1I-28，1E-28）脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)功率譜的譜型均比較接近，能量較大，均有一個(gè)比較明顯的峰值.為便于顯示，圖中僅列出工況1與工況4的功率譜，其他工況的功率譜與它們相近.

圖6 屋頂廣告牌沿高層建筑鄰邊、三邊及四邊布置時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.6 Fluctuating wind pressure coefficient distributions on adjacent，trilateral and peripheral billboards

圖7c，d對(duì)比了45°斜風(fēng)時(shí)，面板1外表面迎風(fēng)前緣（B端）、迎風(fēng)后緣（A端）是否存在相鄰廣告牌面板對(duì)典型測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)功率譜的影響.由圖7c可知：相比工況2，由于工況3（三邊布置）的面板1迎風(fēng)前緣（B端）處存在面板3（見(jiàn)圖2），影響了來(lái)流在面板1邊緣的繞流特性，導(dǎo)致其脈動(dòng)風(fēng)壓的能量更大，且更為集中.由圖7d可知：相比工況1，由于工況2（鄰邊布置）的面板1在迎風(fēng)后緣（A端）處存在面板2，導(dǎo)致其脈動(dòng)風(fēng)壓能量更大，并且在很窄的折減頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)較大峰值.

圖7e，f對(duì)比了135°斜風(fēng)時(shí)，4種工況的面板1外表面典型測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)功率譜.由圖可知，135°斜風(fēng)時(shí)，由于來(lái)流在建筑物屋頂邊緣或廣告牌面板邊緣的分離特性明顯不同，導(dǎo)致各個(gè)工況下的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜有較大差異.各個(gè)工況下的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜，均出現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的峰值，工況1，2，3在低頻處的峰值能量大于高頻處峰值能量.相比之下，工況4的高頻處出現(xiàn)較大能量.

2.3 面板表面極值風(fēng)壓系數(shù)分布

圖8給出了各個(gè)工況下考慮面板1內(nèi)外表面風(fēng)壓疊加效應(yīng)的最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)等值線圖.對(duì)比圖8a和圖8b可以看出，由于工況2的面板1在A端存在面板2（見(jiàn)圖2），使得其表面的最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)都有不同程度的減小.再來(lái)對(duì)比圖8b和圖8c，由于工況3的面板1在B端存在面板3（見(jiàn)圖2），使得其表面的最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)也有所減小，但是減小的程度不明顯.對(duì)于廣告牌沿建筑四周布置的工況4，其最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)的變化梯度較為明顯，但是相比其他工況，其值均較小.為了更確切地給出數(shù)值，表1給出了各個(gè)工況下面板1表面的最大最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù).從表中可以很直觀地看出，隨著工況號(hào)的增加，面板1表面的最大最不利正風(fēng)壓系數(shù)從4.58減小到2.58，其最大最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)從-3.44減小到-2.03.

圖7 典型測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜Fig.7 Fluctuating pressure coefficients spectra on typical taps

表1 各種工況下面板1表面的最大最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)Tab.1 The largest worst peek pressure coefficients on Panel.1of various conditions

圖8 4種工況下面板1表面在所有風(fēng)向角下的最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)等值線圖Fig.8 Worst positive and negative peak pressure coefficient distributions on Panel.1over four conditions

3 結(jié)論

（1）對(duì)于廣告牌沿高層建筑屋頂單邊布置情況，斜風(fēng)時(shí)，廣告牌面板表面的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值均比較大，并且面板邊緣附近的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值要比面板其他區(qū)域大.脈動(dòng)風(fēng)壓場(chǎng)的整體分布與平均風(fēng)壓場(chǎng)分布規(guī)律類(lèi)似.

（2）當(dāng)廣告牌沿高層建筑屋頂鄰邊布置、三邊布置及四周布置時(shí)，面板表面的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值相比單邊布置時(shí)均有不同程度的減小，尤其是面板邊緣附近的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值有較為顯著的減小.此時(shí)相鄰廣告牌面板間夾角處附近的脈動(dòng)風(fēng)壓較大，易產(chǎn)生局部振動(dòng).

（3）廣告牌在建筑屋頂不同的布置方式，導(dǎo)致其面板表面的最大最不利正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)是不同的.隨著屋頂廣告牌數(shù)量的增加，其面板表面的最大最不利正風(fēng)壓系數(shù)從4.58減小到2.58，其最大最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)從-3.44減小到-2.03.

（4）來(lái)流方向垂直于廣告牌面板時(shí)，廣告牌沿建筑屋頂?shù)牟煌贾眯问?，其面板表面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)功率譜譜型均比較相近.來(lái)流方向與廣告牌面板斜交時(shí)，則有所差異，主要表現(xiàn)在鄰邊廣告牌面板的存在會(huì)使另一塊面板表面的脈動(dòng)風(fēng)壓功率譜能量變大，并且更加集中.

［1］ Letchford C W，Holmes J D.Wind loads on free-standing walls in turbulent boundary layers［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1994，51（1）：1.

［2］ Letchford C W.Wind loads on rectangular signboards and hoardings ［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89（2）：135.

［3］ Paulotto C，Ciampoli M，Augusti G.Wind tunnel evaluation of mean wind pressure on a frame-type signboard ［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2006，94（5）：397.

［4］ Warnitchai P，Sinthuwong S，Poemsantitham K.Wind tunnel model tests of large billboards ［J］.Advances in Structural Engineering，2009，12（1）：103.

［5］ 金新陽(yáng)，金海，揚(yáng)偉，等.戶外獨(dú)立柱廣告牌風(fēng)荷載的數(shù)值模擬研究［J］.工業(yè)建筑，2007，37（增1）：383.JIN Xinyang，JIN Hai， YANG Wei，etal.Numerical investigation of wind load on single column supported billboard［J］.Industrial Construction，2007，37（Suppl.1）：383.

［6］ 秦云，張耀春，王春剛.數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)構(gòu)靜力風(fēng)荷載的可行性研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36（12）：1593.QIN Yun，ZHANG Yaochun，WANG Chungang.Feasibility study about numerical wind tunnel in the simulation of static wind loads on buildings［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2004，36（12）：1593.

［7］ 沈之容，李冰心.樓頂廣告牌結(jié)構(gòu)基本自振周期計(jì)算方法研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，42（3）：75.SHEN Zhirong，LI Bingxin.Research on calculation method of basic natural vibration period of roof billboard structure ［J］.Building Structure，2012，42（3）：75.

［8］ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.China Academy of Building Research.GB 50009—2012 Load code for the design of building structures［S］.Beijing：China Architecture &Building Press，2012.

［9］ Davenport A G.Note on the distribution of the largest value of a random function with application to gust loading［J］.Proceedings of the Institution of Civil Engineers，1964，28（2）：187.