開洞高層建筑風(fēng)荷載的試驗(yàn)研究

李永貴, 李秋勝, 戴益民

(1．湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南　湘潭　411201； 2．湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，長(zhǎng)沙　410082； 3．香港城市大學(xué)，香港九龍)

第一作者李永貴男，博士，講師，1981年生

開洞高層建筑風(fēng)荷載的試驗(yàn)研究

李永貴1,2, 李秋勝2,3, 戴益民1

(1．湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201； 2．湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082； 3．香港城市大學(xué)，香港九龍)

摘要：對(duì)開洞高層建筑剛性模型進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果，研究了設(shè)置洞口對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的影響。結(jié)果表明：立面開洞后，基底風(fēng)荷載減??；單設(shè)上洞口和單設(shè)下洞口對(duì)減小順風(fēng)向平均基底剪力的效果比較接近，但上部開洞對(duì)減小順風(fēng)向平均基底彎矩和橫風(fēng)向根方差基底彎矩更為有利；擬合得到了順風(fēng)向平均基底彎矩系數(shù)和橫風(fēng)向根方差基底彎矩系數(shù)的相對(duì)值隨開洞率變化的計(jì)算公式。設(shè)置洞口后，層風(fēng)力的分布規(guī)律與未開洞時(shí)有很大差異，在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。

關(guān)鍵詞：開洞高層建筑；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)荷載

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃(91215302);國(guó)家自然科學(xué)基金(51178179);湖南省自然科學(xué)基金(14JJ6026);廣西防災(zāi)減災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2013ZDK 06)

收稿日期：2014-01-08修改稿收到日期：2014-05-29

通信作者李秋勝男，博士，教授，1962年生

中圖分類號(hào):TU312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.012

Abstract:Wind pressure measurements of tall buildings with openings were carried out in a boundary layer wind tunnel. Based on the test results, the influence of openings on wind loads of tall buildings was investigated. The results indicateed that openings can reduce the base wind loads on buildings; the reduction of along-wind mean base shear for opening on upper part is very close to that for opening on lower part; but opening on upper part is more favorable for decreasing the along-wind mean base moment and the across-wind RMS base moment; empirical formulas for calculating the relative values of the along-wind mean base moment coefficient and the across-wind RMS base moment coefficient are obtained with the fitting method; the distributions of wind force at each floor of tall buildings with openings are quite different to those without opening, this should receive special attention in wind-resist design of tall buildings with openings.

Tests for wind load of tall buildings with openings

LIYong-gui1,2,LIQiu-sheng2,3,DAIYi-min1(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. MOE Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Hunan University, Changsha 410082, China;3. City University of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong, China)

Key words:tall building with openings; wind tunnel test; wind loads

自Davenport[1]建立陣風(fēng)荷載因子法以來，高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)方面的研究工作有了長(zhǎng)足的發(fā)展，形成了較為成熟的理論和計(jì)算方法，各國(guó)規(guī)范[2-5]對(duì)常見的高層建筑類型有具體的抗風(fēng)設(shè)計(jì)條文。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技水平的提高，高層建筑形式日趨多樣化，立面開洞就是其中一種，此類建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)找不到規(guī)范依據(jù)。在高層建筑立面上開洞，可以顯著減少主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載[6]，Kwok等[7-8]、Irwin[9]均發(fā)現(xiàn)水平雙向開洞是一種有效的方式；Dutton等[10]也得到了類似的結(jié)論，并指出開洞后方形截面的橫風(fēng)向基底彎矩譜變?yōu)殡p峰，斯托羅哈數(shù)分別為0.09與0.18；Hitomitsu等[11]指出，在高層建筑0.8倍～0.9倍高度處設(shè)置洞口，可以有效減小橫風(fēng)向的風(fēng)致響應(yīng)，在0.6倍高度及以下設(shè)置洞口的效果不明顯。Okada 等[12]對(duì)開洞高層建筑進(jìn)行了氣彈模型試驗(yàn)，結(jié)果表明：雙向開洞時(shí)動(dòng)力響應(yīng)的減少最為明顯，當(dāng)雙向開洞率為1.5%時(shí)，橫風(fēng)向動(dòng)態(tài)位移減小20%～25%。張耀春等[13-14]對(duì)兩種開洞率、三種不同開洞位置的高層建筑模型進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在建筑物上部開洞對(duì)減小基底彎矩非常有利，當(dāng)風(fēng)向與開洞方向平行時(shí)基底平均風(fēng)荷載最小。謝壯寧等[15]結(jié)合工程項(xiàng)目，研究了頂部設(shè)備和避難層在不同風(fēng)走廊(氣動(dòng)措施)情況下對(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的影響，氣動(dòng)措施顯示出良好的抗風(fēng)效果。李秋勝等[16]對(duì)用于風(fēng)力發(fā)電的開洞高層建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，指出高層建筑中開設(shè)洞口對(duì)減少結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載是有益的。

本文對(duì)開洞高層建筑模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，考慮了開洞率和開洞位置的影響，對(duì)開洞高層建筑的風(fēng)荷載特性進(jìn)行了研究，得到了一些結(jié)論供設(shè)計(jì)參考。

1試驗(yàn)介紹

風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——建筑與環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流式矩形截面邊界層風(fēng)洞，截面寬3.0 m、高2.5 m，流場(chǎng)性能良好。采用澳大利亞TFI公司生產(chǎn)的眼鏡蛇風(fēng)速測(cè)試儀進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，采用尖劈和粗糙元的組合來模擬1/500的湍流風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)調(diào)試和洞口風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)時(shí)0.6 m高度處來流平均風(fēng)速約為9 m/s，風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果見圖1。

圖1　平均風(fēng)速和湍流度剖面Fig.1 Mean wind speed and turbulence intensity profiles

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肁BS板制作，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。模型外觀尺寸為100×150×600 mm3，長(zhǎng)邊所在立面設(shè)置有兩個(gè)方形截面洞口，洞口中心對(duì)應(yīng)的高度分別為300 mm(0.5H)、510 mm(0.85H)，同一模型上下洞口截面尺寸一樣，模型M1～M4的洞口邊長(zhǎng)及單洞口開洞率(單個(gè)洞口的截面積與其所在立面面積的比值)見表1。圖2為模型M3的測(cè)點(diǎn)布置圖，測(cè)點(diǎn)主要布置在洞口周邊和上洞口內(nèi)部，共254個(gè)；模型M4測(cè)點(diǎn)布置與模型M3類似；模型M1、M2在洞口兩側(cè)只布置了一層測(cè)點(diǎn)。風(fēng)向角與計(jì)算主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的參考坐標(biāo)系見圖3。每個(gè)模型均按表2中的4種工況進(jìn)行試驗(yàn)，在0～90°內(nèi)每間隔5°采集一組數(shù)據(jù)。測(cè)壓信號(hào)采樣頻率為312.5 Hz，采樣時(shí)間為32 s，采樣長(zhǎng)度為10 000個(gè)數(shù)據(jù)。

圖2　模型M3的測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Pressure tap distribution on model M3

圖3　風(fēng)向角及風(fēng)荷載坐標(biāo)系示意圖Fig.3 Wind direction and coordination system illustrations

模型M1M2M3M4洞口邊長(zhǎng)/mm30507090單洞口開洞率0.0100.0280.0540.090

表2　工況表

2數(shù)據(jù)處理

鑒于測(cè)點(diǎn)布置方案，只分析X軸(洞口方向)風(fēng)荷載的特點(diǎn)，風(fēng)荷載系數(shù)按下式計(jì)算：

(1)

(2)

3結(jié)果分析

3.1基底風(fēng)荷載系數(shù)

圖4給出了各模型不同工況下X軸向的平均基底彎矩系數(shù)。0°風(fēng)向角時(shí)，X軸為順風(fēng)向，平均基底彎矩系數(shù)最大，90°風(fēng)向角時(shí)，X軸為橫風(fēng)向，平均基底彎矩系數(shù)接近于0。風(fēng)向角從0°變化到90°的過程中，平均基底彎矩系數(shù)逐漸減小。立面設(shè)置洞口導(dǎo)致平均基底彎矩系數(shù)減小，減小的程度隨著開洞率的增大而增大；單獨(dú)開洞時(shí)，工況2比工況3對(duì)減小平均基底彎矩更為有效，雙開洞時(shí)平均基底彎矩系數(shù)最小。立面開洞后受風(fēng)面積減小，且部分來流經(jīng)洞口進(jìn)入尾流區(qū)，立面風(fēng)壓分布發(fā)生變化，這兩個(gè)因素都導(dǎo)致了平均基底彎矩的減小。

圖5給出了各模型不同工況下X軸向的根方差基底彎矩系數(shù)。工況1，0°和90°風(fēng)向角時(shí)根方差基底彎矩系數(shù)達(dá)到局部最大，橫風(fēng)向根方差基底彎矩系數(shù)(90°風(fēng)向角)比順風(fēng)向(0°風(fēng)向角)大；開洞后，根方差基底彎矩系數(shù)隨風(fēng)向角的變化趨勢(shì)總體上與工況1是一致的，數(shù)值比工況1小。

圖4　X軸向平均基底彎矩系數(shù)隨風(fēng)向角的變化情況Fig.4 Variation of mean base moment coefficient with wind directions on the X Axis

圖5　X軸向根方差基底彎矩系數(shù)隨風(fēng)向角的變化情況Fig.5 Variation of RMS base moment coefficient with wind directions on the X Axis

對(duì)0°風(fēng)向角平均基底彎矩系數(shù)相對(duì)值和90°風(fēng)向角根方差基底彎矩系數(shù)相對(duì)值分別進(jìn)行了擬合，得到如下表達(dá)式：

0°風(fēng)向角，平均基底彎矩系數(shù)相對(duì)值：

工況2：

βCMx=19.3R2-4.26R+1.02

工況3：

βCMx=16.4R2-3.37R+1.02

工況4：

90°風(fēng)向角，根方差基底彎矩系數(shù)相對(duì)值：

工況2：

工況3：

工況4：

模型M1～M3，洞口邊長(zhǎng)不到所在立面寬度的一半，順風(fēng)向平均基底風(fēng)荷載系數(shù)相對(duì)值隨開洞率的變化接近于線性，平均基底剪力系數(shù)表現(xiàn)得更為明顯，模型M4，洞口邊長(zhǎng)超過所在立面寬度的一半，洞口對(duì)水平向風(fēng)力的影響得不到充分發(fā)揮，平均基底風(fēng)荷載系數(shù)相對(duì)值的減小速度降低。因此，擬合結(jié)果均為開洞率R的二次函數(shù)。文獻(xiàn)[13]給出了順風(fēng)向平均基底彎矩系數(shù)相對(duì)值的線性回歸公式，兩者有一定差別，這可能是由于研究方法不同所導(dǎo)致的，本文擬合公式基于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，文獻(xiàn)[13]回歸公式基于數(shù)值模擬結(jié)果。從預(yù)測(cè)的結(jié)果來看，本文對(duì)平均基底彎矩系數(shù)相對(duì)值的預(yù)測(cè)結(jié)果更加接近文獻(xiàn)[13]的試驗(yàn)結(jié)果。從上述的分析可知，開洞后受風(fēng)面積的減小只是導(dǎo)致風(fēng)荷載減小的原因之一，因此，擬合公式計(jì)算的風(fēng)荷載系數(shù)相對(duì)值應(yīng)不大于1-R。

圖6　風(fēng)荷載系數(shù)相對(duì)值與開洞率R的關(guān)系Fig.6 Relationship between relative values of wind load coefficients and opening ratio R

為進(jìn)一步考察開洞對(duì)順風(fēng)向風(fēng)荷載的影響，按文獻(xiàn)[17]引入無量綱的相對(duì)折算高度來分析基底彎矩和基底剪力的相對(duì)關(guān)系，定義靜力相對(duì)折算高度如下：

圖7給出了所有模型0°風(fēng)向角時(shí)的靜力相對(duì)折算高度，未開洞時(shí)，各模型的相對(duì)折算高度在0.543～0.547之間，與文獻(xiàn)[17]的D類風(fēng)場(chǎng)下的相對(duì)折算高度較為接近。工況2，相對(duì)折算高度隨著開洞率的增大而降低；工況3，相對(duì)折算高度隨著開洞率的增大而升高；工況4，規(guī)律性不明顯。

圖7　靜力相對(duì)折算高度Fig.7 Relative reduced height of static wind loads

圖8　模型M3的層風(fēng)力系數(shù)Fig.8 Local wind load coefficients of model M3

3.2層風(fēng)力系數(shù)

圖8給出了模型M3平均阻力系數(shù)和根方差升力系數(shù)沿高度的分布。未設(shè)置洞口時(shí)，平均阻力系數(shù)和根方差升力系數(shù)的分布規(guī)律與文獻(xiàn)[17]類似。開洞后，洞口高度處的層風(fēng)力明顯減小，其他高度處的層風(fēng)力大多數(shù)也有所減小，所以基底風(fēng)荷載減??；但需要注意的是，開洞后層風(fēng)力的分布規(guī)律與開洞之前發(fā)生了明顯的變化，工況2，洞口上方相鄰層的平均阻力系數(shù)比不開洞時(shí)略大，工況3，模型上部的根方差升力系數(shù)的分布規(guī)律及大小與工況1非常接近，其他各模型開洞后層風(fēng)力系數(shù)也有類似的變化特點(diǎn)，這在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起足夠重視。

4結(jié)論

基于開洞高層建筑測(cè)壓試驗(yàn)，分析了洞口方向風(fēng)荷載的一些特點(diǎn)，得到如下結(jié)論：

(1)立面開洞后，受風(fēng)面積減小，部分來流經(jīng)洞口進(jìn)入尾流區(qū)，立面風(fēng)壓的分布發(fā)生變化，這兩個(gè)因素都導(dǎo)致了基底風(fēng)荷載的減?。婚_洞率達(dá)到一定值時(shí)，設(shè)置兩個(gè)洞口對(duì)風(fēng)荷載的減小效果小于單獨(dú)設(shè)置洞口對(duì)風(fēng)荷載的減小效果之和。

(2)單設(shè)上洞口和單設(shè)下洞口對(duì)減小基底剪力的效果比較接近，但在上部開洞對(duì)減小順風(fēng)向平均基底彎矩和橫風(fēng)向根方差基底彎矩更為有利；對(duì)順風(fēng)向平均基底彎矩系數(shù)和橫風(fēng)向根方差基底彎矩系數(shù)的相對(duì)值隨開洞率的變化進(jìn)行了擬合。

(3)設(shè)置洞口后，層風(fēng)力的分布規(guī)律與未開洞時(shí)有很大差異，少數(shù)層風(fēng)力系數(shù)與不開洞時(shí)較為接近甚至更大，在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。

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