穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)作用下高層建筑風(fēng)荷載特性試驗(yàn)研究

鄒鑫　汪之松　李正良

摘要：雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)差異較大.為研究雷暴沖擊風(fēng)作用下高層建筑風(fēng)荷載特性，采用靜止型沖擊射流裝置模擬穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，進(jìn)行高層建筑剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，討論了不同徑向位置處高層建筑局部和整體風(fēng)荷載時(shí)域和頻域特性.結(jié)果表明：建筑表面平均風(fēng)壓最大值出現(xiàn)的位置與徑向風(fēng)速峰值一致.同時(shí)，迎風(fēng)面風(fēng)壓最大值出現(xiàn)在底部，明顯不同于大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)中最大值靠近頂部位置的風(fēng)壓分布特性；徑向?qū)语L(fēng)荷載均值最大值出現(xiàn)在建筑中部，橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向?qū)语L(fēng)荷載均值為0.徑向和橫風(fēng)向?qū)语L(fēng)荷載譜沿高度不變，而扭轉(zhuǎn)向?qū)语L(fēng)荷載譜沿高度變化明顯.

關(guān)鍵詞：沖擊射流模型；高層建筑；剛性模型；風(fēng)荷載特性；雷暴沖擊風(fēng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU312.1； TU973.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Downbursts are dramatically different from the atmospheric boundary layer. To investigate the wind load characteristics of highrise building in thunderstorm downbursts， a static impinging jet was used to simulate the thunderstorm downburst. Rigid model manomeric test was carried on a highrise building. Both local and overall wind load characteristics were discussed in time domain and frequency domain. The results indicate that the position of the maximum mean surface pressure is consistent with the peak radial velocity. Meanwhile， the maximum surface pressure on the windward side is located at the bottom of the building， obviously different from the top part tested in atmospheric boundary layer wind field. The maximum mean radial wind load of each layer is located at the middle of the building. And the mean wind load is 0 at the crosswind and torsional direction. Wind load spectrums of each layer keep unchanged along the height at the radial and crosswind direction. But wind load spectrums changes obviously at the twist direction.

Key words： impinging jet model； highrise building； rigid mode； wind load characteristic； thunderstorm downburst

目前結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)一般依照大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性的研究也主要集中在邊界層風(fēng)場(chǎng)作用下[1-2].然而根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料[3]，一個(gè)地區(qū)的極值風(fēng)速往往不是由大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)決定的，而是產(chǎn)生于雷暴沖擊風(fēng)等極端天氣氣候.因此，對(duì)雷暴沖擊風(fēng)作用下建筑風(fēng)荷載特性的研究顯得尤為重要.

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷暴沖擊風(fēng)的研究著重于風(fēng)場(chǎng)特性方面[4-8]，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性的研究相對(duì)較少.Letchford和Chay[9-10]分別測(cè)試了靜止型沖擊射流風(fēng)場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)型沖擊射流風(fēng)場(chǎng)中，小立方體表面壓力分布.陳勇[11-12]對(duì)球殼型屋蓋和拱形屋面進(jìn)行穩(wěn)態(tài)沖擊射流試驗(yàn)，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)表面風(fēng)壓分布的影響，并采用kε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果與試驗(yàn)較為吻合.湯卓[13]通過(guò)靜止型沖擊射流試驗(yàn)研究了雙坡屋面在雷暴沖擊風(fēng)作用下風(fēng)壓分布特性.以上研究主要以低矮結(jié)構(gòu)為主，而對(duì)于高層建筑的風(fēng)荷載特性研究則相對(duì)較少.Sengupta和Sarkar[14]通過(guò)沖擊射流試驗(yàn)研究了立方體高層結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓情況，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.趙楊[15]利用主動(dòng)控制風(fēng)洞模擬下?lián)舯┝黠L(fēng)速剖面，并通過(guò)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)研究了高層結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化情況.Kyle和曹曙陽(yáng)[16]同時(shí)進(jìn)行大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)和雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)作用下高層建筑測(cè)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明兩種風(fēng)場(chǎng)作用下高層建筑表面壓力分布特征差異明顯.吉柏鋒、瞿偉廉[17]以CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方式模擬了下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)中高層建筑表面風(fēng)壓分布情況.

本文采用靜止型沖擊射流裝置模擬雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng).進(jìn)行高層建筑剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)，考察了高層建筑風(fēng)荷載特性.對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為實(shí)際高層建筑雷暴沖擊風(fēng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定參考.

1試驗(yàn)概況

1.1沖擊射流裝置

沖擊射流裝置如圖1所示.控制射流直徑Djet=600 mm，射流高度H=1 160 mm，射流速度vjet≈12 m/s.

1.2剛性模型及地形參數(shù)

剛性模型幾何縮尺比1∶1 000，模型尺寸0.05 m（b）×0.05 m（d）×0.1 m（h）.剛性模型四面（A，B，C，D面）及頂面（S面）均勻布置105個(gè)測(cè)壓孔.模型表面測(cè)壓孔布置如圖2所示.

2試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1徑向風(fēng)速剖面

采用熱線風(fēng)速儀測(cè)試不同徑向位置處徑向風(fēng)速.圖4給出了試驗(yàn)測(cè)得的不同徑向位置處無(wú)量綱風(fēng)速剖面與國(guó)外學(xué)者試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比.由圖可見(jiàn)，風(fēng)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與國(guó)外學(xué)者的研究結(jié)論較為吻合.

圖6給出了剛性模型位于不同徑向位置時(shí)，沿來(lái)流方向中心線上測(cè)孔的平均壓力系數(shù).橫坐標(biāo)0-1代表迎風(fēng)面，1-2為頂面，2-3代表背風(fēng)面.總體來(lái)說(shuō)，建筑表面風(fēng)壓特性與其所處風(fēng)場(chǎng)位置相關(guān).建筑所處徑向位置越遠(yuǎn)，建筑表面壓力系數(shù)絕對(duì)值越小.迎風(fēng)面壓力系數(shù)均為正值，隨著高度的增加，壓力系數(shù)先增大，之后減小.迎風(fēng)面中線壓力系數(shù)最大值出現(xiàn)在建筑底部，與建筑所處徑向位置風(fēng)場(chǎng)一致，明顯有別于邊界層風(fēng)場(chǎng)中典型高層建筑表面風(fēng)壓最大值靠近頂部位置的分布形式.頂面和背風(fēng)面均為負(fù)壓，頂面壓力系數(shù)絕對(duì)值在靠近迎風(fēng)面一側(cè)較大，隨著位置遠(yuǎn)離迎風(fēng)面，壓力系數(shù)絕對(duì)值逐漸減小.背風(fēng)面壓力系數(shù)絕對(duì)值呈現(xiàn)出下部小，上部大的分布特征.

建筑在r=1Djet位置處表面風(fēng)壓最大，圖7給出了建筑位于該位置時(shí)，平均和根方差壓力系數(shù)云圖.由圖7（a）可以發(fā)現(xiàn)，迎風(fēng)面均為正壓，平均壓力系數(shù)底部大，上部小，中間大，兩側(cè)小.最大平均壓力系數(shù)接近1.0，與射流口速度壓力相當(dāng).側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面均為負(fù)壓.側(cè)風(fēng)面平均壓力系數(shù)絕對(duì)值上部大，下部小，靠近迎風(fēng)面一側(cè)較小，靠近背風(fēng)面一側(cè)較大.背風(fēng)面平均壓力系數(shù)分布較為均勻，壓力系數(shù)絕對(duì)值呈現(xiàn)上部大，下部小的趨勢(shì).

由圖7（b）可知，迎風(fēng)面根方差壓力系數(shù)分布規(guī)律與平均壓力系數(shù)分布相似，根方差壓力系數(shù)最大值約為0.15.側(cè)風(fēng)面根方差壓力系數(shù)在靠近迎風(fēng)面一側(cè)較小，靠近背風(fēng)面一側(cè)較大.背風(fēng)面根方差壓力系數(shù)底部較小，而上部較大.壓力系數(shù)根方差最大值出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)面底部，靠近背風(fēng)面一側(cè).

實(shí)際雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)近地面風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)，并且計(jì)算沖擊射流試驗(yàn)壓力系數(shù)的參考點(diǎn)與常規(guī)大氣邊界層也不一致，難以在數(shù)值上對(duì)兩者進(jìn)行比較.本文對(duì)兩種風(fēng)場(chǎng)中平均和根方差壓力系數(shù)分布情況進(jìn)行對(duì)比.圖8為文獻(xiàn)[21]給出的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)中高層建筑表面壓力系數(shù)分布.對(duì)于平均風(fēng)壓系數(shù)，雷暴沖擊風(fēng)作用下迎風(fēng)面風(fēng)壓下部大，上部小，其分布形式與大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)正好相反.側(cè)風(fēng)面負(fù)壓絕對(duì)值在靠近迎風(fēng)面一側(cè)較小，靠近背風(fēng)面一側(cè)較大，也與大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)不同.邊界層風(fēng)場(chǎng)中背風(fēng)面風(fēng)壓均值較為均勻，沿高度變化很小，而雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中背風(fēng)面風(fēng)壓均值沿高度變化明顯.

兩種風(fēng)場(chǎng)作用下，根方差壓力系數(shù)分布同樣具有明顯差別.雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中，迎風(fēng)面根方差壓力系數(shù)下部大，而上部小，與邊界層風(fēng)場(chǎng)相反.邊界層風(fēng)場(chǎng)中背風(fēng)面脈動(dòng)壓力系數(shù)沿高度變化較小，而雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)下背風(fēng)面脈動(dòng)風(fēng)壓沿高度變化明顯.

定義建筑表面兩測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)為：

cor=σij/σiσj （3）

式中：σij為i，j兩測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓協(xié)方差；σi，σj分別為i，j兩測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓根方差.圖9給出了建筑各面中心線上測(cè)點(diǎn)相對(duì)于該面底層測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓相關(guān)系數(shù).總體來(lái)講，脈動(dòng)風(fēng)壓豎向相關(guān)系數(shù)隨著兩點(diǎn)間距離的增加而減小.迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)在較低的2～4層幾乎完全相關(guān)，而在較高位置處，相關(guān)程度逐漸降低，直至在7，8層位置處出現(xiàn)與底層測(cè)點(diǎn)負(fù)相關(guān).側(cè)風(fēng)面測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)均為正值，且隨著高度的增加線性遞減.在較低2～4層，相關(guān)性小于迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)，而在較高位置處，側(cè)風(fēng)面測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓相關(guān)性要高于迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn).背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)均為正值，并且在底部衰減速度高于迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，但5～8層測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)幾乎不變.

2.3建筑整體風(fēng)荷載特性

以建筑中段第5層測(cè)點(diǎn)為對(duì)象來(lái)考察建筑表面風(fēng)壓水平相關(guān)性.表1給出了第5層各測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖2所示.由表1可知，同面測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)均為正值，側(cè)風(fēng)面的水平相關(guān)性最高，迎風(fēng)面次之，背風(fēng)面最低.迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)與側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)均為負(fù)相關(guān)，且負(fù)相關(guān)程度相近.側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面各測(cè)點(diǎn)壓力相關(guān)系數(shù)均為正，且同面測(cè)點(diǎn)壓力相關(guān)性較高，側(cè)風(fēng)面測(cè)點(diǎn)與背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)之間壓力相關(guān)性較低.

圖11給出了建筑位于不同徑向位置時(shí)，各層徑向?qū)幼枇ο禂?shù).建筑處于不同徑向位置時(shí)，徑向?qū)幼枇ο禂?shù)沿高度方向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).隨著建筑遠(yuǎn)離射流中心，各層徑向?qū)幼枇ο禂?shù)逐漸減小.在r=1Djet處，徑向?qū)幼枇ο禂?shù)最大值出現(xiàn)在第5層，而該處風(fēng)場(chǎng)最大值出現(xiàn)在高度較低的第2層附近，說(shuō)明徑向風(fēng)阻力除包含來(lái)流風(fēng)場(chǎng)的能量外，還同時(shí)包含了由于建筑斷面產(chǎn)生的擾流渦旋能量.

對(duì)各層層風(fēng)荷載系數(shù)時(shí)程進(jìn)行功率譜變換，得到高層建筑不同高度處層風(fēng)荷載系數(shù)譜.當(dāng)建筑位于r=1Djet處，各層層風(fēng)荷載系數(shù)譜如圖14所示.徑向?qū)语L(fēng)荷載系數(shù)譜形狀沿高度基本不變.各層徑向譜均存在單一峰值，且峰值均出現(xiàn)在相同折算頻率附近.橫風(fēng)向譜沿高度幾乎不變，各層峰值頻率略微高于徑向譜.在建筑下部1～5層，扭轉(zhuǎn)向譜“尖峰”不明顯，峰值附近譜曲線較為平緩.而在較高的6～8層，譜存在明顯單一峰值，帶寬變窄.

若σij為i，j兩層的風(fēng)壓協(xié)方差；σi，σj分別為i，j兩層風(fēng)壓根方差，則式（3）可以表示建筑層風(fēng)荷載豎向相關(guān)系數(shù).圖15給出了最底層層風(fēng)荷載相對(duì)于其他各層荷載的豎向相關(guān)系數(shù).總體來(lái)講，層風(fēng)荷載豎向相關(guān)系數(shù)均為正，并且均隨著層間距離的增加而減小.橫風(fēng)向相關(guān)系數(shù)沿高度衰減較慢，扭轉(zhuǎn)向相關(guān)系數(shù)衰減最快，徑向相關(guān)系數(shù)衰減速度介于前兩者之間.

3結(jié)論

通過(guò)靜止型沖擊射流試驗(yàn)?zāi)M雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，對(duì)位于不同徑向位置的高層建筑剛性模型進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，研究穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)作用下高層建筑風(fēng)荷載特性，結(jié)果表明：

1）隨著建筑遠(yuǎn)離沖擊射流中心，建筑所受風(fēng)荷載逐漸減小.平均風(fēng)荷載最大值出現(xiàn)在r=1 Djet徑向位置處，與徑向風(fēng)速最大值位置相同.

2）雷暴沖擊風(fēng)作用下建筑表面壓力均值和根方差分布與大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)作用下相比差異較大.

3）建筑各高度處徑向?qū)语L(fēng)荷載最大值與徑向極值風(fēng)速出現(xiàn)的高度有差異，大致出現(xiàn)在建筑中部.這個(gè)現(xiàn)象表明徑向風(fēng)阻力除了包含來(lái)流風(fēng)場(chǎng)的貢獻(xiàn)外，同時(shí)還包含了由建筑擾流產(chǎn)生的作用.另外，在各個(gè)徑向位置下，建筑在橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向各層風(fēng)荷載均值均為0.

4）徑向和橫風(fēng)向?qū)用}動(dòng)風(fēng)荷載系數(shù)譜形狀沿高度幾乎不變.各層徑向荷載譜均存在單一峰值，且峰值對(duì)應(yīng)的折算頻率較為接近.橫風(fēng)向譜各層峰值頻率略微高于徑向譜.建筑下部扭轉(zhuǎn)向譜峰值附近較為平緩，上部“尖峰”明顯，帶寬變窄.

5）建筑表面脈動(dòng)風(fēng)壓的豎向相關(guān)性隨著距離的增加而減小.同面測(cè)點(diǎn)之間的脈動(dòng)風(fēng)壓水平相關(guān)系數(shù)均為正值，側(cè)風(fēng)面的水平相關(guān)性最高，迎風(fēng)面次之，背風(fēng)面最低.

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