群體超高層建筑風(fēng)致扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)研究

于懷懿　鄂玉良

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群體超高層建筑風(fēng)致扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)研究

于懷懿1鄂玉良2

（1.深圳市西麗街道辦事處, 廣東深圳 518000；2. 深圳市福田區(qū)建筑工務(wù)局,廣東深圳 518000）

文章通過同步測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)研究了六種不同寬度比、四種不同高度比的單個(gè)施擾建筑在B類地貌三種不同湍流度中對下游受擾建筑峰值基底扭矩的干擾效應(yīng)，并單獨(dú)對并列位置的扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究表明，超高層建筑扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)非常顯著，基本配置最大扭轉(zhuǎn)干擾因子達(dá)到2.8，寬度比為0.4時(shí)發(fā)生渦激共振，其最大干擾因子高達(dá)2.89，并通過渦激共振原理分析得到了寬度比和基本風(fēng)壓的關(guān)系。并列位置最大干擾因子達(dá)到1.38。

同步測壓技術(shù)；超高層建筑；風(fēng)洞試驗(yàn)；峰值基底扭矩；干擾效應(yīng)；渦激共振

引　言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市中心超高層建筑群逐漸增多，建筑之間的相互干擾作用使得建筑所承受的風(fēng)荷載比單體情況顯著增加，并且變得復(fù)雜。尤其隨著人類對建筑外形美的追求，建筑截面不再單一簡單，干擾作用下扭轉(zhuǎn)荷載對超高層建筑的作用更加明顯。近年來，高層建筑干擾效應(yīng)研究已成為國際風(fēng)工程研究的熱點(diǎn)之一，順風(fēng)向和橫風(fēng)向干擾效應(yīng)已經(jīng)比較成熟，但是對扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)的研究比較少且并不系統(tǒng)。

BLESSMANN(1985)[1]等通過對測壓數(shù)據(jù)進(jìn)行表面積分的方法以相鄰建筑間的平均扭矩為對象進(jìn)行干擾效應(yīng)研究，馬健[2]研究了同軸雙方柱平均扭矩氣動(dòng)力荷載的相互干擾。THORODDSEN S T(1985)[3]等利用動(dòng)態(tài)測力天平技術(shù)研究了方形建筑對不同截面形狀的受擾建筑上游少量位置的干擾效應(yīng)，得到平均和脈動(dòng)扭矩風(fēng)荷載。ZHANG W J(1995)[4]等利用氣彈模型技術(shù)研究了不同截面的偏心結(jié)構(gòu)之間的干擾效應(yīng)，但是其結(jié)果僅局限于試驗(yàn)所選取的結(jié)構(gòu)特性。黃鵬[5]采用動(dòng)態(tài)測力天平技術(shù)兩個(gè)完全一樣的方形建筑在不同風(fēng)場和風(fēng)向角下的平均、脈動(dòng)及峰值扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)，但是施擾建筑只有一個(gè)。

氣彈模型方法可以直接測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)功率譜，但是其結(jié)果與模型的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。高頻底座天平方法由于采用剛性模型因而試驗(yàn)結(jié)果僅與建筑氣動(dòng)外形有關(guān)，但是必須滿足第一階擺振振型隨高度線性變化以及擺振和扭振振型相互正交等假設(shè)，否則需對結(jié)論進(jìn)行修正。采用同步測壓技術(shù)，通過高頻壓力積分(HFPI)方法克服了以上缺陷。本文采用同步測壓技術(shù)研究了6種不同寬度比、4種不同高度比的施擾建筑在B類地貌三種不同湍流度的流場中的干擾試驗(yàn)，分析了不同基本風(fēng)壓對干擾效應(yīng)的影響，并通過分析渦激共振機(jī)理得到了寬度比和基本風(fēng)壓的關(guān)系。此外，對并列位置的相同建筑之間的干擾效應(yīng)進(jìn)行了研究。

1　基本試驗(yàn)及方法

1.1試驗(yàn)內(nèi)容

本論文試驗(yàn)是在汕頭大學(xué)STDX-1風(fēng)洞主試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段寬3m，高2m，長20m，風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，最大風(fēng)速可達(dá)45m/s。根據(jù)我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]模擬了B類地貌下三種不同湍流度的流場(H、L、SL)[7]。受擾建筑模型設(shè)計(jì)為100mm×100mm×600mm，模型縮尺比為1:400，響應(yīng)分析中假定其原型扭轉(zhuǎn)方向的一階固有頻率為0.35Hz，相應(yīng)的模態(tài)阻尼比為0.035，峰值因子按照Davenport提出的表達(dá)式估算。受擾建筑模型共布置7×4×7=196個(gè)測點(diǎn)，如圖1所示。采用與受擾建筑模型同高不同寬(寬度為0.4b、0.6b、0.8b、1.0b、1.2b、1.4b，其中b代表受擾模型寬度)和同寬不同高(高度為0.8h、1.0h、1.2h、1.4h，其中h代表受擾模型高度)的施擾模型。

試驗(yàn)時(shí)，在B類地貌三種不同湍流度下通過導(dǎo)軌系統(tǒng)移動(dòng)施擾建筑位置，雙柱體干擾試驗(yàn)移動(dòng)網(wǎng)格系統(tǒng)見圖2，并列位置干擾試驗(yàn)工況布置見圖3。圖中□表示施擾建筑模型，表示固定于坐標(biāo)原點(diǎn)的受擾建筑模型。

1.2干擾效應(yīng)的量化方法

為了方便工程師在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對干擾作用下的總荷載有個(gè)單一而可靠的參考，本文以峰值基底扭矩為研究對象，定義扭轉(zhuǎn)干擾因子為：

由于結(jié)構(gòu)響應(yīng)0和參考高度風(fēng)壓有關(guān)，因而動(dòng)態(tài)的干擾因子必然也和參考高度風(fēng)壓有關(guān)。為了簡化結(jié)果，參考謝壯寧[9]的方法，取以上干擾因子在基本風(fēng)壓范圍內(nèi)的包絡(luò)值來衡量結(jié)構(gòu)的干擾響應(yīng)：(2)

圖1.受擾建筑模型測壓孔位置圖

圖2.雙柱體干擾試驗(yàn)中施擾模型移動(dòng)坐標(biāo)網(wǎng)格圖

圖3.并列干擾試驗(yàn)工況布置圖

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1基本配置在不同基本風(fēng)壓下的結(jié)果

基本配置是指施擾建筑與受擾建筑高寬完全一樣的情況。在湍流度L中考慮六種不同基本風(fēng)壓干擾因子的回歸關(guān)系，為相應(yīng)其他基本風(fēng)壓的回歸結(jié)果，從結(jié)果來看，顯示了不同基本風(fēng)壓下干擾因子良好的回歸結(jié)果，相關(guān)系數(shù)在0.93以上，基本風(fēng)壓越接近，相關(guān)性越好。

從圖4中還可以看出，隨著基本風(fēng)壓的減小，干擾效應(yīng)也相應(yīng)減小，但是減小的幅度很小，且得到w0=0.7與0.6、0.5與0.4的回歸直線幾乎重合?？梢?，參考風(fēng)壓對扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)的影響甚小。

圖4.不同基本風(fēng)壓干擾因子回歸結(jié)果

2.2基本配置在不同湍流度中的結(jié)果

總體來看，湍流度越低干擾效應(yīng)越顯著，湍流度SL下干擾對響應(yīng)的放大作用是湍流度H下的3倍，最顯著干擾區(qū)域隨著湍流度的增加向x軸負(fù)方向靠攏。在{x=1.5～2,|y|=1.5～2.7}內(nèi)干擾因子隨著湍流度的增加，其干擾因子最小值從0.6變化到1.0，斜上方干擾作用的“遮擋效應(yīng)”逐漸消失。在串列位置，隨著湍流度從SL向H變化，干擾效應(yīng)從增加基底峰值扭矩向減小基底峰值扭矩轉(zhuǎn)變，在x=3處，最小干擾因子從1.5轉(zhuǎn)變?yōu)?.8，說明湍流度對串列位置的干擾效應(yīng)有質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

圖5.B類地貌湍流度SL下干擾因子分布圖

圖6.B類地貌湍流度L下干擾因子分布圖

圖7.B類地貌湍流度H下干擾因子分布圖

2.3施擾建筑寬度的影響

當(dāng)寬度比等于0.4時(shí)，干擾因子分布規(guī)律與其他寬度比很不一樣，最顯著干擾點(diǎn)在串列位置上，且其干擾效應(yīng)增加的基底扭矩是其他寬度比的3倍以上，當(dāng)x=3，取得最大干擾因子，其值為2.89。且在串列位置，隨著x的增加，干擾因子先從1增加到最大值，然后又逐漸減小，增大的過程中增速很大，減小的過程中減速較小，當(dāng)x>7，干擾因子小于1.2。在{x=1.5～5.0,y=-1.5～0}內(nèi)，干擾效應(yīng)尤其顯著，干擾作用使得受擾建筑基底峰值扭轉(zhuǎn)增加50%以上。

圖8.

圖9.

圖10.

圖11.

圖12.

圖13.

2.4渦激共振機(jī)理分析

當(dāng)渦脫頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相等時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激共振，已知方形結(jié)構(gòu)的斯托羅哈數(shù)在0.1左右，本文取為0.09，得到折算風(fēng)速與結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度的關(guān)系為：

表1.基本風(fēng)壓（kN/m2）和折算風(fēng)速（m/s）

0.90.850.80.750.7 4.54.44.24.14.0 0.650.60.550.50.4 3.83.73.53.43.0

表2.不同寬度比施擾建筑的尾流渦激共振折算風(fēng)速（m/s）

0.40.60.81.01.21.4 4.446.678.8911.1113.3315.55

依照上述結(jié)果，便能很好地解釋為什么只有在寬度比為0.4時(shí)發(fā)生了渦激共振現(xiàn)象。現(xiàn)將干擾最顯著的施擾點(diǎn)（x=3,y=0）單獨(dú)對不同基本風(fēng)壓下的干擾效應(yīng)進(jìn)行分析，用來驗(yàn)證發(fā)生渦激共振時(shí)的基本風(fēng)壓大小，結(jié)果如圖14所示。當(dāng)基本風(fēng)壓等于0.85時(shí)，干擾因子取得最大值2.89，此時(shí)發(fā)生最明顯的渦激共振現(xiàn)象，基本風(fēng)壓越接近0.85，其干擾因子越大。且隨著基本風(fēng)壓的增加，在沒有發(fā)生渦激共振之前，干擾效應(yīng)隨基本風(fēng)壓的增加而增加，當(dāng)基本風(fēng)壓大于0.85，干擾效應(yīng)減弱。

對照基本風(fēng)壓對基本配置的干擾效應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)，基本風(fēng)壓對能發(fā)生渦激共振的寬度比施擾建筑的干擾效應(yīng)影響要大很多，發(fā)生渦激共振時(shí)基本風(fēng)壓對應(yīng)的干擾因子是最小基本風(fēng)壓下干擾因子的兩倍以上。

圖14.典型施擾點(diǎn)不同基本風(fēng)壓下干擾因子大小

2.5施擾建筑高度的影響

研究表明，不同高度比的干擾因子存在很好的線性相關(guān)性，以基本配置為基準(zhǔn)對不同高度比干擾效應(yīng)進(jìn)行魯棒回歸分析得到圖 15、圖16和圖17。結(jié)果表明，寬度比小于1的相關(guān)系數(shù)為0.88，高度比大于1的相關(guān)系數(shù)在0.97以上，說明高度比大于1時(shí)，其相關(guān)性很好。高度比越大，回歸直線的斜率越大，干擾效應(yīng)越顯著，此外，隨著寬度比的增大，回歸直線的斜率增速減慢。不同高度比與基本配置的回歸關(guān)系如式(4)(5)(6)。這樣就大大簡化了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可以此估測其他高度比的干擾效應(yīng)。

圖15.高度比1.0和0.8的回歸結(jié)果

(4)

圖16.高度比1.0與1.2的回歸結(jié)果

(5)

圖17.高度比1.0與1.4的回歸結(jié)果

(6)

3　并列位置干擾效應(yīng)

并列位置干擾效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理與上游施擾建筑產(chǎn)生的干擾效應(yīng)不同，后者主要是由于上游建筑脫落的旋渦增加或削弱了尾流的脈動(dòng)成分，而并列位置干擾效應(yīng)主要是因?yàn)槭_建筑與受擾建筑之間的峽管效應(yīng)，由于施擾建筑的干擾使得受擾建筑背風(fēng)面及側(cè)面風(fēng)壓分布不均造成的。針對這一情況，本文單獨(dú)對一個(gè)施擾建筑和兩個(gè)施擾建筑的并列位置干擾效應(yīng)在湍流度L和H中進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

在繪制兩個(gè)施擾建筑在并列配置下干擾因子等值圖時(shí)，為了更直觀地表達(dá)施擾建筑間距對順風(fēng)向、橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)方向干擾效應(yīng)的影響，本文在干擾因子分布圖中將y軸負(fù)方向繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°，原點(diǎn)坐標(biāo)為(y,-y)=(1.2,-1.2)。

3.1一個(gè)施擾建筑的干擾結(jié)果

單個(gè)施擾建筑在并列位置的干擾效應(yīng)如圖18所示，研究發(fā)現(xiàn)，湍流度L下的干擾效應(yīng)普遍比湍流度H下干擾效應(yīng)明顯，且所有干擾因子都大于1。隨著施擾建筑與受擾建筑間距的增加，風(fēng)致扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)遞減，當(dāng)y=1.2，湍流度L下干擾因子取得最大值1.38，湍流度H下干擾因子取得最大值1.31。從曲線遞減規(guī)律來看，當(dāng)y>5，干擾因子遞減的速度比y<5的干擾因子遞減速度小1/2。

將并列位置扭轉(zhuǎn)干擾因子擬合成二次多項(xiàng)式，可把兩種不同湍流度下的干擾因子曲線表達(dá)成下述函數(shù)：

圖18.單個(gè)施擾建筑干擾因子分布圖

圖19.湍流度L中兩個(gè)施擾建筑干擾因子分布圖

圖20.湍流度H中兩個(gè)施擾建筑干擾因子分布圖

3.2兩個(gè)施擾建筑的干擾結(jié)果

本文研究了B類地貌下湍流度L和H兩種風(fēng)場中兩個(gè)施擾建筑在并列位置的扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)，干擾因子分布圖如圖19和圖20所示。結(jié)果表明：(1)扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)主要由與施擾建筑較近的施擾建筑控制，當(dāng)較近施擾建筑固定時(shí)，較遠(yuǎn)施擾建筑位置變化對干擾作用的影響甚微。(2)當(dāng)與施擾建筑較近的受擾建筑之間的間距小于4時(shí)，干擾效應(yīng)比其他位置顯著，尤其在最近建筑間距為1.5～3之間時(shí)，峽管效應(yīng)對受擾建筑基底扭矩的干擾作用最明顯，低湍流場中最大干擾因子出現(xiàn)在（1.5，3.5）處，最值為1.41，高湍流場中最大干擾因子出現(xiàn)在（2.0，7.5）處，其值為1.36。(3)當(dāng)兩施擾建筑離受擾建筑的距離都大于4.5b之后，干擾因子穩(wěn)步在1.1。(4)并不是施擾建筑離受擾建筑越近干擾效應(yīng)越明顯，當(dāng)兩施擾建筑與受擾建筑的間距均小于2.0時(shí)，干擾效應(yīng)并不明顯，而且在湍流度H的流場中，此范圍內(nèi)干擾效應(yīng)減弱了受擾建筑的基底扭矩。(5)與一個(gè)施擾建筑并列位置干擾效應(yīng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)最大的區(qū)別是兩個(gè)施擾建筑干擾時(shí)，當(dāng)較近施擾建筑處于y=1.2處，干擾效應(yīng)較小，當(dāng)y=1.5~2.0之間時(shí)，干擾效應(yīng)最顯著。(6)湍流度越低，兩個(gè)施擾建筑顯著干擾區(qū)域的干擾效應(yīng)越顯著。

4　結(jié)　語

(1)基本配置下，湍流度L中最大干擾因子為1.7，要尤其注意施擾建筑位于區(qū)域{x=3~7,|y|=0.9}的扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)。

(2)施擾建筑寬度比對干擾效應(yīng)的影響較大，干擾作用隨寬度比的增加而增加，但是當(dāng)發(fā)生渦激共振現(xiàn)象時(shí)，干擾效應(yīng)分布規(guī)律發(fā)生改變且最顯著干擾點(diǎn)的基底峰值扭矩是非共振情況的5倍之多，渦激共振時(shí)與臨界基本風(fēng)壓越接近，干擾效應(yīng)越顯著。不同高度比之間的干擾效應(yīng)存在較好的線性相關(guān)性，高度比越大，干擾效應(yīng)越顯著，且高度比大于1時(shí)施擾建筑對扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)的影響相對較小。

(3)單個(gè)建筑在并列位置施擾時(shí)，隨著施擾建筑與受擾建筑距離的增加扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)逐漸消失。兩個(gè)施擾建筑分別布置在受擾建筑兩側(cè)時(shí)，干擾效應(yīng)主要由離受擾建筑更近的施擾建筑控制，且顯著干擾效應(yīng)出現(xiàn)在|ymin|={1.2~3}處。

[1]BLESSMANN J,RIERA J D.Wind excitation of neighbour-ing tall buildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic ,1985,18:91-103.

[2]馬健,郭明民,徐有恒.同軸雙方柱氣動(dòng)力載荷的相互干擾[J].力學(xué)季刊,2000,23(3):365-370.

[3]THORODDSEN S T,CERMAKJ E,PETERKA J A.Mean and dynamic wind loading caused by an upwind structure [A].Proceedings of 5th U. S. National Conference on Wind Engineering[C].Lubboch,USA,1985:4A27-4A280.

[4]ZHANGWJ,XU YL,KWOK K C S.Interference effects on aeroelastic torsional response of structurally asymmetric tall buildings[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic,1995,57:41-61.

[5]黃鵬,顧明.高層建筑風(fēng)致扭轉(zhuǎn)干擾效應(yīng)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2005,(4).

[6]A.G.Davenport, The Application of Statistical Concepts to the Wind Loading of Structures,Proc.Instn. Civ.Engnrs,vol 19,Aug.1961,pp.449-472.

[7]謝壯寧,顧明,任意排列雙柱體的風(fēng)致干擾效應(yīng)[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,(10).

（責(zé)任編校:何俊華）

2017－03－25

于懷懿（1986－），男，湖南永州人，工學(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)抗風(fēng)。

TU8

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1673-2219（2017）06-0067-05