鏤空雙層幕墻對高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)的影響

楊肖悅，秦瑋峰，柯延宇，謝霽明

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058)

由漩渦脫落引起的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向響應(yīng)是高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中面臨的主要難題。通過改變建筑物截面形狀或整體造型的氣動(dòng)優(yōu)化措施(例如角部修正[1-2]、扭轉(zhuǎn)[3]、錐度化[4-5]、開洞[6-8]等)已被證實(shí)能有效減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)。然而大多數(shù)氣動(dòng)優(yōu)化方案往往會(huì)對建筑外形與空間效率帶來不利影響[9]，這也是氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中遇到的最大挑戰(zhàn)。因而優(yōu)良的氣動(dòng)優(yōu)化方案不應(yīng)當(dāng)僅局限于空氣動(dòng)力學(xué)方面的效率，也應(yīng)當(dāng)考慮如何將氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與建筑物的其他性能化設(shè)計(jì)結(jié)合起來，通過“一舉多得”的方式，實(shí)現(xiàn)高效率的設(shè)計(jì)一體化“Integrated design”。

作為建筑可持續(xù)化的一部分，建筑物的節(jié)能低碳指標(biāo)正得到日益重視。據(jù)聯(lián)合國可持續(xù)建筑和氣候組織(UNEP-SBCI)的資料[10]，全球溫室氣體排放中約1/3來自于建筑物，建筑物的能耗占全球總量約40%，而這其中建筑覆面是影響建筑能耗最大的因素。在這一共識(shí)下，近幾十年來建筑覆面的相關(guān)技術(shù)有了長足進(jìn)步，特別是促進(jìn)了雙層幕墻系統(tǒng)與遮陽系統(tǒng)的研究[11-12]。

圖1所示的新型建筑覆面稱為“鏤空雙層幕墻系統(tǒng)”(porous double skin fa?ade system，簡稱“porous DSF”)，由內(nèi)玻璃幕墻與外鏤空墻組成，且兩者之間存在一定空隙。鏤空雙層幕墻系統(tǒng)不但具有建筑美學(xué)功能，還具有遮陽作用，能改善建筑能耗指標(biāo)，柔化室內(nèi)自然照明，消除室外眩光，減少城市光污染，因而得到日益重視與普及。

圖1 鏤空雙層幕墻系統(tǒng)Fig.1 Porous double skin fa?ade system

顯然，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)使氣流在建筑表面的繞流過程發(fā)生了變化，從而將改變建筑物的氣動(dòng)特性。目前研究主要關(guān)注鏤空雙層幕墻系統(tǒng)對于幕墻風(fēng)壓的影響[13-14]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[15-16]鏤空雙層幕墻能有效降低玻璃幕墻的覆面正負(fù)風(fēng)壓達(dá)40%左右，而對其中的最大負(fù)風(fēng)壓則能降低63%左右。鏤空雙層幕墻系統(tǒng)除了影響建筑表面風(fēng)壓，也勢必會(huì)影響氣流分離與渦脫強(qiáng)度，進(jìn)而弱化建筑物的橫風(fēng)向風(fēng)振，但相關(guān)工作則報(bào)道不多。在建筑迎風(fēng)面上設(shè)置豎向開槽的雙層幕墻風(fēng)洞試驗(yàn)可以認(rèn)為是與此較為接近的研究工作[17]。結(jié)果表明迎風(fēng)面上設(shè)置豎向開槽的雙層幕墻可以有效減低橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)，但對順風(fēng)向響應(yīng)的作用則可以忽略不計(jì)。

本文對具有鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的高層建筑抗風(fēng)性能進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)律性研究，探討將該類建筑覆面用于結(jié)構(gòu)氣動(dòng)優(yōu)化的可能性。通過風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的覆蓋面積與覆蓋位置對抗風(fēng)效率的影響，并考察不同風(fēng)速情況下的減振效率，此外還對不同周邊場地情況的影響做了分析。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

以一實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，制作了1∶400比例的縮尺模型，并在浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室(試驗(yàn)段尺寸為4 m寬×3 m高)中完成高頻測力天平試驗(yàn)。通過高頻基底天平測得建筑模型上的平均風(fēng)荷載與脈動(dòng)風(fēng)荷載，然后與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)相結(jié)合，求解隨機(jī)振動(dòng)方程，最后得到風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)。建筑物足尺高度374 m，截面為邊長52 m的正方形，高寬比約為7.2，阻塞率約為1%，滿足要求。由于建筑物中上部的氣動(dòng)力對一階廣義力和風(fēng)振響應(yīng)的貢獻(xiàn)最大[18]，所以試驗(yàn)僅在上部約1/3處(120 m)模擬了鏤空雙層幕墻系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)外墻之間距離5 m(足尺)，內(nèi)墻密閉，外墻鏤空。鏤空部分參考了工程項(xiàng)目中外玻璃幕墻尺寸，設(shè)置為高3.5 m(典型層高)寬2 m的洞口，等間距排列，鏤空率為43.75%。圖2為模型的風(fēng)洞試驗(yàn)照片。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)Fig.2 Wind tunnel test

為了研究鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的覆蓋面積與覆蓋位置對抗風(fēng)效率的影響，在模型上通過對洞口的封堵實(shí)現(xiàn)無鏤空幕墻、上部1/6鏤空、下部1/6鏤空、角部鏤空、上部1/3鏤空5種工況，詳見表1與圖3。

表1 工況說明Tab.1 Configurations of working conditions

圖3 工況細(xì)節(jié)Fig.3 Details of working conditions

1.2 流場設(shè)置

利用尖劈、粗糙元等在風(fēng)洞中模擬測試了開闊的A類地貌與城市的C類地貌。兩種地貌的平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面及2/3樓頂高度(60 cm)順風(fēng)向歸一化湍流功率譜見圖4、5。圖5中n為頻率，Su為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度，σ為脈動(dòng)風(fēng)速均方根，Lu為湍流積分尺度，U為該高度平均風(fēng)速。

試驗(yàn)中參考點(diǎn)風(fēng)速為8 m/s，雷諾數(shù)接近7×105。測試0°到90°以10°為間隔的10個(gè)風(fēng)向角，同時(shí)考慮到風(fēng)荷載在0°風(fēng)向角附近變化較為劇烈，增加風(fēng)向角為5°時(shí)的測試，共11個(gè)風(fēng)向角。天平采樣頻率500 Hz，采樣時(shí)長90 s。風(fēng)洞試驗(yàn)坐標(biāo)軸定義見圖6，與結(jié)構(gòu)振型坐標(biāo)軸保持一致，圖中α代表風(fēng)向角。為方便描述，文中將A類地貌下的5種工況分別記為A1～A5，C類地貌下的5種工況分別記為C1～C5。

圖4 平均風(fēng)速剖面與湍流度剖面Fig.4 Mean wind speed profile and turbulence profile

圖5 60 cm高度處順風(fēng)向湍流功率譜Fig.5 Along-wind turbulence spectra at 60 cm height

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)坐標(biāo)軸定義Fig.6 Coordinate system definition of wind tunnel test

2 結(jié)果分析

為使研究結(jié)果具有一定的普適性，本文采用無量綱約化值的方式表達(dá)氣動(dòng)特性與風(fēng)振響應(yīng)。無量綱分析是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的一項(xiàng)基本技術(shù)，可以減少分析中不必要的物理量假設(shè)，突出空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響，從而便于利用相似性原理演繹分析結(jié)果，對同類結(jié)構(gòu)具有直接參考價(jià)值。

2.1 鏤空雙層幕墻對氣動(dòng)力的影響

無量綱基底剪力系數(shù)與傾覆力矩系數(shù)分別定義為：

(1)

(2)

式中：Fx，F(xiàn)y，Mx，My分別代表風(fēng)洞試驗(yàn)得到的x方向與y方向的基底剪力與傾覆力矩，ρ為空氣密度，UH為模型樓頂高度平均風(fēng)速，B與H為模型迎風(fēng)面的寬度和高度，見圖6。

圖7為A1～A5在各風(fēng)向角下基底剪力系數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。平均值在0°風(fēng)向角下達(dá)到最大正值，在80°風(fēng)向角下出現(xiàn)較小的負(fù)值。在90°風(fēng)向角時(shí)為0。與工況A1相比，A5會(huì)略微增大0°風(fēng)向角下基底剪力系數(shù)的平均值，但增幅在4%以內(nèi)，因此可認(rèn)為平均基底剪力幾乎不受鏤空幕墻覆蓋面積的影響。在橫風(fēng)向風(fēng)振最劇烈的90°風(fēng)向角下，鏤空幕墻能明顯降低模型基底剪力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。其中A2與A5效果最好，與A1相比均能使基底剪力標(biāo)準(zhǔn)差降低約25%。A3對于基底剪力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的降低作用在15%左右，A4則在10%左右，效果相對較弱。從圖7可看出最不利風(fēng)向角正對建筑立面，即0°和90°風(fēng)向角。由于模型對稱，后續(xù)結(jié)果均以0°風(fēng)向角下的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明。

圖7 基底剪力系數(shù)Fig.7 Base shear coefficients

2.2 鏤空雙層幕墻建筑氣動(dòng)力頻譜特性

圖8給出各試驗(yàn)工況下順風(fēng)向與橫風(fēng)向無量綱傾覆力矩譜。圖中橫坐標(biāo)采用約化頻率fB/UH，頻率f為變量，縱坐標(biāo)采用式(2)定義的基底傾覆力矩系數(shù)的功率譜fS。不同覆蓋面積的鏤空雙層幕墻對順風(fēng)向傾覆力矩譜不造成明顯差別。但在約化頻率<0.10時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)使得橫風(fēng)向傾覆力矩譜值明顯變小。其中工況A2與A5的效果最好，能大幅降低尖峰峰值及低頻段(約化頻率<0.10)的譜值，A3與A4的效果則次之。在高頻段(約化頻率>0.10)時(shí)，不同鏤空幕墻對降低傾覆力矩譜值仍有一定作用，但效果較弱。

建筑物的橫風(fēng)向氣動(dòng)力主要由氣流經(jīng)過建筑物時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)分離和交替脫離表面的旋渦引起。鏤空雙層幕墻使側(cè)面的剪切層邊界離建筑物較遠(yuǎn)，背風(fēng)面尾流區(qū)域的循環(huán)氣流區(qū)變長，由此導(dǎo)致側(cè)面與背風(fēng)面氣動(dòng)力的脈動(dòng)分量降低[17]。此外，流動(dòng)分離后產(chǎn)生的湍流風(fēng)場中包括尺度大小不一的各種脈動(dòng)分量，其中尺度較大的氣流(低頻段)容易被外層鏤空幕墻過濾，而尺度較小的氣流(高頻段)則不易受到鏤空幕墻的影響，因而鏤空雙層幕墻系統(tǒng)在低頻段效果較好，在高頻段效果較弱。

圖8 A1～A5傾覆力矩系數(shù)譜Fig.8 Spectra of overturning moment coefficients of A1-A5

2.3 鏤空雙層幕墻建筑風(fēng)振響應(yīng)特性

評估鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)優(yōu)化效果最直接的方法是考察結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的模態(tài)運(yùn)動(dòng)方程可表達(dá)為

(3)

(4)

式中m(z)代表結(jié)構(gòu)質(zhì)量沿高度z的分布，φj(z)代表結(jié)構(gòu)第j階模態(tài)振型。

式(3)中的廣義力采用文獻(xiàn)[19-20]的方法以考慮高頻測力天平方法中非線性振型的影響，計(jì)算公式為

Pj(t)=(YjFx+ΛjFx)Fx(t)+(YjFy+ΛjFy)Fy(t)+

(5)

式中Mz為基底扭矩，Yj[·]和Λj[·]為各荷載分量對廣義氣動(dòng)力的貢獻(xiàn)參數(shù)[19]。

在按式(5)求出廣義力的時(shí)程數(shù)據(jù)并按照相似定律轉(zhuǎn)化為足尺下的廣義氣動(dòng)力時(shí)程后，代入式(3)并采用時(shí)域分析方法得到結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程，最后通過統(tǒng)計(jì)分析方法得到響應(yīng)的平均值、均方差、峰值等。選用四階Runge-Kutta法，同時(shí)采用Newmark-β法進(jìn)行驗(yàn)證，兩者計(jì)算結(jié)果幾乎完全吻合。時(shí)域分析方法與基于功率譜的頻域分析方法在響應(yīng)的均方值估計(jì)上幾乎完全一致，但時(shí)域分析對響應(yīng)的峰值的估計(jì)更為直接。

計(jì)算中依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)假設(shè)結(jié)構(gòu)1階與2階振型φ1y(z)=φ2x(z)=(z/H)1.2，阻尼比為1.5%。本文采用式(6)將樓頂加速度的標(biāo)準(zhǔn)差表示為無量綱的形式(約化加速度)，結(jié)果見圖9，圖中橫坐標(biāo)采用無量綱約化風(fēng)速UH/(fB)，f為結(jié)構(gòu)自振頻率，樓頂高度風(fēng)速UH為變量，從而得到在指定自振頻率下結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)隨風(fēng)速的變化規(guī)律。

(6)

式中qr為樓頂高度的平均風(fēng)壓，σa為樓頂加速度標(biāo)準(zhǔn)差。

圖9 約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.9 Standard deviations of normalized accelerations

由圖9可知，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)對順風(fēng)向響應(yīng)的作用不明顯，但對起主導(dǎo)作用的橫風(fēng)向響應(yīng)則具有明顯減振效果。而且減振效果不但與鏤空工況有關(guān)，在不同約化風(fēng)速下的表現(xiàn)也有所不同。為考察不同鏤空工況在不同約化風(fēng)速下的減振效率，可以將各鏤空工況(A2～A5)的風(fēng)振加速度與不設(shè)鏤空幕墻的工況(A1)的風(fēng)振加速度之比定義為“加速度折減率”。結(jié)果見圖10。圖10中黑色實(shí)線為A5工況加速度折減率的大致趨勢，從而可以較為清晰地展現(xiàn)折減率數(shù)值隨約化風(fēng)速的變化關(guān)系。

由圖10得知，除了角部鏤空(A4)工況的效果不夠理想外，其余鏤空工況都能顯著減少橫風(fēng)向風(fēng)振，而且減振效果一般隨約化風(fēng)速的提高而增強(qiáng)。A5在約化風(fēng)速>10.5時(shí)的折減率可達(dá)0.55，即樓頂1/3范圍內(nèi)設(shè)置鏤空雙層幕墻后的風(fēng)振加速度僅為未設(shè)置前的55%，在約化風(fēng)速7～10.5時(shí)的折減率約為0.8，而在約化風(fēng)速<7時(shí)的折減率約為0.7。這說明設(shè)置鏤空雙層幕墻不但能大幅降低極端風(fēng)下與橫風(fēng)向響應(yīng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，而且能改善常遇風(fēng)下與橫風(fēng)向風(fēng)振有關(guān)的居住舒適度。對居住舒適度的評估一般僅考慮1～10 a重現(xiàn)期下的風(fēng)速，相應(yīng)的約化風(fēng)速相對較低。而現(xiàn)有的沿建筑高度收縮截面(錐度化)的氣動(dòng)優(yōu)化方法雖能降低極端風(fēng)下的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，但在常遇風(fēng)時(shí)效果較差，甚至有可能增加振動(dòng)加速度[21]。相比而言，鏤空雙層幕墻對居住舒適度的氣動(dòng)優(yōu)化效率更具優(yōu)勢。

圖10 A2～A5鏤空雙層幕墻對風(fēng)振加速度的折減率Fig.10 Reductions in wind-induced accelerations by A2-A5 porous DSF system

采用最佳線性無偏估計(jì)(best linear unbiased estimation，BLUE)方法[22]計(jì)算無量綱約化合加速度峰值，結(jié)果見圖11。由于在工程應(yīng)用中主要關(guān)心峰值響應(yīng)，所以選用峰值作為鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的主要評估指標(biāo)可能更為合適。約化合加速度峰值曲線的趨勢與橫風(fēng)向約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線的趨勢相近，設(shè)置鏤空幕墻能有效減小響應(yīng)峰值。在不同覆蓋面積的鏤空雙層幕墻系統(tǒng)中，A2與A5的效果在渦激共振范圍內(nèi)明顯優(yōu)于A3與A4，由此推測鏤空幕墻的覆蓋面積越大降低橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的效果越好，且設(shè)置在建筑物頂部比設(shè)置在其他位置的效果更好。

圖11 約化合加速度峰值Fig.11 Peak values of normalized total accelerations

2.4 鏤空雙層幕墻對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載的影響

采用總傾覆力矩與總基底剪力為指標(biāo)評估鏤空雙層幕墻對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載的影響。總傾覆力矩與總基底剪力中包括三個(gè)組成部分：平均荷載、背景脈動(dòng)荷載以及由風(fēng)振引起的慣性荷載。背景荷載與慣性荷載同為動(dòng)力荷載，但兩者之間的相關(guān)性較弱，因而可采用SRSS方式進(jìn)行組合。約化傾覆力矩和約化基底剪力為：

(7)

式中：CMk與CFk分別為式(1)計(jì)算得到的x與y方向氣動(dòng)傾覆力矩和基底剪力系數(shù)的平均值，σCMk與σCFk為相應(yīng)氣動(dòng)系數(shù)的脈動(dòng)分量標(biāo)準(zhǔn)差，g為峰值系數(shù)，μMk與μSk為與質(zhì)量和振型分布有關(guān)的參數(shù)，見式(8)：

(8)

當(dāng)各樓層質(zhì)量相同且振型函數(shù)為指數(shù)型時(shí)，可以證明:

(9)

式中β為振型指數(shù)，對高層建筑β通常在1.0～1.5。

按前文假設(shè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可得到不同鏤空工況下順風(fēng)向與橫風(fēng)向總傾覆力矩和總基底剪力的約化值，見圖12、13。

可以看出，順風(fēng)向約化荷載(傾覆力矩和基底剪力)對約化風(fēng)速不敏感，這代表實(shí)際的順風(fēng)向荷載與風(fēng)速平方近似成正比關(guān)系。而橫風(fēng)向約化荷載則對約化風(fēng)速非常敏感。為直觀顯示不同鏤空工況的減載效率，將各鏤空工況(A2～A5)的最大傾覆力矩和基底剪力與不設(shè)鏤空幕墻的參照工況(A1)的最大傾覆力矩和基底剪力之比分別定義為“傾覆力矩折減率”和“基底剪力折減率”。結(jié)果見圖14。

由圖14可以看出，在約化頻率較低時(shí)，鏤空雙層幕墻的減載效率不夠明顯。這主要是因?yàn)樵诩s化頻率較小時(shí)，最大風(fēng)荷載由順風(fēng)向控制，但是隨著約化頻率的增大，橫風(fēng)向荷載反超順風(fēng)向荷載并成為主導(dǎo)荷載(約化頻率>5)[23]，鏤空雙層幕墻對風(fēng)荷載的折減效率逐漸接近對風(fēng)振加速度的折減效率。當(dāng)約化頻率>10.5時(shí)，A5對傾覆力矩與基底剪力的最大折減率可達(dá)0.55，即結(jié)構(gòu)總荷載最多能降至原結(jié)構(gòu)的55%左右。

圖12 約化傾覆力矩Fig.12 Normalized overturning moments

圖13 約化基底剪力Fig.13 Normalized base shears

圖14 A2～A5鏤空工況傾覆力矩與基底剪力折減率Fig.14 Reductions in overturning moments and base shears by A2-A5 porous DSF system

3 不同地貌對鏤空雙層幕墻減振效率的影響

為比較不同地貌對鏤空雙層幕墻減振效率的影響，本文在典型C類地貌下對各工況進(jìn)行試驗(yàn)。圖15給出C1～C5工況的順風(fēng)向與橫風(fēng)向無量綱傾覆力矩譜。與A類地貌下的結(jié)果類似，不同覆蓋面積的鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的順風(fēng)向傾覆力矩譜沒有明顯差別，但能顯著降低橫風(fēng)向傾覆力矩譜的尖峰峰值及低頻段(約化頻率<0.10)的譜值。降低幅度最大的仍為工況C2與C5。

圖15 C1～C5傾覆力矩系數(shù)譜Fig.15 Spectra of overturning moment coefficients of C1-C5

圖16比較了A類與C類地貌的無量綱約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差，選取工況1(基本模型)與鏤空雙層幕墻效果較好的工況2與工況5進(jìn)行說明。C類地貌下橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)明顯低于A類地貌，工況2與工況5均能大幅降低加速度響應(yīng)。圖17為C類地貌各鏤空工況的加速度折減率結(jié)果。C5在約化風(fēng)速<10.5時(shí)折減率約為0.75，在約化風(fēng)速>12時(shí)折減率約為0.55，與A類地貌下的結(jié)果類似。證明鏤空雙層幕墻在常遇風(fēng)下也能改善居住舒適度，且加速度折減率基本不受場地類別影響。

圖16 不同場地約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.16 Standard deviations of normalized accelerations for different terrain conditions

圖17 C2～C5鏤空雙層幕墻對風(fēng)振加速度的折減率Fig.17 Reductions in wind-induced accelerations by C2-C5 porous DSF system

圖18展示A類與C類地貌的無量綱約化傾覆力矩峰值的結(jié)果，同樣選取工況1、2、5進(jìn)行說明。C類地貌下約化荷載明顯低于A類地貌。約化風(fēng)速較小時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)對于約化荷載的折減效果較弱，當(dāng)約化風(fēng)速接近或大于渦激共振臨界風(fēng)速時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)優(yōu)化效果開始顯現(xiàn)。

圖19展示了各鏤空工況(C2～C5)的傾覆力矩折減率及基底剪力折減率，計(jì)算方法與A類地貌相同。在約化風(fēng)速較低時(shí)，鏤空雙層幕墻的減載效率基本等于1。當(dāng)約化風(fēng)速在5～10.5時(shí)，C5的折減率達(dá)到0.75，而當(dāng)約化風(fēng)速>10.5時(shí)，C5對傾覆力矩與基底剪力的折減率可達(dá)到0.55，與A類地貌的結(jié)果一致。由此可見盡管橫風(fēng)向渦激振動(dòng)的劇烈程度受場地類別影響，C類地貌下風(fēng)振加速度和約化荷載在數(shù)值上比A類地貌要小，但鏤空雙層幕墻對于橫風(fēng)向風(fēng)振加速度與結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的相對折減率基本不受場地類別影響。

圖18 不同場地約化傾覆力矩Fig.18 Normalized overturning moments for different terrain conditions

圖19 C2～C5鏤空工況傾覆力矩與基底剪力折減率Fig.19 Reductions in overturning moments and base shears by C2-C5 porous DSF system

4 結(jié) 論

1)鏤空雙層幕墻系統(tǒng)能有效降低高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)振加速度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，且鏤空雙層幕墻的覆蓋面積越大效果越好，設(shè)置在建筑物頂部效果更好。

2)鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)減振減載效率與約化風(fēng)速有關(guān)。當(dāng)約化風(fēng)速≥10.5時(shí)，設(shè)置在建筑物上部1/3的鏤空幕墻與設(shè)置在建筑物上部1/6的鏤空幕墻能使風(fēng)振加速度與總結(jié)構(gòu)荷載降至原結(jié)構(gòu)的55%左右。當(dāng)約化風(fēng)速<10.5時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的效率會(huì)有所降低，但仍能降低風(fēng)振響應(yīng)20%～30%左右。在約化風(fēng)速<5時(shí)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載由順風(fēng)向響應(yīng)控制，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的減載作用不明顯。

3)鏤空雙層幕墻系統(tǒng)不但可用于降低極端風(fēng)情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，而且可用于控制常遇風(fēng)時(shí)建筑物的風(fēng)振加速度，提高建筑物的性能化指標(biāo)。而現(xiàn)有的某些氣動(dòng)優(yōu)化方法雖能降低極端風(fēng)下的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，但在常遇風(fēng)時(shí)效果較差，甚至有可能增加振動(dòng)加速度。相比而言，鏤空雙層幕墻對居住舒適度的氣動(dòng)優(yōu)化效率更具優(yōu)勢。

4)盡管橫風(fēng)向渦激振動(dòng)的劇烈程度受場地類別影響，但鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)優(yōu)化效果基本不受場地類別影響，設(shè)置在建筑物上部1/3的鏤空幕墻的相對減振減載效率在城市地貌下與開闊地貌下基本一致。