丁 通, 陳水福
(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,杭州 310058)
隨著建筑高度的增長(zhǎng),超高層建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)問題日漸突出,并逐漸成為影響建筑安全性和舒適性的關(guān)鍵因素。為減緩過大的氣動(dòng)荷載及其響應(yīng),研究者們提出了不同的優(yōu)化措施,其中改變超高層建筑沿高度方向的尺寸或形狀,已被證實(shí)是一種效果顯著的氣動(dòng)優(yōu)化措施。顧明等[1-2]從氣動(dòng)措施和輔助阻尼器措施兩方面綜述了降低超高層建筑風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)的研究現(xiàn)狀。Kim等[3-5]的研究顯示,錐度化和退臺(tái)均可減小建筑頂部均方根位移,但會(huì)增大個(gè)別風(fēng)向角下的頂部加速度響應(yīng);這兩種措施均可降低平均阻力系數(shù)和脈動(dòng)升力系數(shù),而退臺(tái)對(duì)減緩脈動(dòng)升力系數(shù)效果更佳;錐度化和退臺(tái)還會(huì)影響風(fēng)壓功率譜帶寬和峰值頻率。對(duì)于方形截面高層建筑,錐度化可以有效消減作用于表面的風(fēng)荷載,并抑制漩渦脫落強(qiáng)度[6-8]。Tanaka等[9]采取錐度化、退臺(tái)和立面旋轉(zhuǎn)等多種措施對(duì)多種類型截面的超高層建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),結(jié)果顯示,各種措施對(duì)不同氣動(dòng)特性的優(yōu)化效果各不相同,建議對(duì)于特定的減小目標(biāo),應(yīng)選取針對(duì)性的措施。鄧挺等[10]研究了不同退臺(tái)方式對(duì)方形截面高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)的影響,認(rèn)為立面退臺(tái)可以有效減小建筑橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng),而退臺(tái)旋轉(zhuǎn)可以更大程度減小建筑的橫風(fēng)向荷載。Kumar等[11-12]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了正三角形截面高層建筑氣動(dòng)外形優(yōu)化措施,發(fā)現(xiàn)立面旋轉(zhuǎn)可以有效改善建筑表面風(fēng)壓分布以及三分力系數(shù)。Daemei等[13]針對(duì)正三角形截面高層建筑,采用數(shù)值模擬方法比較了錐度化、退臺(tái)、立面旋轉(zhuǎn)以及圓角、倒角、凹角等角部處理對(duì)阻力系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)圓角處理能夠最大程度減小阻力系數(shù),最大降幅達(dá)到66%。
目前關(guān)于超高層建筑氣動(dòng)立面優(yōu)化的研究主要集中于方形截面建筑,僅有少量針對(duì)正三角形截面建筑。事實(shí)上,從使用功能上看,正三角形平面的空間利用率不佳,故實(shí)際超高層建筑更多選擇圓角三角形或圓角弧邊三角形截面,如廣州國(guó)際金融中心、上海中心大廈以及濟(jì)南綠地中心等均選用此類截面,如圖1所示。國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者[14-17]對(duì)基于實(shí)際工程項(xiàng)目的圓角弧邊三角形截面雙塔高層建筑的干擾效應(yīng)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)主要體現(xiàn)在受擾建筑頂部峰值加速度明顯增大。在此基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步對(duì)圓角弧邊三角形超高層建筑采取氣動(dòng)立面優(yōu)化措施,系統(tǒng)研究了兩種地貌下錐度化、同向退臺(tái)以及兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)建筑三分力系數(shù)、基底橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜以及層脈動(dòng)升力系數(shù)功率譜的影響,以期為同類超高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
圖1 圓角弧邊三角形超高層建筑Fig.1 Rounded corner arc triangular super high-rise buildings
試驗(yàn)在浙江大學(xué)ZD-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。在試驗(yàn)地貌的選擇上,Kwon等[18]和潘忠岳[19]各自通過對(duì)比多國(guó)最新風(fēng)荷載規(guī)范,發(fā)現(xiàn)在定義基本風(fēng)速的郊區(qū)地貌,如中國(guó)B類地貌或日本Ⅱ類地貌之中,相比之下中國(guó)規(guī)范的湍流強(qiáng)度偏小,有待進(jìn)一步完善。鑒于此,同時(shí)也為了便于與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,本次風(fēng)洞試驗(yàn)的邊界層風(fēng)場(chǎng)模擬了兩種日本地貌:郊區(qū)環(huán)境下的Ⅱ類地貌(風(fēng)速剖面指數(shù)α=0.15)和城市環(huán)境下的Ⅳ類地貌(α=0.27)。風(fēng)洞中的實(shí)測(cè)風(fēng)速剖面和湍流度剖面,如圖2所示。
圖2 風(fēng)剖面模擬Fig.2 Simulation of wind-field profile
試驗(yàn)?zāi)M的圓角弧邊三角形超高層建筑原型底面邊長(zhǎng)60 m,高度300 m,試驗(yàn)縮尺比1∶300。試驗(yàn)?zāi)P桶ǎ旱冉孛娴膶?duì)照模型A;錐度(底面與頂部邊長(zhǎng)差與高度的比值)6.3%的低錐度模型B;錐度10.6%的高錐度模型C;兩階同向退臺(tái)模型D;兩階退臺(tái)底部60°旋轉(zhuǎn)模型E;兩階退臺(tái)中部60°旋轉(zhuǎn)模型F。各模型沿高度方向均設(shè)置了11個(gè)測(cè)點(diǎn)層,且對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)層高度相同。表1列出了試驗(yàn)?zāi)P突緟?shù)。
表1 試驗(yàn)?zāi)P突緟?shù)Tab.1 Basic parameters of test models
為獲得精細(xì)的風(fēng)荷載特性隨風(fēng)向變化,各模型以5°為一個(gè)風(fēng)向,在0° ~ 360°內(nèi)分別設(shè)置了72個(gè)風(fēng)向角工況。試驗(yàn)時(shí)模型頂部參考風(fēng)速約10 m/s,測(cè)點(diǎn)采樣頻率f=312.5 Hz,采樣長(zhǎng)度為10 000次。圖3給出了試驗(yàn)?zāi)P图帮L(fēng)向示意圖,以模型A為例,0°風(fēng)向下處于圓角迎風(fēng),30°風(fēng)向下處于不對(duì)稱迎風(fēng),60°風(fēng)向下處于弧面正向迎風(fēng)。
圖3 試驗(yàn)?zāi)P图帮L(fēng)向Fig.3 Test models and wind directions
為了消除試驗(yàn)風(fēng)速和模型尺寸的影響,通過處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了各模型無量綱氣動(dòng)力系數(shù),并采用CD,CL,CMZ,CML分別表示阻力系數(shù)、升力系數(shù)、扭矩系數(shù)和橫風(fēng)向基底彎矩系數(shù)?;讱鈩?dòng)力系數(shù)定義為
(1)
(2)
(3)
(4)
式中:ρ為空氣密度;UH為模型頂部風(fēng)速;FD,F(xiàn)L分別為順風(fēng)向和橫風(fēng)向基底合力;MZ,ML分別為扭轉(zhuǎn)向和橫風(fēng)向基底彎矩;A為迎風(fēng)面投影面積,B0.5H為模型中部寬度。
特殊的截面特性使圓角弧邊三角形建筑在不同來流方向上呈現(xiàn)出截然不同的氣動(dòng)力特性。為研究順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載的分布特性,圖4~圖6分別給出了各模型阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及扭矩系數(shù)的均值和均方根值隨風(fēng)向θ的變化趨勢(shì),圖中數(shù)據(jù)為三個(gè)面試驗(yàn)結(jié)果的平均值。同時(shí),引用2011年Kumar等研究中關(guān)于三棱柱的試驗(yàn)結(jié)果,以比較同等城市地貌下不同截面類型模型的試驗(yàn)結(jié)果。
圖6 扭矩系數(shù)隨風(fēng)向變化Fig.6 Variation of torsional moment coefficients on wind directions
從圖4可以看出,兩種地貌試驗(yàn)結(jié)果分布規(guī)律接近,城市地貌下,各模型平均阻力系數(shù)有所減小,而脈動(dòng)阻力系數(shù)則由于來流湍流激勵(lì)的增強(qiáng)而呈現(xiàn)增大。以城市地貌為例,各模型平均和脈動(dòng)阻力系數(shù)均在0°~35°內(nèi)緩慢增長(zhǎng),之后則迅速增大,說明圓角弧邊三角形建筑在圓角迎風(fēng)和弧面迎風(fēng)時(shí)氣動(dòng)力特性差異較大;相比之下,三棱柱建筑的平均和脈動(dòng)阻力系數(shù)則從20°起開始迅速增大,并大幅超過其他模型的阻力系數(shù)值。究其原因:當(dāng)弧面迎風(fēng)時(shí),三棱柱建筑的尖銳拐角使氣流分離位置更為穩(wěn)定,降低了阻力系數(shù)對(duì)不同迎風(fēng)方向的敏感性;而圓角處理使氣流分離位置不斷向后移動(dòng),有利于減小平均和脈動(dòng)阻力系數(shù)。
圖4 阻力系數(shù)隨風(fēng)向變化Fig.4 Variation of drag force coefficients on wind directions
等截面模型A平均阻力系數(shù)在60°風(fēng)向下達(dá)到最大值,隨著錐度增加,平均阻力系數(shù)逐漸減小,而同向退臺(tái)模型D平均阻力系數(shù)則進(jìn)一步減小。然而,這4個(gè)模型的脈動(dòng)阻力系數(shù)在弧面迎風(fēng)一定范圍內(nèi)數(shù)值接近,并由于脈動(dòng)風(fēng)的不確定性而上下波動(dòng),說明錐度化和同向退臺(tái)對(duì)脈動(dòng)阻力系數(shù)的改善效果甚微。相比之下,底部旋轉(zhuǎn)模型E和中部旋轉(zhuǎn)模型F的平均和脈動(dòng)阻力系數(shù)在弧面迎風(fēng)時(shí)都比較小,這是由于兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式使部分高度范圍內(nèi)的弧面迎風(fēng)轉(zhuǎn)為圓角迎風(fēng),大大降低了順風(fēng)向風(fēng)荷載。以郊區(qū)地貌為例,隨著錐度增加,模型B和模型C的平均阻力系數(shù)降幅分別為5.5%和8.2%,同向退臺(tái)模型D平均阻力系數(shù)降幅達(dá)到13.8%,而底部旋轉(zhuǎn)模型E和中部旋轉(zhuǎn)模型F的平均阻力系數(shù)降幅甚至達(dá)到25%左右。
圖5表明,相比于郊區(qū)地貌,城市地貌下各模型平均升力系數(shù)減小,除模型A之外的其余模型脈動(dòng)升力系數(shù)略微增大。郊區(qū)地貌下,模型A脈動(dòng)升力系數(shù)從35°風(fēng)向起迅速增大,并在60°風(fēng)向達(dá)到最大值0.30;而在城市地貌下,模型A脈動(dòng)升力系數(shù)曲線在60°風(fēng)向左右較為平緩。這可能是由于模型A在郊區(qū)地貌60°風(fēng)向下出現(xiàn)最強(qiáng)烈的漩渦脫落現(xiàn)象,而城市地貌下的風(fēng)場(chǎng)抑制了漩渦脫落,從而降低了該風(fēng)向下的脈動(dòng)升力系數(shù)。與模型A相比,三棱柱建筑的升力系數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的風(fēng)向范圍不同,其平均升力系數(shù)峰值略微減小,脈動(dòng)升力系數(shù)峰值則大幅減小28%左右,說明圓角處理反而會(huì)增大平均升力系數(shù)和脈動(dòng)升力系數(shù)。
圖5 升力系數(shù)隨風(fēng)向變化Fig.5 Variation of lift force coefficients on wind directions
模型A~模型D平均升力系數(shù)峰值出現(xiàn)在35°和85°風(fēng)向附近,而脈動(dòng)升力系數(shù)峰值主要出現(xiàn)在弧面迎風(fēng)附近??梢钥闯觯F度化可以降低平均升力系數(shù),并大幅減小脈動(dòng)升力系數(shù),且錐度越大,效果越好,但總體效果差于退臺(tái)的效果。相比之下,模型E和模型F平均升力系數(shù)遠(yuǎn)小于其余幾個(gè)模型,說明退臺(tái)旋轉(zhuǎn)可以進(jìn)一步降低平均升力系數(shù)。然而,模型E和模型F脈動(dòng)升力系數(shù)峰值大小則接近模型D,其中,模型E脈動(dòng)升力系數(shù)峰值出現(xiàn)在0°風(fēng)向,模型F脈動(dòng)升力系數(shù)峰值集中在60°風(fēng)向附近,說明退臺(tái)旋轉(zhuǎn)可以改變脈動(dòng)升力系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)向范圍。以郊區(qū)地貌為例,低錐率模型B、高錐率模型C和同向退臺(tái)模型D的平均升力系數(shù)降幅分別為4.1%,7.0%和16.5%,而兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)模型的平均升力系數(shù)降幅甚至達(dá)到70%左右。隨著錐度增加,模型B和模型C的脈動(dòng)升力系數(shù)降幅分別為21.7%和33.3%,三種退臺(tái)模型脈動(dòng)升力系數(shù)降幅則接近47%。
由圖6可見,各模型的扭矩系數(shù)在數(shù)值上明顯小于阻力系數(shù)和升力系數(shù);城市地貌下平均扭矩系數(shù)較小,而脈動(dòng)扭矩系數(shù)相對(duì)稍大。模型A~模型D平均扭矩系數(shù)峰值出現(xiàn)在35°和85°風(fēng)向附近,這與平均升力系數(shù)分布規(guī)律類似;但脈動(dòng)扭矩系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)向范圍則與脈動(dòng)升力系數(shù)不同,它出現(xiàn)在弧面迎風(fēng)兩側(cè)40°和80°風(fēng)向附近。由于錐度化和同向退臺(tái)僅改變截面尺寸,未明顯改變表面風(fēng)荷載分布狀態(tài),因而對(duì)平均和脈動(dòng)扭矩系數(shù)影響甚微。兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式對(duì)扭矩系數(shù)的影響規(guī)律與升力系數(shù)接近,能夠大幅降低平均扭矩系數(shù),并改變脈動(dòng)扭矩系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)向范圍。
圖7給出了兩種地貌下模型A在弧面迎風(fēng)附近多個(gè)風(fēng)向下的橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜密度,這里寬度B統(tǒng)一采用模型底面寬度,橫坐標(biāo)即為折算頻率,縱坐標(biāo)fSCML表示無量綱的橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜密度??梢钥闯觯瑑煞N地貌下模型A均在60°風(fēng)向發(fā)生最強(qiáng)烈的漩渦脫落現(xiàn)象,峰值對(duì)應(yīng)的折算頻率,即斯托羅哈數(shù)約為0.11。相較而言,郊區(qū)地貌下的功率譜從50°風(fēng)向起就開始出現(xiàn)集中現(xiàn)象,且數(shù)值明顯更大;而城市地貌下的功率譜在50°風(fēng)向下未出現(xiàn)尖銳譜峰,且弧面迎風(fēng)時(shí)的數(shù)值相對(duì)較小,說明城市地貌下的風(fēng)場(chǎng)可以有效抑制弧面迎風(fēng)時(shí)的漩渦脫落,進(jìn)一步驗(yàn)證了郊區(qū)地貌下模型A脈動(dòng)升力系數(shù)在60°風(fēng)向明顯更大的原因。
圖7 模型A橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜密度Fig.7 Power spectral densities of across-wind overturning moment coefficients of model A
圖8為兩種地貌下各模型在60°風(fēng)向下的橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜密度的比較。由圖8可見,兩種地貌下各模型功率譜分布規(guī)律相近。以郊區(qū)地貌為例,模型A功率譜集中程度最大,帶寬最小,表明發(fā)生了最強(qiáng)烈的漩渦脫落。隨著錐度的增加,模型B和模型C的功率譜曲線右移,帶寬增大,峰值大幅減小。這是由于錐度化模型隨著高度增加,迎風(fēng)寬度逐漸減小,發(fā)生漩渦脫落的頻率逐漸增大,從而產(chǎn)生一系列頻率逐漸遞增的局部漩渦,有效降低了功率譜峰值,且錐度越大,效果越明顯。相比之下,同向退臺(tái)模型D沿高度分為3種迎風(fēng)寬度,總體上產(chǎn)生3組不同頻率的局部漩渦,且不同頻率漩渦由于頻率相差較大,彼此的相關(guān)性較低,導(dǎo)致功率譜峰值更低。然而,值得注意的是,底部旋轉(zhuǎn)模型E的功率譜在折算頻率較小時(shí)明顯最小,但在0.16折算頻率附近超過模型D;中部旋轉(zhuǎn)模型F的功率譜在0.1~0.2折算頻率范圍大幅減小,而在0.28折算頻率附近超過模型D,表明兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式抑制了模型旋轉(zhuǎn)部分所對(duì)應(yīng)的局部漩渦,卻明顯增大了上方相鄰?fù)伺_(tái)部分的漩渦脫落程度。
圖8 60°風(fēng)向下橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜密度對(duì)比Fig.8 Comparison of power spectral densities of across-wind overturning moment coefficients
為進(jìn)一步分析兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式對(duì)不同高度各部分漩渦脫落的影響,圖9、圖10分別給出兩種地貌中部及上部退臺(tái)層脈動(dòng)升力系數(shù)功率譜沿高度分布,縱坐標(biāo)fSCFL表示無量綱的層脈動(dòng)升力系數(shù)功率譜密度。其中:第4~第7測(cè)點(diǎn)層位于中部退臺(tái);第8~第11測(cè)點(diǎn)層位于上部退臺(tái)。可以看出,兩種地貌下,對(duì)應(yīng)高度測(cè)點(diǎn)層的層脈動(dòng)升力系數(shù)功率譜分布規(guī)律類似。
圖9 郊區(qū)地貌層脈動(dòng)升力系數(shù)功率譜密度Fig.9 Power spectral densities of layer lift force coefficients under suburban landforms
圖10 城市地貌層脈動(dòng)升力系數(shù)功率譜密度Fig.10 Power spectral densities of layer lift force coefficients under urban landforms
在中部退臺(tái)上,模型D第4、第5測(cè)點(diǎn)層升力系數(shù)功率譜受基臺(tái)影響,帶寬較大,而第6、第7層功率譜集中現(xiàn)象更明顯。模型E功率譜明顯大于模型D,且距離基臺(tái)越近,功率譜相對(duì)更大,說明基臺(tái)旋轉(zhuǎn)使模型E中部退臺(tái)漩渦脫落程度明顯增強(qiáng)。其原因在于,模型E基臺(tái)旋轉(zhuǎn)后處于圓角迎風(fēng),氣流在基臺(tái)兩側(cè)風(fēng)弧面上逐漸加速,而中部退臺(tái)漩渦脫落位置處于基臺(tái)兩側(cè)風(fēng)弧面中部所在的豎直面上,這樣基臺(tái)上加速的氣流就會(huì)對(duì)中部退臺(tái)的漩渦脫落產(chǎn)生增強(qiáng)效果。模型F由于中部退臺(tái)旋轉(zhuǎn),其第4~第7層功率譜明顯最小,第7層功率譜則由于上部退臺(tái)漩渦脫落的影響在0.28折算頻率附近產(chǎn)生集中趨勢(shì)。
在上部退臺(tái)上,可以看出模型D和模型E各層功率譜峰值較為接近,并隨高度增加而逐漸減小。同時(shí),受中部退臺(tái)漩渦脫落影響,模型D和模型E第8層功率譜峰值對(duì)應(yīng)的折算頻率仍在0.20左右。模型F第8層功率譜則在0.28折算頻率處明顯集中并超過模型D和模型E,第9~第11層功率譜峰值同樣由于中部退臺(tái)兩側(cè)風(fēng)弧面上氣流加速的影響而明顯最大,進(jìn)一步說明兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式能夠明顯增強(qiáng)上方相鄰?fù)伺_(tái)部分的漩渦脫落程度。
以圓角弧邊三角形超高層建筑為對(duì)象,采用同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了郊區(qū)地貌及城市地貌下幾種立面優(yōu)化措施:錐度化、同向退臺(tái)以及兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)建筑三分力系數(shù)、基底橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜和層脈動(dòng)升力系數(shù)功率譜的影響。通過對(duì)比分析,可以得出如下結(jié)論:
(1) 與郊區(qū)地貌相比,城市地貌下各模型三分力系數(shù)總體上呈現(xiàn)出平均分力系數(shù)減小,脈動(dòng)分力系數(shù)增大的變化趨勢(shì)。然而,等截面模型A脈動(dòng)升力系數(shù)在郊區(qū)地貌弧面正向迎風(fēng)時(shí)明顯更大,這主要由強(qiáng)烈的漩渦脫落所致。城市地貌下的風(fēng)場(chǎng)可削弱其漩渦脫落,從而降低脈動(dòng)升力系數(shù)。
(2) 錐度化和同向退臺(tái)均可有效降低平均阻力系數(shù)、平均升力系數(shù)和脈動(dòng)升力系數(shù),且降幅隨錐度增大而增大;相比之下退臺(tái)的效果更佳;兩種措施對(duì)脈動(dòng)阻力系數(shù)的影響很小;因錐度化和同向退臺(tái)未明顯改變風(fēng)荷載分布狀態(tài),故對(duì)平均和脈動(dòng)扭矩系數(shù)影響甚微。與同向退臺(tái)相比,退臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式能更有效降低三個(gè)平均分力系數(shù)和脈動(dòng)阻力系數(shù),并改變脈動(dòng)升力系數(shù)和脈動(dòng)扭矩系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)向范圍。
(3) 隨著錐度增大,橫風(fēng)向彎矩系數(shù)功率譜峰值頻率右移,譜峰降低;同向退臺(tái)也呈現(xiàn)類似影響,但程度更大。兩種退臺(tái)旋轉(zhuǎn)會(huì)使功率譜部分頻段的能量明顯超過同向退臺(tái)情況,這是由于當(dāng)旋轉(zhuǎn)部分圓角迎風(fēng)時(shí),在兩個(gè)側(cè)風(fēng)弧面上加速的氣流會(huì)對(duì)上方相鄰?fù)伺_(tái)的漩渦脫落產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)。