高層建筑頂部圍擋結(jié)構(gòu)風荷載試驗研究*

馬文勇，黃錚漢，鄭德乾，張正維

（1.石家莊鐵道大學省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室 石家莊，050043）

（2.河北省風工程和風能利用工程技術創(chuàng)新中心 石家莊，050043）

（3.河南工業(yè)大學土木工程學院 鄭州，450001）（4.奧雅納工程咨詢（上海）有限公司 上海，200031）

引言

隨著現(xiàn)代社會人口的密集以及城市化進程的加快，超高層建筑呈現(xiàn)越來越多、越來越高的發(fā)展趨勢［1］。超高層建筑結(jié)構(gòu)頻率較低，風荷載對其影響很大［2］。準確估計超高層建筑的風荷載一直都是結(jié)構(gòu)抗風研究的重點問題之一，目前一般可通過風洞試驗與隨機振動相結(jié)合的方法，實現(xiàn)大多數(shù)超高層建筑風荷載及風致響應的較準確估計。

筆者采用剛性模型測壓風洞試驗方法，對具有不同高度頂部圍擋的方形斷面高層建筑進行研究，探討頂部圍擋高度對結(jié)構(gòu)整體風荷載的影響，以及頂部圍擋高度范圍內(nèi)風荷載的分布規(guī)律，從而為此類高層建筑整體風荷載取值及頂部圍擋部分風荷載取值提供依據(jù)。

1 風洞試驗概況

1.1 試驗設備

試驗在石家莊鐵道大學的STDU-1風洞試驗室低速試驗段進行，該試驗段截面尺寸為4.4 m×3 m，風速最大可達30.0 m/s。試驗采用剛性模型測壓試驗。壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國PSI公司的DTC系列微型ESP壓力傳感器和DTC Initium采集系統(tǒng)。

試驗時采用的風場為B類風場［17］，模型頂部高度（60 cm）處的試驗來流風速為10 m/s。采樣頻率為330 Hz，采樣時間為30 s。圖1為試驗模擬的B類風場平均風剖面及湍流度剖面。

圖1 試驗平均風及湍流度剖面Fig.1 Experiment wind velocity and trubulence intensity profiles

1.2 試驗模型及工況

試驗模型采用ABS板制作，模型尺寸為100 mm×100 mm×600 mm，模型縮尺比為1∶500，對應實際高度300 m的超高層建筑。分別考慮了5種頂部圍擋高度，即HP為0，20，40，60和80 mm，對應實際的無頂部圍擋、10，20，30和40 m高的頂部圍擋。采用鋼性模型測壓試驗，模型測點布置如圖2所示。

圖2 模型測點布置示意圖（單位:mm）Fig.2 Arrangement of pressure taps on the model(unit:mm)

沿模型高度共布置10圈測壓點，每圈20個測點，當有頂部圍擋存在時，在頂部圍擋范圍內(nèi)的內(nèi)外兩側(cè)均布置測點，內(nèi)、外表面測點位置相互對應。在建筑頂面布置4排測點，每排測點4個，共16個測點。模型4個立面按照逆時針分別標記為W，N，E和S，如圖2（d）所示。來流風向與W面垂直時為0°風向，風向角φ沿著逆時針方向從0°增大到90°，間隔為5°。

1.3 參數(shù)定義

風壓系數(shù)定義為

其中：Cpi（t）為測點i處t時刻的風壓系數(shù)；Pi（t）為測點i處t時刻測點的表面風壓；P0與Pr為參考高度（建筑頂部高度）處皮托管測得的靜壓和參考風壓；ρ為空氣密度；Ur為參考風速，此處取建筑物頂部高度處的來流風速。

采用Cpmean和Cprms表示風壓系數(shù)的平均值和標準差，稱為平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)。風荷載體型系數(shù)定義為

15) pyamid ['p?r?m?d] n.金字塔16) casino [k?'si:n??] n.賭場；俱樂部

其中：Zi為測點所在高度；H為建筑物高度，此處取300 m；α的數(shù)值由風場類型決定，此處取0.15。

凈體型系數(shù)計算公式與極值體型系數(shù)計算公式分別為

其中：Cpsn（t），Cpsu分別為測點i處t時刻的凈體型系數(shù)與極值體型系數(shù)；Pin（t）為測點i處相對應的內(nèi)表面測點在t時刻的表面風壓；Cpsmean與Cpsrms分別為體型系數(shù)的平均值與標準差；g為峰值因子，此處取3.5。

2 頂部圍擋對建筑局部風壓影響

由于筆者研究的頂部圍擋最高為40 m，因此本節(jié)主要討論頂部50 m范圍內(nèi)局部風壓的分布以及受頂部圍擋的影響規(guī)律。本節(jié)選取φ=0°以及φ=45°兩種典型工況，分析局部風壓的分布規(guī)律。

2.1 頂部圍擋對外表面風壓的影響

圖3為0°和45°風向角下，建筑外表面250～300 m高度范圍內(nèi)的局部風壓系數(shù)分布圖，從左向右分別為W，N，E和S面。

圖3 典型風向角下建筑外表面局部風壓系數(shù)分布Fig.3 Local wind pressure coefficient distribution on the outer faces of the building under typical wind angle of attack

由圖3（a）可見，在0°風向角的情況下，建筑迎風面（W面）的正壓、背風面（E面）的負壓基本不受頂部圍擋高度的影響。而在建筑的側(cè)面（N，S面），頂部圍擋高度的變化對其風壓分布產(chǎn)生了一定的影響，這主要是由于頂部圍擋對頂部分離狀態(tài)的影響所致。具體來說，在不同頂部圍擋高度下，建筑側(cè)面邊緣位置均出現(xiàn)了負壓峰值。其中，圍擋高度為20和30 m時的負壓峰值略低于其他情況，這是由于頂部圍擋高度的變化減弱了該位置處因氣流分離而產(chǎn)生的漩渦脫落強度所致。圖3（b）表明，45°風向角時，頂部圍擋高度的變化建筑外表面的風壓分布也幾乎無影響，只是E和S面的負壓峰值在圍擋高度為10和40 m時略有減小。

可見，頂部圍擋高度的變化對建筑物外表面的整體風壓基本沒有影響，僅稍微影響了負壓峰值大小。

2.2 頂部圍擋對內(nèi)表面風壓的影響

上面分析表明，頂部圍擋的出現(xiàn)改變了建筑頂部的氣流流動狀態(tài)，對外表面風壓產(chǎn)生了一定影響，同時也將會對建筑物頂面及圍擋內(nèi)表面風壓產(chǎn)生影響。圖4為0°和45°風向角下建筑物頂面及圍擋內(nèi)表面的風壓系數(shù)分布，圖中左、右側(cè)分別為0°和45°風向角結(jié)果。

對于建筑頂面來說，當無頂部圍擋時（圖4（a）），建筑頂部由于處于流動分離區(qū)而表現(xiàn)為負風壓，在0°和45°風向角時分別受流動分離產(chǎn)生的柱狀渦、三角翼渦的影響，在建筑頂部迎風前緣分別形成了條帶形、對稱三角形的負壓峰值區(qū)。當存在頂部圍擋時（圖4（b，c，d，e）），建筑頂部因圍擋的存在改變了其周圍流場而使得風壓分布發(fā)生了顯著變化，具體表現(xiàn)如下。

圖4 典型風向角下建筑頂部及圍擋內(nèi)表面風壓系數(shù)分布Fig.4 Wind pressure coefficient distribution on the top surface of the building and the inner surface of the parapet under typical wind angle of attack

1）0°風向角情況下，建筑頂部的負壓峰值移動至頂部中心區(qū)域且呈現(xiàn)橢圓狀分布，負壓峰值均明顯低于無頂部圍擋的情況，說明頂部圍擋的存在使得柱狀渦從頂面的前半部分移動到了中間部分，漩渦強度呈現(xiàn)中間大、兩邊小的趨勢；隨著圍擋高度的增加，建筑頂部風壓分布漸趨均勻，說明隨著頂部圍擋高度的增加，氣流在建筑物頂面的流動對頂面風壓的影響逐漸減小。

2）45°風向角情況下，負壓峰值也明顯低于無頂部圍擋的情況，同時W和N面附近的三角負壓峰值區(qū)域基本消失，這是由于頂部圍擋的存在導致三角翼分離渦基本消失；此外，建筑頂面的負壓沿流向?qū)蔷€逐漸降低，在下游角落部位甚至出現(xiàn)了一小塊正壓區(qū)域。

對于頂部圍擋內(nèi)表面來說，在0°和45°風向角下，內(nèi)表面均為負壓，0°風向角時負壓值相對較大但壓力梯度相對較小，而45°風向角時負壓值相對較小但壓力梯度相對較大；隨著圍擋高度的增加，兩個風向角下的負壓值的變化均不甚明顯。

總體而言，有、無頂部圍擋對建筑頂面的風壓影響較大，有頂部圍擋的情況會降低負壓峰值并改變壓力分布的規(guī)律；頂部圍擋高度的增加會縮小頂面風壓的變化范圍，使頂面風壓更為均勻。頂部圍擋內(nèi)表面風壓受圍擋高度的影響相對較小。

3 局部風荷載取值建議

上述研究表明，頂部圍擋對整體風荷載沒有影響，但對外表面局部（250～300 m）、頂部以及頂部圍擋內(nèi)表面有著一定的影響。結(jié)構(gòu)抗風中，通常假設結(jié)構(gòu)表面風壓服從高斯分布，并據(jù)此得到結(jié)構(gòu)設計時的極值體型系數(shù)，但實際并非所有區(qū)域的風壓都服從高斯分布。因此，在進行極值體型系數(shù)的計算時，需要將高斯風壓與非高斯風壓進行區(qū)分處理。

3.1 非高斯風壓與高斯風壓的區(qū)分標準

風壓脈動的非高斯特性，可采用風壓時程的3階矩（偏度S）和4階矩（峰度K）表征，其計算公式為

其中：j為風壓時程的采樣點數(shù)，此處取9 900。

考慮到風場的隨機特性以及測量中存在的誤差，將|S|＞0.5且|K|＞3.5作為風壓非高斯分布的標準，并參照該標準，繪制了0°風向角下不同頂部圍擋高度下建筑外表面、頂面與圍擋內(nèi)表面的高斯區(qū)與非高斯區(qū)，如圖5和圖6所示，圖中陰影部分為非高斯區(qū)。由圖可見，頂部圍擋高度對建筑外表面、頂面以及圍擋內(nèi)表面的非高斯區(qū)風壓分布區(qū)域均有較顯著的影響，若不考慮該影響，將影響圍護結(jié)構(gòu)極值風壓的估計。

圖5 外表面非高斯風壓分布區(qū)域Fig.5 Sketches of the non-Gaussian wind pressure distribution zone on the outer face

圖6 頂面及內(nèi)表面非高斯風壓分布區(qū)域Fig.6 Sketches of the non-Gaussian wind pressure distribution zone on the top and inner faces

3.2 局部體型系數(shù)取值建議

對于非高斯區(qū)域的體型系數(shù)的極值，筆者使用極值分布理論對其進行計算［18］。給出了不同頂部圍擋高度下圍擋內(nèi)表面、高層建筑頂面和外表面局部區(qū)域（250～300 m）的風荷載體型系數(shù)，以及頂部圍擋的凈體型系數(shù)取值建議，分別如表1～3所示。其中：表1為建筑頂面可能取得的平均與極值體型系數(shù)的最大負值；表2為建筑外表面局部區(qū)域可能取得的最大正值體型系數(shù)與最大負值體型系數(shù)；表3為頂部圍擋的凈體型系數(shù)可能取得的最大正值與負值。

表1 高層建筑頂面體型系數(shù)取值建議Tab.1 The suggested value of shape coefficient of the top surface

表2 建筑外表面局部體型系數(shù)取值建議Tab.2 The suggested value of shape coefficient of the outer surface

表3 頂部圍擋凈體型系數(shù)取值建議Tab.3 The suggested value of net shape coefficient of parapet

4 結(jié)論

1）對于圍擋附近的局部風壓來說，圍擋高度的變化對建筑外表面局部風壓并無明顯的影響，僅在某些情況下對側(cè)風面的負壓峰值有一定影響。

2）對于建筑頂面和圍擋內(nèi)表面而言，頂部圍擋的存在會明顯改變建筑物頂面局部區(qū)域的氣流狀態(tài)，從而降低了建筑頂面的負壓峰值及其表面的壓力分布。頂部圍擋高度的增加會縮小建筑頂面風壓的變化范圍，使頂面風壓更為均勻。圍擋內(nèi)表面風壓受圍擋高度的影響相對較小。

3）通過劃分高斯、非高斯風壓分布區(qū)域，給出了不同圍擋高度下，高層建筑外表面局部區(qū)域和建筑頂面，以及圍擋表面的風荷載體型系數(shù)值，可為該類結(jié)構(gòu)的抗風設計提供參考。