豎條對二維方柱風(fēng)壓特性影響研究

為探究豎條對二維方柱風(fēng)壓特性的影響，本試驗(yàn)設(shè)置了參考模型以及豎條布置位置改變共三種模型，通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，對比分析了在均勻紊流場情況下，有無豎條以及豎條位置發(fā)生改變時，二維方柱平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓的差異；各工況下氣動力差異。研究表明：當(dāng)豎條靠近迎風(fēng)拐角布置時，迎風(fēng)邊緣出現(xiàn)較大的風(fēng)致吸力。模型表面布置豎條均能有效降低側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面風(fēng)壓值。當(dāng)豎條位置靠近模型內(nèi)側(cè)布置時，平均阻力系數(shù)降幅達(dá)為35.2%。因此，通過合理布置豎條能夠有效降低二維方柱表面風(fēng)壓以及整體風(fēng)荷載。

二維方柱; 豎條; 風(fēng)洞試驗(yàn); 氣動力系數(shù); 風(fēng)壓分布

TU312+1A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-03-14

［作者簡介］呂偉（1996—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)風(fēng)工程。

0" 引言

為了滿足人們對建筑美學(xué)和功能的需求，高層建筑表面通常設(shè)置陽臺、豎框、裝飾條等各種形式的粗糙條，而這些粗糙條的布置會對建筑表面風(fēng)荷載產(chǎn)生一定的影響。研究人員通過大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)探索了粗糙條的布置對局部風(fēng)壓的影響。

Stathopoulos和Zhu［1］研究了僅一面帶豎框?qū)植匡L(fēng)壓的影響，結(jié)果表明：豎框的存在使得建筑邊緣產(chǎn)生了很高的風(fēng)致吸力；Yuan等［2］發(fā)現(xiàn)，附屬物能有效抑制整個側(cè)面負(fù)極值風(fēng)壓的變化，且與參考模型相比，當(dāng)連續(xù)水平隔板垂直間距比為8%時，其風(fēng)壓脈動值的折減率達(dá)60%；Maruta［3］研究了四面均帶陽臺且陽臺寬度變化對高層建筑表面風(fēng)壓的影響，研究表明隨粗糙度增加，抑制了漩渦脫落。與此同時，側(cè)壁前緣附近局部峰值壓力也顯著降低。劉子荷等［4］通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同豎向外伸肋板布置方式對高層建筑氣動力的影響，發(fā)現(xiàn)豎向肋板可以有效降低基底彎矩系數(shù)的極值，其中順風(fēng)向和橫風(fēng)向的基底彎矩系數(shù)極值最大降幅分別為28.64% 和 39.02%。黃冬梅等［5］發(fā)現(xiàn)利用砂紙增大建筑立面整體粗糙度，使得建筑物各層平均阻力、脈動阻力、脈動升力系數(shù)有所減?。p小幅度在25%以內(nèi)）。

上述研究表明：建筑物表面設(shè)置附屬物對高層建筑整體或者局部風(fēng)荷載有所影響，但是定量研究豎條安裝位置的改變對二維方柱風(fēng)壓分布影響相對較少。通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了豎條安裝位置改變對二維方柱表面風(fēng)壓的影響，對比分析了在均勻紊流場下，豎條位置改變情況下二維方柱平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓的差異以及氣動力差異。研究成果為豎條在高層建筑抗風(fēng)中的布置位置提供參考。

1" 試驗(yàn)參數(shù)

1.1" 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图把b備

本研究的風(fēng)洞試驗(yàn)安排在XNJD-2號風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)斷面尺寸為1.3 m×1.5 m，計算得到阻塞率為4.62%，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求。測壓模型為90 mm×90 mm的方形斷面，模型長度為1 m，在模型中部210 mm范圍內(nèi)布置測點(diǎn)，采用的豎條間距分別設(shè)置為70 mm，50 mm，30 mm，60 mm的A、B、C、D、E 5個條帶，其中條帶C位于模型中間，每個條帶共布置28個測點(diǎn)，且測點(diǎn)分布情況相同見圖1（a）來流風(fēng)速設(shè)置為U=10 m/s，風(fēng)向角設(shè)置為0°，如圖1（b）所示。模型由加厚的有機(jī)玻璃制成，在模型內(nèi)部設(shè)置加勁肋來保證模型的整體穩(wěn)定性。為了模擬無限跨度條件并防止端部效應(yīng)，在模型的兩端安裝了20 cm×20 cm的方形端板。將模型水平安裝在工作段中。豎條采用亞克力板，豎條厚度均為2 mm，本試驗(yàn)采用不同寬度豎條且豎條沿展向通體布置。本試驗(yàn)共模擬了三種工況（圖2），其中試驗(yàn)?zāi)Ｐ虯1如圖3所示，測壓模型具體設(shè)置情況詳見表1。

測壓系統(tǒng)采用DSM-4000 電子掃描閥，每個掃描閥有64個通道，精度為全量程的±0.08%。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，將最大數(shù)量的壓力掃描儀連接到同一個Scanivalve DSM4000數(shù)字服務(wù)模塊，以實(shí)現(xiàn)不同條帶上測點(diǎn)壓力的同步采集。所有測壓閥置于模型內(nèi)部，采樣頻率為 256 Hz，采樣時間為 90 s。數(shù)據(jù)長度 23 040。塑料導(dǎo)管過長對采樣信號影響較大，為避免壓力信號失真，確保測壓管的長度在 15 cm 以內(nèi)。

1.2" 格柵紊流場參數(shù)

為了避免試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮斐傻母蓴_，在壓力測量之前，在空風(fēng)洞中的模型前緣位置測量了流場特性。使用TFI Cobra探頭進(jìn)行流場測量，采樣頻率為256 Hz，采樣時間為90 s，以獲得均勻紊流場，表2為本次試驗(yàn)的紊流場參數(shù)。為了確保格柵湍流能充分發(fā)展到近似均勻和各向同性狀態(tài)，測試模型水平安裝在格柵下游約4.5m的鋼支架上，如圖4所示。

紊流脈動功率譜反映了紊流動能在不同尺度漩渦中的分布情況，由圖5（a）可知（k1Su（k1）/σu2為順風(fēng)向歸一化的脈動風(fēng)壓功率譜，k1為波數(shù)，Su（k1）為順風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜，σu2為順風(fēng)向脈動風(fēng)速均方根）試驗(yàn)中的格柵紊流基本符合von Karman 譜。為驗(yàn)證試驗(yàn)測壓區(qū)格柵紊流場均勻性，在模型中心高度處沿展向?qū)Σ煌瑴y點(diǎn)紊流強(qiáng)度（Iu、Iw分別為縱向、豎向的紊流強(qiáng)度）進(jìn)行比較。由圖5（b）可知，同一高度，沿展向不同測點(diǎn)紊流強(qiáng)度十分接近，且在模型試驗(yàn)測壓區(qū)內(nèi)分布均勻，可認(rèn)為格柵紊流場具有良好的均勻性。

2" 風(fēng)壓系數(shù)

Cp=Pi－P

SymboleB@ 0.5U2

式中：Pi為模型表面第i個測點(diǎn)風(fēng)壓值；P∞為來流靜壓值；

SymbolrA@ 為空氣密度；U為來流風(fēng)速。

由于均勻格柵紊流作用下，每個條帶風(fēng)壓分布情況相同，故將五個條帶風(fēng)壓值求和再取平均作為分析結(jié)果。針對0°風(fēng)向角這一典型風(fēng)向角下各模型風(fēng)壓系數(shù)展開對比分析。

2.1" 豎條位置改變對平均風(fēng)壓分布的影響

以參考模型S、模型A1、模型B1為研究對象，此時豎條外伸寬度均為d=10%D，比較豎條位置改變對平均風(fēng)壓分布影響，結(jié)合圖6，平均風(fēng)壓分布如圖7所示。

工程結(jié)構(gòu)呂偉： 豎條對二維方柱風(fēng)壓特性影響研究

（1）迎風(fēng)面：來流在各模型迎風(fēng)面中點(diǎn)處停滯，然后往四周分流，當(dāng)氣流經(jīng)過豎條時，在豎條上發(fā)生局部分離，從而使得模型A1的風(fēng)壓值急劇降低，在6號測點(diǎn)表現(xiàn)為負(fù)壓值，其值為-0.36；而迎風(fēng)邊緣7號測點(diǎn)表現(xiàn)為正壓值。而當(dāng)豎條位置靠近迎風(fēng)邊緣時，即模型B1，由于豎條改變了迎風(fēng)邊緣氣流漩渦脫落，使得7號測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)急劇下降，迎風(fēng)邊緣出現(xiàn)很大的負(fù)壓值，其值為-1.05。這與Stathopoulos和Zhu［1］的結(jié)論一致，即當(dāng)最外側(cè)豎框靠近迎風(fēng)邊緣時，使得建筑邊緣產(chǎn)生了很高的風(fēng)致吸力。

（2）側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面：總體上，參考模型S在側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面負(fù)壓絕對值均大于模型A1、B1。豎條位置改變使得側(cè)風(fēng)面氣流分離位置發(fā)生改變。模型A1 在側(cè)風(fēng)面氣流分離點(diǎn)8號測點(diǎn)處產(chǎn)生很大的負(fù)壓值，而模型B1在此處負(fù)壓值較小，對于負(fù)壓值而言： A1＞S＞B1。對于模型A1，由于氣流在靠近迎風(fēng)前緣的豎條上發(fā)生分離，使得9號測點(diǎn)負(fù)壓值進(jìn)一步增大，此時負(fù)壓值達(dá)最大，其值為-1.61。而且可以發(fā)現(xiàn)，參考模型S側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓變化較小，側(cè)風(fēng)面前后緣風(fēng)壓相差不大，模型表面安裝豎條使得側(cè)風(fēng)面前后緣風(fēng)壓差距變大。其中，模型A1側(cè)風(fēng)面前后緣風(fēng)壓變化較為明顯，差距較大。模型A1在迎風(fēng)前緣平均風(fēng)壓達(dá)最大，其值為-1.61，平均風(fēng)壓沿側(cè)風(fēng)面呈現(xiàn)梯度式減小，在后緣達(dá)最小，其值為-0.71。模型A1最小最大平均負(fù)壓系數(shù)差值為0.90；而模型S和B1，其差值分別為0.08和0.34。最小最大平均負(fù)壓系數(shù)差值： A1＞B1＞S，由此，安裝豎條使得模型負(fù)壓分布不均勻性變大，其中A1的負(fù)壓分布的不均勻程度最大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是模型表面所布置的豎條對高層建筑橫向擾流的局部阻礙作用［6］。模型B1側(cè)風(fēng)面負(fù)壓平均值較參考模型S降幅最大，最大降幅為19.1%。而模型A1降幅很小，僅為1.9%。

2.2" 豎條位置改變對脈動風(fēng)壓分布的影響

以參考模型S、模型A1、模型B1為研究對象，此時豎條外伸寬度均為d=10%D，比較豎條位置改變對脈動風(fēng)壓分布影響，如圖8所示。

總的來看， 參考模型S側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面脈動風(fēng)壓值都比模型A1、B1大，說明豎條的布置能明顯降低側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面脈動風(fēng)壓值，從而抑制側(cè)風(fēng)面氣流分離。

（1）迎風(fēng)面： 當(dāng)測點(diǎn)位于兩豎條之間區(qū)域時，脈動風(fēng)壓分布與參考模型S基本一致。當(dāng)測點(diǎn)位于豎條附近時，即模型A1的6號測點(diǎn)和模型B1的7號測點(diǎn)，風(fēng)壓脈動值突然增大，其值分別為0.31和0.33。與平均風(fēng)壓在出現(xiàn)的負(fù)值原因相同，主要由氣流在豎條上發(fā)生局部分離從而引起較大的氣流紊亂。

（2）側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面：可以觀察到，模型A1在側(cè)風(fēng)面9號、12號測點(diǎn)出現(xiàn)脈動風(fēng)壓峰值，模型B1在側(cè)風(fēng)面8號測點(diǎn)脈動值達(dá)最大，其值為0.44。這說明對于模型A1，氣流在側(cè)風(fēng)面前后緣豎條上均產(chǎn)生了局部分離現(xiàn)象；而對于模型B1，氣流僅在前緣側(cè)面后緣豎條上發(fā)生局部分離。

模型A1、B1側(cè)風(fēng)面脈動風(fēng)壓平均值較參考模型S降幅均超過40%。豎條的布置可以明顯降低背風(fēng)面脈動風(fēng)壓值，而豎條安裝位置的改變對背風(fēng)面脈動風(fēng)壓影響較小，其中A1模型背風(fēng)面脈動風(fēng)壓平均值最小，其值為0.09左右，相比參考模型S整體降幅最大，其值為53.6%。

3" 研究模型表面氣動力系數(shù)

在風(fēng)壓系數(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過對比平均阻力系數(shù)、脈動升力系數(shù)的大小變化來分析豎條位置的改變對建筑氣動力特性的影響。阻力系數(shù)、升力系數(shù)按時程表達(dá)式為式（1）、式（2）：

Cd=∑28i=1Pidisin（αi）0.5U2D（1）

Cl=∑28i=1PiLicos（αi）0.5U2D（2）

Pi為模型表面第 i 個測點(diǎn)風(fēng)壓值;Li為第 i 個測點(diǎn)所對應(yīng)的計算長度；αi 表示各測點(diǎn)所在邊與水平線夾角； D表示模型斷面寬度；

SymbolrA@ 為空氣密度;U為來流風(fēng)速。

為研究豎條對各模型氣動力的影響，通過降幅R=C_S－C_MC_S×100%作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

其中C_M表示不同模型方柱的氣動力，C_S表示參考模型S的氣動力。

如表3所示，顯示了各模型平均阻力系數(shù)、脈動升力系數(shù)。結(jié)果表明：相比于參考模型S，模型表面布置豎條都可以降低二維方柱氣動力。兩種模型平均阻力系數(shù)降幅均超過20%，脈動升力系數(shù)降幅均超過46%；同時，值得注意的是，模型A1的平均阻力系數(shù)降幅較大，為35.2%。因此當(dāng)豎條靠近模型內(nèi)側(cè)布置時，更有利于降低二維方柱表面風(fēng)荷載。

4" 結(jié)論

通過研究均勻紊流情況下，豎條布置位置的改變對二維方柱局部風(fēng)壓和氣動力影響，對比分析了有無豎條以及豎條位置改變情況下，二維方柱平均風(fēng)壓、脈動風(fēng)壓的差異，并且在此基礎(chǔ)上研究了三種工況下氣動力系數(shù)的差異。得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）豎條的布置對于靠近迎風(fēng)邊緣測點(diǎn)風(fēng)壓影響較大，其中當(dāng)豎條位置靠近迎風(fēng)拐角時（即模型B1），迎風(fēng)邊緣出現(xiàn) 較大的風(fēng)致吸力。豎條的布置均能有效降低側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面風(fēng)壓值。模型A1、B1側(cè)風(fēng)面脈動風(fēng)壓平均值較參考模型S降幅均超過40%。

（2）相比于參考模型S，模型表面布置豎條都可以降低二維方柱氣動力。其中模型A1的平均阻力系數(shù)降幅較大，為35.2%。因此當(dāng)豎條位置靠近模型內(nèi)側(cè)時，更有利于降低二維方柱表面風(fēng)荷載。

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