韓 寧， 顧 明

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

建筑結(jié)構(gòu)上的脈動風(fēng)壓譜代表了來流湍流以及流體結(jié)構(gòu)交互作用產(chǎn)生的湍流脈動對建筑表面風(fēng)壓脈動能量的貢獻(xiàn)。已有針對高層建筑脈動風(fēng)壓譜的研究主要集中在單體建筑。文獻(xiàn)[1-4]研究的是低矮和大跨屋蓋表面脈動風(fēng)壓譜和特征湍流間的關(guān)系，并試圖給出屋面典型區(qū)域的脈動風(fēng)壓譜模型。文獻(xiàn)[5-7]則針對單體高層建筑典型測點(diǎn)的脈動風(fēng)壓譜進(jìn)行了研究，指出迎風(fēng)面脈動風(fēng)壓譜能量主要反映了來流湍流脈動特性，而側(cè)風(fēng)面脈動風(fēng)壓譜在由前緣過渡到后緣過程中，由于流體再附作用會導(dǎo)致其高頻段能量顯著增加。葉豐等[8]系統(tǒng)研究了超高層建筑風(fēng)壓的頻域特性，通過對水平向和垂直向典型測點(diǎn)脈動風(fēng)壓譜的分析指出側(cè)風(fēng)面脈動風(fēng)壓能量要大于其他立面且主要集中在漩渦脫落處。然而針對高層建筑風(fēng)壓譜干擾特性的研究較少，kim等[9]研究了受擾建筑典型測點(diǎn)脈動風(fēng)壓功率譜特性，其主要研究的是中軸線處豎向3個(gè)典型測點(diǎn)在不同高度比和風(fēng)向角下的風(fēng)壓譜特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施擾建筑高度較高時(shí)中軸線處的功率譜均向高頻區(qū)域移動。

本文基于大規(guī)模剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對串列布置受擾超高層建筑沿水平向典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜進(jìn)行了細(xì)致的研究，首先給出了單體方形超高層建筑風(fēng)壓譜的特征，然后研究了干擾狀態(tài)下風(fēng)壓譜特性，主要分析了施擾位置和高度比的影響。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-2風(fēng)洞進(jìn)行。TJ-2風(fēng)洞為閉口回流式矩形接口風(fēng)洞，試驗(yàn)段寬3 m、高2.5 m、長15 m。采用被動模擬方法在TJ-2風(fēng)洞模擬了我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001)[10]中的C類風(fēng)場(風(fēng)速剖面指數(shù)α=0.22)，幾何縮尺比為1∶400。試驗(yàn)采用日本建筑荷載規(guī)范(AIJ2004)[11]建議的紊流度公式。詳細(xì)的平均風(fēng)速剖面和紊流度剖面的模擬結(jié)果與理論值的比較見文獻(xiàn)[12]。

圖1 串列布置模型示意圖

圖2 施擾建筑模型示意圖

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?00 mm×150 mm×150 mm的方柱，幾何縮尺比為1∶400。在模型上共計(jì)布置496個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)立面上均有124個(gè)測點(diǎn)，4個(gè)面測點(diǎn)布局相同，均在模型的最上部和棱邊處布置較密的測點(diǎn),具體的測點(diǎn)布置圖見文獻(xiàn)[12]?？紤]施擾模型位置變化的影響時(shí)，串列布置選取6個(gè)典型位置，并列布置選取4個(gè)典型位置，斜列布置選取6個(gè)典型位置。詳細(xì)的施擾位置見文獻(xiàn)[13]。本文僅分析串列布置時(shí)受擾建筑風(fēng)壓譜特性，如圖1所示。考慮施擾模型高度變化的影響時(shí)，施擾模型橫截面均為150 mm×150 mm，高度分別為測試模型高度的0.7，1.0和1.3倍(即高度比ηh取0.7，1.0和1.3)。

2 單體典型測點(diǎn)脈動風(fēng)壓系數(shù)自功率譜特性

通過已有研究[14]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩建筑串列布置時(shí)，受擾建筑迎風(fēng)和側(cè)風(fēng)面測點(diǎn)的干擾效應(yīng)顯著，所以在對功率譜分析時(shí)，本文僅選取迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面上的典型測點(diǎn)進(jìn)行研究。圖3是單體建筑風(fēng)壓譜特性分析時(shí)選取的典型測點(diǎn)示意圖。圖中符號含義定義如下，以“N11-3”為例，其中N代表立面名稱，11代表測點(diǎn)所在的層序號，3代表該層測點(diǎn)編號。這里測點(diǎn)11層對應(yīng)于接近(2/3) H高度。

圖3 單體分析時(shí)選用的典型測點(diǎn)示意圖

測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)由下式給出：

Cpi(t)=(Pi(t)-P∞)/(P0-P∞)

(1)

式中，Pi(t)為模型上第i測點(diǎn)處的表面風(fēng)壓值，P0和P∞則分別為參考點(diǎn)處的平均總壓和平均靜壓。參考點(diǎn)高度取為屋頂高度。圖4給出的是根據(jù)式(1)計(jì)算得到的單體建筑立面上的典型測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程。

圖4 典型測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線

圖5 單體建筑典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線

圖5中給出了0°風(fēng)向角下單體方形建筑同一高度處迎風(fēng)N面和側(cè)風(fēng)W面10個(gè)典型測點(diǎn)的風(fēng)壓譜曲線。由圖5(a)可見迎風(fēng)N面測點(diǎn)風(fēng)壓譜形狀隨位置發(fā)生變化且主要分為兩類：第一是靠近棱邊處測點(diǎn)的譜曲線在折算頻率0.09～0.1附近出現(xiàn)尖銳譜峰，這表明棱邊處流體發(fā)生分離并且產(chǎn)生漩渦脫落。第二是中部測點(diǎn)的譜曲線均為寬頻分布，沒有尖銳譜峰出現(xiàn)，但低頻段能量要遠(yuǎn)大于棱邊附近測點(diǎn)風(fēng)壓譜在低頻段的能量，說明迎風(fēng)N面中間區(qū)域主要受來流湍流控制。在高頻段迎風(fēng)N面中軸線測點(diǎn)的譜值略小于棱邊附近測點(diǎn)譜值，這或許是由于棱邊區(qū)域受流體分離影響相比中軸線處要大的原因[2]。在圖5(b)中，沿水平方向側(cè)風(fēng)W面由于受到來流分離、漩渦脫落和瞬態(tài)再附的影響，測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線均在折算頻率為0.09～0.1附近出現(xiàn)尖銳譜峰，但中軸線前緣譜峰幅值顯著大于后緣且譜峰對應(yīng)的折算頻率略有增加。側(cè)風(fēng)W面譜曲線的另一個(gè)顯著特征是：在由前緣向后緣移動中，譜曲線高頻段衰減斜率增大且高頻段能量顯著增大，這可能是前緣分離流在后緣發(fā)生瞬態(tài)再附所致[5-7]。

3 受擾建筑典型測點(diǎn)脈動風(fēng)壓系數(shù)自功率譜特性

根據(jù)前文中對單體建筑迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面上測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線特征的分析，這里選取更為典型的測點(diǎn)來分析干擾狀態(tài)下的譜曲線特征。詳細(xì)的測點(diǎn)選擇如圖6所示。

圖6 受擾分析時(shí)選用的典型測點(diǎn)示意圖

3.1 串列布置條件下間距比的影響

圖7 串列布置迎風(fēng)N面典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線

圖7是0°風(fēng)向角下串列布置時(shí)受擾建筑迎風(fēng)N面上典型測點(diǎn)脈動風(fēng)壓譜曲線。圖中括號內(nèi)數(shù)字代表串列布置時(shí)的相對位置，為了分析方便用符號Sx代表[13]。由圖可以看出，除Sx=2.0外，棱邊處測點(diǎn)的譜值均大于中軸線處測點(diǎn)譜值。在圖7(a)中，任意間距比Sx下中軸線測點(diǎn)3的譜曲線和單體建筑相比均顯著向高頻區(qū)域移動，高頻段能量顯著增加而低頻段能量顯著減小，這表明串列布置下干擾效應(yīng)在迎風(fēng)N面中軸線處產(chǎn)生的小尺度漩渦增多，減小了來流湍流脈動產(chǎn)生的大尺度漩渦。隨間距比Sx增大，干擾效應(yīng)減弱，譜曲線逐漸向單體狀態(tài)時(shí)靠近。特殊的是，在Sx≤3.0時(shí)，測點(diǎn)3的譜曲線出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，但譜值要小于側(cè)風(fēng)面漩渦脫落引起的譜值，間接說明間距比較小時(shí)，兩建筑間形成了回旋渦。在圖7(b)中，迎風(fēng)N面近棱邊測點(diǎn)5的譜曲線形狀相比單體建筑變化不大，任意間距比Sx下譜曲線均在折算頻率0.07～0.1出現(xiàn)尖銳譜峰，但當(dāng)Sx=2.0時(shí)，譜曲線僅出現(xiàn)弱譜峰，譜峰幅值相比單體顯著減小且峰值頻率由0.1右移到折算頻率0.12附近，頻率變得更豐富。和中軸線測點(diǎn)3相比，棱邊測點(diǎn)5的高頻段能量相比單體建筑增加程度較小，但Sx=2.0處卻顯著增大；其低頻段能量相比單體均有減小，但Sx=2.0處減小程度最小。這說明，當(dāng)間距比較小時(shí)，受擾建筑迎風(fēng)面會處于上游施擾建筑后形成的分離剪切層當(dāng)中，此時(shí)受擾建筑迎風(fēng)面棱邊附近的流體分離減弱，高頻段能量增大。

圖8 串列布置側(cè)風(fēng)W面典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線

圖8是0°風(fēng)向角下串列布置時(shí)受擾建筑側(cè)風(fēng)W面上典型測點(diǎn)脈動風(fēng)壓譜曲線。由圖可以看出，除Sx=2.0外，前緣棱邊測點(diǎn)能量均大于后緣棱邊測點(diǎn)。在圖8(a)中，和單體建筑相比，譜曲線形狀變化不大，任意間距比Sx下前緣棱邊測點(diǎn)1的譜曲線均出現(xiàn)尖銳譜峰，但譜峰值相比單體建筑減小，說明施擾建筑存在時(shí)，該處漩渦脫落強(qiáng)度減弱，尤其是在Sx=2.0處，譜曲線的譜峰寬而平坦，峰值頻率無法確定，說明間距比較小時(shí)，上游施擾建筑分離流產(chǎn)生的剪切層抑制了該點(diǎn)的漩渦脫落，導(dǎo)致譜峰消失而高頻段能量顯著增大。施擾建筑存在時(shí)，測點(diǎn)高頻段能量均顯著大于單體建筑且間距比Sx的影響不大；而低頻段能量均略小于單體建筑且(3,0)處減小程度最大。據(jù)此可以推斷，上游施擾建筑會在受擾建筑側(cè)風(fēng)面前緣區(qū)域發(fā)生再附，所以其小尺度漩渦數(shù)量相比單體建筑顯著增加。由圖8(b)可以看出，W立面后緣棱邊測點(diǎn)5的譜曲線形狀相對單體沒有顯著變化，僅在中頻段存在弱譜峰，但峰值頻率向高頻區(qū)域移動，由單體建筑的0.1右移到0.12～0.2之間，也即施擾建筑存在時(shí)后緣處主導(dǎo)漩渦的尺度減小。但和單體建筑相比，高頻段能量均略有減小且間距比Sx的影響不大；低頻段能量除Sx=2.0外均大于單體建筑，說明施擾建筑存在時(shí)，再附區(qū)域向側(cè)風(fēng)面的前緣移動，而漩渦逐漸形成也即后緣區(qū)域小尺度漩渦相比單體減少，大尺度漩渦相比單體略有增多。

3.2 串列布置條件下高度比的影響

圖9 典型串列位置處不同高度比迎風(fēng)N面典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線

圖9是0°風(fēng)向角下典型串列位置(2,0)處受擾建筑迎風(fēng)N面典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線隨高度比變化的示意圖。由圖9(a)可以看出，中軸線測點(diǎn)3的譜曲線在ηh≥1.0時(shí)的功率譜曲線形狀類似，和單體建筑相比，其整體向高頻區(qū)域顯著移動[9]；但ηh=0.7時(shí)該高度處測點(diǎn)3的功率譜曲線和單體建筑接近，僅在高頻段譜值增大且沒有出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，說明該串列布置間距比下回旋流對高度處的測點(diǎn)影響較小。兩建筑高度越接近時(shí)，引起的特征湍流越大，而來流湍流影響越小，所以高頻段能量在ηh=1.0取得最大值。在圖9(b)中，和ηh=0.7時(shí)N立面近棱邊測點(diǎn)5的譜曲線形狀相比ηh≥1.0時(shí)的譜曲線整體向高頻區(qū)域移動且ηh=1.0時(shí)的譜值略大，也即兩建筑等高時(shí)對迎風(fēng)2/3高度處棱邊測點(diǎn)的流場影響顯著。

圖10 典型串列位置處不同高度比側(cè)風(fēng)W面典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線

圖10是0°風(fēng)向角下典型串列位置(2,0)處受擾建筑側(cè)風(fēng)W面典型測點(diǎn)風(fēng)壓譜曲線隨高度比變化的示意圖。由圖10(a)可以看出，前緣棱邊測點(diǎn)1的譜曲線在任意高度比ηh下均出現(xiàn)譜峰，但譜峰幅值相比單體建筑減小且ηh=1.0時(shí)的譜峰幅值最小。當(dāng)間距比Sx較小時(shí)，兩建筑等高會導(dǎo)致側(cè)風(fēng)W面2/3高度處漩渦脫落程度減弱最多。但此時(shí)高頻段能量在ηh=1.0時(shí)最大，或許是由于上游施擾建筑分離剪切層中夾帶的小尺度漩渦較多。在圖10(b)中，W立面后緣測點(diǎn)5的譜曲線形狀在ηh≥1.0時(shí)接近且譜峰值隨高度比增大而增大；但ηh=0.7時(shí)的譜曲線譜峰消失，能量分布在較寬的頻帶上且頻率豐富，低頻段能量顯著大于ηh≥1.0時(shí)的對應(yīng)低頻段能量。由此說明該高度處的再附區(qū)域在高度比ηh=0.7時(shí)受到的影響最顯著。

4 結(jié) 論

基于剛性模型風(fēng)洞測壓試驗(yàn)，對0°風(fēng)向角下方形受擾高層建筑迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面上典型測點(diǎn)的脈動風(fēng)壓譜特性進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

(1) 單體方形高層建筑在迎風(fēng)面中軸線區(qū)域的風(fēng)壓譜曲線均為寬頻分布而在棱邊區(qū)域則出現(xiàn)尖銳譜峰，說明迎風(fēng)面中間區(qū)域主要受來流湍流控制而棱邊處則受流動分離影響顯著。側(cè)風(fēng)面的譜曲線均出現(xiàn)尖銳譜峰且自前緣向后緣過渡時(shí)，由于流體再附，高頻段能量顯著增大。

(2) 受擾建筑和施擾建筑串列布置時(shí)，任意間距比Sx下，靠近前緣棱邊測點(diǎn)的風(fēng)壓譜曲線形狀和單體建筑類似，譜曲線依然存在尖銳譜峰。Sx<3.0時(shí)受擾建筑處于上游施擾建筑形成的剪切層包圍中，譜峰幅值相比單體建筑顯著減小。但在迎風(fēng)面中軸線處，功率譜曲線均向高頻區(qū)域移動，值得注意的是Sx<3.0時(shí)，由于回旋流產(chǎn)生會出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象，而在側(cè)風(fēng)面后緣測點(diǎn)，施擾建筑存在導(dǎo)致再附區(qū)域發(fā)生變化，所以低頻段能量要大于單體建筑而高頻段則相對減小。

(3) 串列布置間距比較小時(shí)，和ηh=0.7時(shí)相比，迎風(fēng)面測點(diǎn)在2/3高度處的功率譜曲線在ηh≥1.0時(shí)均向高頻區(qū)域移動且ηh=1.0的譜值最大，而ηh=1.3時(shí)在側(cè)風(fēng)面上的譜值最大。

(4) 通過對測點(diǎn)風(fēng)壓功率譜的分析，從頻域角度更清晰得看出圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓在不同干擾因素下的變化規(guī)律，最后得出了有意義的結(jié)論，從而對幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出定性參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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