鄒　鑫，汪之松，李正良

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶　400045；2.重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶　400045)

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穩(wěn)態(tài)沖擊風作用下高層建筑風荷載特性試驗研究*1

鄒鑫1?，汪之松1,2，李正良1,2

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶400045；2.重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045)

摘要：雷暴沖擊風風場與大氣邊界層風場差異較大.為研究雷暴沖擊風作用下高層建筑風荷載特性，采用靜止型沖擊射流裝置模擬穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風風場，進行高層建筑剛性模型測壓試驗，討論了不同徑向位置處高層建筑局部和整體風荷載時域和頻域特性.結(jié)果表明：建筑表面平均風壓最大值出現(xiàn)的位置與徑向風速峰值一致.同時，迎風面風壓最大值出現(xiàn)在底部，明顯不同于大氣邊界層風場中最大值靠近頂部位置的風壓分布特性；徑向?qū)语L荷載均值最大值出現(xiàn)在建筑中部，橫風向和扭轉(zhuǎn)向?qū)语L荷載均值為0.徑向和橫風向?qū)语L荷載譜沿高度不變，而扭轉(zhuǎn)向?qū)语L荷載譜沿高度變化明顯.

關(guān)鍵詞：沖擊射流模型；高層建筑；剛性模型；風荷載特性；雷暴沖擊風

目前結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計一般依照大氣邊界層風場進行，對建筑結(jié)構(gòu)風荷載特性的研究也主要集中在邊界層風場作用下[1-2].然而根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料[3]，一個地區(qū)的極值風速往往不是由大氣邊界層風場決定的，而是產(chǎn)生于雷暴沖擊風等極端天氣氣候.因此，對雷暴沖擊風作用下建筑風荷載特性的研究顯得尤為重要.

近幾十年來，國內(nèi)外學者對雷暴沖擊風的研究著重于風場特性方面[4-8]，對建筑結(jié)構(gòu)風荷載特性的研究相對較少.Letchford和Chay[9-10]分別測試了靜止型沖擊射流風場和運動型沖擊射流風場中，小立方體表面壓力分布.陳勇[11-12]對球殼型屋蓋和拱形屋面進行穩(wěn)態(tài)沖擊射流試驗，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對表面風壓分布的影響，并采用k-ε湍流模型進行數(shù)值模擬，結(jié)果與試驗較為吻合.湯卓[13]通過靜止型沖擊射流試驗研究了雙坡屋面在雷暴沖擊風作用下風壓分布特性.以上研究主要以低矮結(jié)構(gòu)為主，而對于高層建筑的風荷載特性研究則相對較少.Sengupta和Sarkar[14]通過沖擊射流試驗研究了立方體高層結(jié)構(gòu)表面風壓情況，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比.趙楊[15]利用主動控制風洞模擬下?lián)舯┝黠L速剖面，并通過剛性模型測壓試驗研究了高層結(jié)構(gòu)空氣動力學參數(shù)變化情況.Kyle和曹曙陽[16]同時進行大氣邊界層風場和雷暴沖擊風風場作用下高層建筑測壓試驗，試驗結(jié)果表明兩種風場作用下高層建筑表面壓力分布特征差異明顯.吉柏鋒、瞿偉廉[17]以CAARC高層建筑標準模型為研究對象，采用數(shù)值模擬的方式模擬了下?lián)舯┝黠L場中高層建筑表面風壓分布情況.

本文采用靜止型沖擊射流裝置模擬雷暴沖擊風風場.進行高層建筑剛性模型測壓試驗，考察了高層建筑風荷載特性.對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，為實際高層建筑雷暴沖擊風抗風設(shè)計提供一定參考.

1試驗概況

1.1沖擊射流裝置

沖擊射流裝置如圖1所示.控制射流直徑Djet=600 mm，射流高度H=1 160 mm，射流速度vjet≈12m/s.

1.2剛性模型及地形參數(shù)

剛性模型幾何縮尺比1∶1 000，模型尺寸0.05 m(b)×0.05 m(d)×0.1 m(h).剛性模型四面(A，B，C，D面)及頂面(S面)均勻布置105個測壓孔.模型表面測壓孔布置如圖2所示.

圖1　沖擊射流試驗裝置

圖2　剛性模型表面測壓孔布置

試驗中，分別將剛性模型置于r=1Djet,1.25Djet,1.5Djet,1.75Djet,2Djet,2.25Djet,2.5Djet和3Djet徑向位置，r為射流口正下方到剛性模型迎風面之間的水平距離，采集表面壓力.試驗工況示意如圖3所示.電子掃描閥采樣頻率312.5 Hz，采樣時間32 s.

圖3　試驗工況示意圖

2試驗結(jié)果及討論

2.1徑向風速剖面

采用熱線風速儀測試不同徑向位置處徑向風速.圖4給出了試驗測得的不同徑向位置處無量綱風速剖面與國外學者試驗和現(xiàn)場實測結(jié)果的對比.由圖可見，風場測試結(jié)果與國外學者的研究結(jié)論較為吻合.

u/umax

2.2建筑局部風荷載特性

將試驗測得的建筑表面風壓除以射流速度壓力，得到均值和根方差壓力系數(shù)為：

(1)

(2)

其中Pi為測點i風壓值，σi為測點i風壓根方差,ρ為空氣密度.試驗中將皮托管置于射流中心，以準確測得射流速度.圖5給出了試驗測得的射流風速時程，可見射流風速較為穩(wěn)定.

t/s

圖6給出了剛性模型位于不同徑向位置時，沿來流方向中心線上測孔的平均壓力系數(shù).橫坐標0-1代表迎風面，1-2為頂面，2-3代表背風面.總體來說，建筑表面風壓特性與其所處風場位置相關(guān).建筑所處徑向位置越遠，建筑表面壓力系數(shù)絕對值越小.迎風面壓力系數(shù)均為正值，隨著高度的增加，壓力系數(shù)先增大，之后減小.迎風面中線壓力系數(shù)最大值出現(xiàn)在建筑底部，與建筑所處徑向位置風場一致，明顯有別于邊界層風場中典型高層建筑表面風壓最大值靠近頂部位置的分布形式.頂面和背風面均為負壓，頂面壓力系數(shù)絕對值在靠近迎風面一側(cè)較大，隨著位置遠離迎風面，壓力系數(shù)絕對值逐漸減小.背風面壓力系數(shù)絕對值呈現(xiàn)出下部小，上部大的分布特征.

position

建筑在r=1Djet位置處表面風壓最大，圖7給出了建筑位于該位置時，平均和根方差壓力系數(shù)云圖.由圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，迎風面均為正壓，平均壓力系數(shù)底部大，上部小，中間大，兩側(cè)小.最大平均壓力系數(shù)接近1.0，與射流口速度壓力相當.側(cè)風面和背風面均為負壓.側(cè)風面平均壓力系數(shù)絕對值上部大，下部小，靠近迎風面一側(cè)較小，靠近背風面一側(cè)較大.背風面平均壓力系數(shù)分布較為均勻，壓力系數(shù)絕對值呈現(xiàn)上部大，下部小的趨勢.

由圖7(b)可知，迎風面根方差壓力系數(shù)分布規(guī)律與平均壓力系數(shù)分布相似，根方差壓力系數(shù)最大值約為0.15.側(cè)風面根方差壓力系數(shù)在靠近迎風面一側(cè)較小，靠近背風面一側(cè)較大.背風面根方差壓力系數(shù)底部較小，而上部較大.壓力系數(shù)根方差最大值出現(xiàn)在側(cè)風面底部，靠近背風面一側(cè).

實際雷暴沖擊風風場近地面風速遠遠高于大氣邊界層風場，并且計算沖擊射流試驗壓力系數(shù)的參考點與常規(guī)大氣邊界層也不一致，難以在數(shù)值上對兩者進行比較.本文對兩種風場中平均和根方差壓力系數(shù)分布情況進行對比.圖8為文獻[21]給出的大氣邊界層風場中高層建筑表面壓力系數(shù)分布.對于平均風壓系數(shù)，雷暴沖擊風作用下迎風面風壓下部大，上部小，其分布形式與大氣邊界層風場正好相反.側(cè)風面負壓絕對值在靠近迎風面一側(cè)較小，靠近背風面一側(cè)較大，也與大氣邊界層風場不同.邊界層風場中背風面風壓均值較為均勻，沿高度變化很小，而雷暴沖擊風風場中背風面風壓均值沿高度變化明顯.

圖7　平均和根方差壓力系數(shù)云圖(r=1Djet)

兩種風場作用下，根方差壓力系數(shù)分布同樣具有明顯差別.雷暴沖擊風風場中，迎風面根方差壓力系數(shù)下部大，而上部小，與邊界層風場相反.邊界層風場中背風面脈動壓力系數(shù)沿高度變化較小，而雷暴沖擊風風場下背風面脈動風壓沿高度變化明顯.

圖8　 高層建筑物表面風壓分布

定義建筑表面兩測點相關(guān)系數(shù)為：

cor=σij/σiσj

(3)

式中：σij為i,j兩測點的風壓協(xié)方差;σi,σj分別為i,j兩測點風壓根方差.圖9給出了建筑各面中心線上測點相對于該面底層測點的脈動風壓相關(guān)系數(shù).總體來講，脈動風壓豎向相關(guān)系數(shù)隨著兩點間距離的增加而減小.迎風面測點相關(guān)系數(shù)在較低的2～4層幾乎完全相關(guān)，而在較高位置處，相關(guān)程度逐漸降低，直至在7,8層位置處出現(xiàn)與底層測點負相關(guān).側(cè)風面測點相關(guān)系數(shù)均為正值，且隨著高度的增加線性遞減.在較低2～4層，相關(guān)性小于迎風面測點，而在較高位置處，側(cè)風面測點脈動風壓相關(guān)性要高于迎風面測點.背風面測點相關(guān)系數(shù)均為正值，并且在底部衰減速度高于迎風面和側(cè)風面，但5～8層測點相關(guān)系數(shù)幾乎不變.

相關(guān)系數(shù)

2.3建筑整體風荷載特性

以建筑中段第5層測點為對象來考察建筑表面風壓水平相關(guān)性.表1給出了第5層各測點相關(guān)系數(shù)，測點編號見圖2所示.由表1可知，同面測點相關(guān)系數(shù)均為正值，側(cè)風面的水平相關(guān)性最高，迎風面次之，背風面最低.迎風面測點與側(cè)風面和背風面測點均為負相關(guān)，且負相關(guān)程度相近.側(cè)風面和背風面各測點壓力相關(guān)系數(shù)均為正，且同面測點壓力相關(guān)性較高，側(cè)風面測點與背風面測點之間壓力相關(guān)性較低.

表1　建筑第5層測點壓力相關(guān)系數(shù)(r=1Djet)

建筑體軸坐標系如圖10所示.為了考察雷暴沖擊風作用下高層建筑整體風荷載特性，定義徑向、橫風向和扭轉(zhuǎn)向無量綱層風荷載系數(shù)如下：

(4)

(5)

圖10　體軸系坐標示意圖

圖11給出了建筑位于不同徑向位置時，各層徑向?qū)幼枇ο禂?shù).建筑處于不同徑向位置時，徑向?qū)幼枇ο禂?shù)沿高度方向均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.隨著建筑遠離射流中心，各層徑向?qū)幼枇ο禂?shù)逐漸減小.在r=1Djet處，徑向?qū)幼枇ο禂?shù)最大值出現(xiàn)在第5層，而該處風場最大值出現(xiàn)在高度較低的第2層附近，說明徑向風阻力除包含來流風場的能量外，還同時包含了由于建筑斷面產(chǎn)生的擾流渦旋能量.

Cmean

圖12給出了橫風向?qū)语L荷載系數(shù)均值.在r≥1.75Djet時，各層橫風向?qū)语L荷載系數(shù)均值基本等于0.而當建筑處于1Djet，1.25Djet和1.5Djet位置時，建筑中下部區(qū)域橫風向?qū)语L荷載系數(shù)均值很小，約在0.05～0.1范圍內(nèi).

Cymean

圖13給出了建筑扭轉(zhuǎn)向?qū)语L荷載系數(shù)均值.由于建筑各層截面屬性沿高度不變，所以各層扭轉(zhuǎn)風荷載系數(shù)均值基本相同.試驗工況相當于建筑正對來流的情況，故各層扭轉(zhuǎn)風荷載系數(shù)均值基本為0.

Czmean

對各層層風荷載系數(shù)時程進行功率譜變換，得到高層建筑不同高度處層風荷載系數(shù)譜.當建筑位于r=1Djet處，各層層風荷載系數(shù)譜如圖14所示.徑向?qū)语L荷載系數(shù)譜形狀沿高度基本不變.各層徑向譜均存在單一峰值，且峰值均出現(xiàn)在相同折算頻率附近.橫風向譜沿高度幾乎不變，各層峰值頻率略微高于徑向譜.在建筑下部1～5層，扭轉(zhuǎn)向譜“尖峰”不明顯，峰值附近譜曲線較為平緩.而在較高的6～8層，譜存在明顯單一峰值，帶寬變窄.

若σij為i,j兩層的風壓協(xié)方差;σi,σj分別為i,j兩層風壓根方差，則式(3)可以表示建筑層風荷載豎向相關(guān)系數(shù).圖15給出了最底層層風荷載相對于其他各層荷載的豎向相關(guān)系數(shù).總體來講，層風荷載豎向相關(guān)系數(shù)均為正，并且均隨著層間距離的增加而減小.橫風向相關(guān)系數(shù)沿高度衰減較慢，扭轉(zhuǎn)向相關(guān)系數(shù)衰減最快，徑向相關(guān)系數(shù)衰減速度介于前兩者之間.

fb/Vjet

fb/Vjet

fb/Vjet

相關(guān)系數(shù)

3結(jié)論

通過靜止型沖擊射流試驗?zāi)M雷暴沖擊風風場，對位于不同徑向位置的高層建筑剛性模型進行測壓試驗，研究穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風作用下高層建筑風荷載特性，結(jié)果表明：

1)隨著建筑遠離沖擊射流中心，建筑所受風荷載逐漸減小.平均風荷載最大值出現(xiàn)在r=1Djet徑向位置處，與徑向風速最大值位置相同.

2)雷暴沖擊風作用下建筑表面壓力均值和根方差分布與大氣邊界層風場作用下相比差異較大.

3)建筑各高度處徑向?qū)语L荷載最大值與徑向極值風速出現(xiàn)的高度有差異，大致出現(xiàn)在建筑中部.這個現(xiàn)象表明徑向風阻力除了包含來流風場的貢獻外，同時還包含了由建筑擾流產(chǎn)生的作用.另外，在各個徑向位置下，建筑在橫風向和扭轉(zhuǎn)向各層風荷載均值均為0.

4)徑向和橫風向?qū)用}動風荷載系數(shù)譜形狀沿高度幾乎不變.各層徑向荷載譜均存在單一峰值，且峰值對應(yīng)的折算頻率較為接近.橫風向譜各層峰值頻率略微高于徑向譜.建筑下部扭轉(zhuǎn)向譜峰值附近較為平緩，上部“尖峰”明顯，帶寬變窄.

5)建筑表面脈動風壓的豎向相關(guān)性隨著距離的增加而減小.同面測點之間的脈動風壓水平相關(guān)系數(shù)均為正值，側(cè)風面的水平相關(guān)性最高，迎風面次之，背風面最低.

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Experimental Study on the Wind Load Characteristics of High-rise Building in Stationary Downbursts

ZOU Xin1?, WANG Zhi-song1,2, LI Zheng-liang1,2

(1.College of Civil Engineering, Chongqing Univ, Chongqing400045 China; 2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing Univ, Chongqing400045, China)

Abstract:Downbursts are dramatically different from the atmospheric boundary layer. To investigate the wind load characteristics of high-rise building in thunderstorm downbursts, a static impinging jet was used to simulate the thunderstorm downburst. Rigid model manomeric test was carried on a high-rise building. Both local and overall wind load characteristics were discussed in time domain and frequency domain. The results indicate that the position of the maximum mean surface pressure is consistent with the peak radial velocity. Meanwhile, the maximum surface pressure on the windward side is located at the bottom of the building, obviously different from the top part tested in atmospheric boundary layer wind field. The maximum mean radial wind load of each layer is located at the middle of the building. And the mean wind load is 0 at the cross-wind and torsional direction. Wind load spectrums of each layer keep unchanged along the height at the radial and cross-wind direction. But wind load spectrums changes obviously at the twist direction.

Key words:impinging jet model; high-rise building; rigid mode; wind load characteristic; thunderstorm downburst

中圖分類號：TU312.1; TU973.32

文獻標識碼：A

作者簡介：鄒鑫(1986-)，男，重慶人，重慶大學博士研究生?通訊聯(lián)系人，E-mail:carlzouxin@163.com

*收稿日期：2015-01-01基金項目：國家自然科學基金資助項目(51208537),National Natural Science Foundation of China(51208537);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(CDJZR12200016)

文章編號：1674-2974(2016)01-0029-08