盧啟財　趙敬義　周晉芳

【摘 要】在大氣邊界層風(fēng)洞中開展了典型高層建筑風(fēng)洞測驗試驗，得到了幕墻設(shè)計風(fēng)荷載及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載。結(jié)果表明：墻面中間區(qū)域負(fù)風(fēng)壓起控制，懸挑部分以正風(fēng)壓控制；周邊建筑的干擾效應(yīng)明顯，X向和Y向基底剪力最大值分別發(fā)生在60°與30°風(fēng)向角。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；風(fēng)荷載；風(fēng)洞試驗

中圖分類號： TU973.213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0014-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.004

【Abstract】Wind tunnel tests of a typical high-rise building were conducted in the atmospheric boundary layer，and then the designed wind loads for curtain and main structure were obtained.The results indicate that：the control wind loads for middle wall was negative wind pressure，and positive wind pressure for cantilever wall；the interference effect was obvious influenced by the surrounding buildings，and the largest value of basement shear force for X and Y directions was 60°and 30°，respectively.

【Key words】High-rise building；Wind load；Wind tunnel test

1 引言

隨著設(shè)計經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口膨脹，土地資源日趨緊缺，建筑不斷向高度方向發(fā)展，形成了以高層建筑為主體的建筑群體不斷涌現(xiàn)。伴隨著高強材料的使用，建筑的隨著高度的增長，結(jié)構(gòu)越來越柔、阻尼比越來越小，風(fēng)荷載成為其主要的控制荷載之一[1，2]。現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]對簡單的單體建筑的體型系數(shù)有相關(guān)規(guī)定，而對于處于復(fù)雜周邊條件下的高層建筑風(fēng)荷載并未涉及。數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗是開展待建建筑風(fēng)荷載研究的主要手段，收到現(xiàn)有數(shù)值模擬技術(shù)的局限性，目前主要是通過風(fēng)洞試驗確定結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載[4]。

濟(jì)南歷下區(qū)金融商務(wù)服務(wù)中心位于濟(jì)南市歷下區(qū)經(jīng)十東路，其主要功能以辦公為主，兼含金融機構(gòu)的商務(wù)及其他用途。由兩棟塔樓構(gòu)成，A塔樓高193.8米，B塔樓高140.2米，A、B塔樓由裙樓連接。按我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]，濟(jì)南地區(qū)50年重現(xiàn)期、10米高度處、10分鐘平均的基本風(fēng)壓為。

本文以濟(jì)南歷下區(qū)金融商務(wù)服務(wù)中心A塔樓為對象，研究在有周邊干擾作用下的高層建筑風(fēng)荷載特性，成果可為其抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)，同時可為其它類似工程提供參考。

2.1 試驗概況

試驗是在湖南大學(xué)建筑與環(huán)境風(fēng)洞實驗室進(jìn)行的。該風(fēng)洞為直流式矩形截面邊界層風(fēng)洞，試驗段截面尺寸為3.0m（寬）×2.5m（高），風(fēng)速范圍在0～20.0m/s內(nèi)可調(diào)。流場性能良好，試驗區(qū)流場的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5度。地貌類型按國家《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[3]的C類地貌考慮，地貌粗糙度系數(shù)。在實驗之前，以粗糙元、擋板和二元尖塔來模擬C類地貌的風(fēng)剖面及湍流度分布，如圖1所示模擬結(jié)果與目標(biāo)值吻合的較好。

2.2 試驗?zāi)Ｐ团c測點布置

試驗?zāi)Ｐ褪怯肁BS板制成的剛體模型，具有足夠的強度和剛度。模型與實物在外形上保持幾何相似，縮尺比為1：300，高度為64.6cm。試驗?zāi)Ｐ屯獗黹_設(shè)許多風(fēng)壓孔，并將模型內(nèi)部挖空，裝設(shè)測壓管，最后將模型安放在風(fēng)洞試驗段，并將測壓管接至電子式壓力掃描閥，對建筑物幕墻表面風(fēng)壓進(jìn)行測量。周邊環(huán)境模型比例也為1：300。將模型固定在風(fēng)洞試驗室的轉(zhuǎn)盤上，主體模型置于轉(zhuǎn)盤中心，相對位置如圖2及圖3所示。

為了測取幕墻上的風(fēng)壓分布，在模型外表面上共布置了個370測點。風(fēng)洞試驗時，每一個風(fēng)向測量一組數(shù)據(jù)。風(fēng)向角間隔為15°，逆時針旋轉(zhuǎn)，風(fēng)向角的定義如圖3所示，總共有24個風(fēng)向。試驗時，對每個測點，采樣時間為32秒，采樣頻率為312.5Hz，試驗控制風(fēng)速為10m/s。

2.3 數(shù)據(jù)處理

模型試驗中以壓力向內(nèi)（壓）為正，向外（吸）為負(fù)。表面各點的風(fēng)壓系數(shù)由下式（1）：

式中：cpi（t）是試驗?zāi)Ｐ蜕系趇個測壓孔所在位置的風(fēng)壓系數(shù)，pi（t）是該位置上測得的表面風(fēng)壓值，p0和p∞分別為參考點處測得的平均總壓和平均靜壓。

脈動風(fēng)壓可通過公式（2）來求得脈動風(fēng)壓均方根值Cprms：

3 結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載可通過兩種方法獲得，其一就是根據(jù)現(xiàn)行荷載規(guī)范給出的圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載（見規(guī)范8.1.1-2）；另外一種方法就是根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果，根據(jù)概率理論進(jìn)行計算，如式（3）和（4）。本文根據(jù)第二種方法，給出了用于覆蓋層設(shè)計用的風(fēng)荷載設(shè)計值，圖4和圖5分別給出了用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計用的極值峰值風(fēng)壓和極小值峰值風(fēng)壓分布圖。從圖4可以看出，由于建筑角部幕墻為懸伸構(gòu)造，受到正面的正風(fēng)壓和背面負(fù)風(fēng)壓的共同作用，局部設(shè)計風(fēng)壓較大；頂部幕墻也是類似影響，其風(fēng)壓較大。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，受到東面建筑和B塔樓的干擾作用，形成峽谷風(fēng)效應(yīng)，導(dǎo)致東立面（如圖5b）和西立面（如圖5d）出現(xiàn)較大的負(fù)風(fēng)壓。對比圖4與圖5不難看出，在雙面受風(fēng)區(qū)域正風(fēng)壓起控制，而對于中間區(qū)域墻面負(fù)風(fēng)壓起主導(dǎo)，因此在進(jìn)行幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采用包絡(luò)設(shè)計法以保證幕墻結(jié)構(gòu)安全。