风洞试验超高层建筑论文

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由于超高层建筑结构的特点，风荷载对于该类高柔建筑起控制作用，因此准确分析超高层建筑结构表面风荷载的分布机理就显得尤为重要[1-4]。本文依托于重庆某超高层项目，该项目由一栋超高层酒店办公综合楼、一栋超高层办公楼及一座多层商业裙房组成。其中，1号塔楼为酒店办公综合楼，结构计算高度为270m，最高层数为60层；2号塔楼为办公楼，其结构计算高度达到150m，商业裙房地上5层地下4层，整个商业中心属于超高层建筑群。由于风场的复杂性，建筑物整体和局部位置风荷载的取值缺乏规范依据。因此，本文重点研究其在考虑周边建筑群影响下的局部体型系数分布[5-7]。
1风洞试验简介
1.1试验设备与方法
本次试验风洞为一座串联双试验段回/直流边界层风洞，其低速试验段宽4.0m，高3.0m，长24.0m，最大风速大于30.0m/秒，高速试验段宽2.2m，高2m，长5.0m，最大风速大于80.0m/s，低速验段流场达到优秀边界层风洞流场标准[8-9]。
1.1.1测量系统及工作原理
进行风洞试验之前需要对风洞的来流风进行调试，调试中需要测量参考风速。本次试验流场的风速通过皮托管和微压计进行参考点风速和参考点静压的测量与监控。参考点位置一般选在不易受到模型干扰的位置，通常可以设置在模型结构顶部高度处或者梯度风高度处。本次风洞试验的测量系统的工作原理如图1所示。作用于建筑模型表面的风压力通过测压孔以及测压导管达到压力传感器，压力传感器输出的模拟信号转换为数字信号后被记录下来，可以通过PC进行数据处理。每个测点的测得的压力值与参考静压值之差即为该测点的实际风压值。
1.1.2边界层模拟
该项目所处地面粗糙度类别为C类，即可知其大气边界层风剖面指数α为0.22，底部湍流度约为26％。试验中采用粗糙元和尖塔等模拟大气边界层，并使用热线风速仪系统，测量了大气边界层在模型附近的速度剖面和湍流度。
1.2试验模型
本次试验所用模型比例为1:300，总高度约0.9m，采用工业合成塑料板制作。由于该项目所在地建筑密度较大，因此本次试验模拟了以该超高层建筑为中心500m范围内的重要建筑，研究其遮挡条件下的体型系数分布。考虑到干扰建筑细部构造等对目标建筑的影响较小，因此周边建筑模型均只用简单的形状进行制作，表面也很平整光滑，仅反映周边建筑的主体轮廓。
1.3工况介绍
本次试验在有周边建筑与无周边建筑两种工况下分别进行了16个风向角的风洞试验，以每22.5度为一个工况子项，图4表示了各种试验工况风向角示意图，重庆的主导风向为北风，对应于试验工况中的270度。
2数据处理与结果对比
2.1体型系数
本次试验旨在研究体型系数在不同遮挡条件下的分布情况。为了与结构设计规范相一致，类似于局部体型系数定义，试验采集到的风压数据经过简单转换后以相对于同高度未受扰动的来流平均风压的无量纲给出，如式（1）所示。C軍Pi=P軈i1/2ρU2z(i)（1）其中，P軈i为模型表面任一点的风压平均值；ρ为空气密度；Uz(i)为i测点高度处来流平均风速。测得建筑表面有（无）环境建筑时目标结构各面在所有工况下的局部体型系数及在幕墙等构件设计时需要关注的考虑阵风效应的局部体型系数峰值。
2.2结果对比及分析
这里需要说明一下，图5、图6仅给出了典型工况下的结果，这是因为重庆地区主导北风为主导风向，其对应工况为270度风向角工况，因此本文着重关注该工况下的风压分布情况。根据数据结果分析可知：（1）1、2号测点的局部体型系数在迎风面中心处最大，从迎风面向迎风面角部区域，体型系数逐渐减小。这是因为，在建筑表面的中心处，来流风垂直冲击建筑表面，使该处获得最大的平均风压；从中心点向两个建筑上下端部，存在逐渐增强的流动分离作用，使得表面的平均风压逐渐减小。在建筑的两个侧面由于流动分离以及漩涡脱落的共同作用，使得吸力较背风面更大。（2）有周围建筑干扰时，各风向角下体型系数分布比较混ogyandMaterial乱，在周围建筑的高度范围内，迎风面考虑阵风效应的局部体型系数正峰值与无周围建筑干扰时相比有较大变化，遮挡效应比较明显，而转角处负峰值受周围建筑影响较大，会超过无周边建筑干扰时的情况。
3结论
（1）无周围建筑时，1、2塔楼体型系数沿建筑的周向分布以及各测点随着风向角的变化规律也是基本一致的，0度、90度、180度、270度风向角时表面风压基本相同，迎风面中间体型系数为正值，趋近于1.1。侧风面由于受到漩涡脱落的影响，体型系数要比背风面大，绝对值在前缘最大，大小与迎风面角部基本相等（2）有周围建筑干扰时，各风向角体型系数在遮挡高度范围内分布比较混乱。值得特别注意的是，在某些特定风向角下，目标建筑在遮挡条件下的风荷载体型系数反而较大，这可能是由于遮挡建筑的存在，使得来流中涡旋脱落而引起的。（3）在进行幕墙设计时，由于有周围建筑干扰，应分别参考有、无周边建筑两种情况，取绝对值较大的体型系数峰值。