超高层双塔建筑体型系数风洞试验研究

柳美玉，杨 璐

(1.中元国际工程公司，北京 100089;2.北京工业大学建工学院，北京 100124)

随着社会的进步，城市建设和科学技术的发展，现代高层建筑发展速度迅猛。轻质高强新型建筑材料的不断涌现，高层建筑不但建筑形式变化多样，而且结构体型也朝着高大、轻柔的方向发展，风荷载对高层建筑的影响越来越大，风荷载成为建筑结构设计中不可忽略的重要组成部分［1］。

同时，现代城市的高速发展造就了越来越多的高层建筑，同时也使得建筑之间也越来越密集。由于相邻建筑物之间的流场相互干扰，将使得相邻建筑物之间的风荷载以及风性态与单体建筑物时的性质发生改变。可能造成建筑物所受风力比单体建筑物时大大增加或者建筑物局部风荷载急剧增加，从而引起了抗风设计中许多其它安全问题［2］［3］。

本文主要介绍了东直门东华广场的风洞试验对体型系数和风荷载研究情况。得到了该双塔的体型系数以及风荷载情况，可为主体结构设计以及外围幕墙等其他围护结构设计提供参考和指导作用。

1 工程背景介绍

东直门交通枢纽暨东华国际广场商务区最为突出的建筑是高度为175 m的双塔写字楼。双塔建成后将成为东直门附近区域标志性的建筑，如图1。

图1 东直门东华国际广场效果图

由于双塔之间的间距约20 m，而塔高则有175 m，预计流经这个垂直方向狭窄通风道的气流迥然有别于简单塔状建筑物的周围气流，按国家建筑结构荷载规范进行风洞试验是必要的，而且风洞试验的结果将为数值风洞研究的结果提供验证依据。

2 试验设备及测点布置

2.1 试验设备

试验在北京大学环境学院2号环境风洞进行。该风洞为直流吸式，试验段长32 m、宽3 m、高2～2.5 m(顶板可调)。建筑物前方来流风速控制在17 m/s左右。远离模型的上游设置尖塔，并在模型与尖塔之间铺摆粗糙元以达到所需的平均风速廓线指数。

风速的测量使用丹麦产DISA热膜风速仪，使用前用DISA自备的校正单元——射流风洞进行校正。速度信号经A/D由联想昭阳笔记本电脑采样并进行处理。来流的监视使用KANOMAX 6250风速风温仪。风压的测量使用美国产Scanivalve电子压力扫描阀，如图2。

图2 Scanivalve电子压力扫描阀

2.2 模型测点布置

为区别不同模型侧面测点，将模型侧面编号，分别为1、2、…、12计12个面，合计341个测点。由于篇幅限制，仅以双塔西立面测点布置为例，见图3。

图3 双塔西立面测点布置

2.3 试验过程

风向角间隔采用10°，按风向角间距 Δθ=10°，在0 ～360°范围内共有36个来流风向。采样频率设置为500 Hz，时间段长为10 s。当压力指向正对测点所在参考面时，压力为正;当压力指向离开测点所在参考面时，压力为负。

3 试验结果及分析

3.1 体型系数

表1给出了双塔幕墙各立面正压和负压体型系数绝对值中最大的两个值及其相关信息。

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从测量的结果看，各立面的最大正压体型系数除了南塔南立面点超出0.8，其余测点均未超出规范中建议的0.8。这与南侧与东侧比较空旷的东直门外大街、东直门外斜街以及双塔周边的建筑布局有关。

双塔结构的最大负压体型系数大多集中在双塔连廊附近，这说明双塔之间的风速明显大于其它位置，双塔之间的相互影响不可忽略。

表2给出了双塔连廊屋顶面体型系数正压和负压体型系数绝对值中最大的两个值及其相关信息。

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从表2可以看出:双塔连廊东西中间部位体型系数比较大，。双塔北连廊的最大负压体型系数，在测点573(θ=130°)为 μs= －1.92。

3.2 风荷载

体型系数能直接反映风荷载的方向和大小，起主要作用的体型系数还不是风荷载的全部因素，除此之外还有基本风压、风压高度变化系数等［4］。

在此次风洞试验的结果数据中，有些测点的体型系数较大，个别点甚至达到μs=－3.34。但这些点基本都位于结构的底层，由于较低层数的风速较低，造成的风荷载并不是最大的。

从试验结果可以看出，双塔塔冠的风荷载有这样的特点，即双塔相对的面上的正压要小于负压，而其他面上负压则大于正压。塔冠上的50 a重现期的正压大多在1.74 kPa左右，绝对值大于相应重现期的负压风荷载绝对值;而其它立面测点的50 a重现期负压则最大达到－2.18 kPa，绝对值大于相应重现期的正压风荷载绝对值。

连廊上的正压风荷载不超过+0.8 kPa，但50 a重现期负压风荷载最大达到－1.64 kPa。

4 小结

(1)通过进行1∶300缩尺模型的风洞试验，得到了36个不同来风方向所有测点风压数据，并对测量数据进行后处理得到了每个测点的平均风压和脉动风压以及不同测点的最大正压、负压体型系数以及风荷载。

(2)试验结果表明双塔的结构形式对风场存在较大的影响，特别是双塔之间通道和立面的角隅附近影响更加明显;因局部的环境风速较大，需要注意人员的安全，建议大风时不要到连廊及商业楼屋顶上去;

(3)双塔塔冠女儿墙上有可能出现较大的风荷载，其数值接近或超过－2.00 kPa，尤其是在进行北塔南立面和南塔北立面塔冠部位的设计时需要特别注意;

(4)对于双塔雨棚，试验测得的风荷载小于规范中用建议使用的体型系数2.0所求得的风载，按照规范规定进行设计施工将偏于安全。

［1］A.G.Davenport.How can we simplify and generalize wind loads.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.1995:54－55，657 －669

［2］沈国辉，孙炳楠，楼文娟.复杂体型高层建筑单体和双塔时的风荷载［J］.浙江大学学报，2005，39(8):1229 －1233

［3］傅小坚，严晓萍，许明辉.双塔高层建筑风荷载静力干扰效应的数值研究［J］.工程建设，2007，39(1):1 －5

［4］GB 50009－2001建筑结构荷载规范［S］