外附网架对高层建筑主体结构风荷载的影响

第一作者全涌男，博士，教授，1971年生

外附网架对高层建筑主体结构风荷载的影响

全涌1，涂楠坤2，严志威3，顾明1，冯远4

(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092; 2.绿地控股集团有限公司，上海200023;3.浙江绿城东方建筑设计有限公司，杭州310012;4.中国建筑西南设计研究院有限公司，成都610041)

摘要：基于刚性模型的高频天平测力风洞试验，对一外附网架的超高层建筑的基底弯矩和扭矩特性进行了分析，详细讨论了复杂的周边建筑环境和外附网架对近似椭圆形截面目标建筑的整体气动力特性的影响。研究结果表明，复杂周边建筑对目标建筑的气动力均值的影响主要表现为遮挡效应，但在一定条件下可能放大目标建筑所受到的脉动气动力；建筑两侧面绕流区的外附网架所受切向气动力使建筑顺风向气动力均值及脉动值增大，增大的程度与阻挡气流绕流的外附网架面积大小相关；外附网架对建筑表面粗糙度的改变使建筑两侧气流的旋涡脱落强度削弱，导致横风向脉动气动力减小，但对横风向脉动气动力均值没有影响；周期性旋涡脱落引起的外附网架上的脉动风力将部分抵消主体结构上的涡激力脉动导致的结构气动扭矩脉动值，对气动扭矩均值没有明显影响。这些结论为高层建筑的设计提供了参考。

关键词：超高层建筑；外附网架；复杂周边

基金项目：国家自然科学基金项目(50878159，90715040)；上海市浦江人才计划(08PJ1409500)；土木工程防灾国家重点实验室自主课题(SLDRCE10B-03)

收稿日期：2013-03-15修改稿收到日期：2013-10-08

中图分类号:TU312

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.17.003

Abstract:With the high frequency force balance (HFFB) technique, a rigid model of an actual grids-attached super-tall building with an approximate ellipse cross section was tested to obtain effects of complex surrounding and attached grids on its base moments and torques. The results indicated that complex surroundings mainly have a sheltering effect on the mean value of aerodynamic force on the principle building; however, it may enlarger the fluctuating aerodynamic force on the principle building under some particular conditions; the tangential aerodynamic force on grids located in flow region of two sides of the principle building enlarges the mean value and RMS of aerodynamic force in along-wind direction, and the increased magnitude is determined by the area of the attached grids obstructing the flow; moreover, the varying of the surface roughness induced by attached grids of the principle building reduces vortex shedding strength, and causes the decrease in fluctuating aerodynamic force in cross-wind direction, and does not affect the RMS of fluctuating aerodynamic force; the fluctuating wind force on attached grids induced by periodic vortex shedding partially offsets fluctuating aerodynamic torque on the main structure induced by fluctuating vortex-induced force, and does not affect the mean value of aerodynamic torque. These conclusions provided a reference for the design of high-rise buildings.

Effects of attached grids on wind loads of main structure of a high-rise building

QUANYong1,TUNan-kun2,YANZhi-wei3,GUMing1,FENGYuan4(1. Sate Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Greenland Holding Group Co., LTD, Shanghai 200023, China;3. Zhejiang Greentown Oriental Architectural Design co., LTD, Hangzhou 310012, China;4. Southwest Architectural Design co., LTD, Chengdu 610041, China)

Key words:super-tall building; attached grids; complex surroundings

高层建筑是典型的风敏感结构，风荷载是高层建筑结构设计的主要控制荷载之一。伴随着经济的快速发展出现了高楼林立的群体高层建筑，而群体建筑间的干扰效应是比较复杂的。人们对高层建筑模型间的干扰机理进行了大量的研究[1-5]，提出了遮挡效应和穿堂风效应，以及目标建筑响应谱的变化。本文通过不同模型工况的对比，详细讨论了复杂周边环境对目标建筑的气动干扰效应。

当旋涡脱落频率与结构横风向自振频率比较接近时，结构的横风向共振响应将非常大[6-7]。为了减少共振响应，工程师们提出一些有益的气动措施，发现水平开槽、角部开槽、切角和高度方向锥度化处理可以降低高层建筑风振响应[8-9]。学者也对建筑立面上开洞、截面阶梯变化或流线化、设置扰流板等不同气动措施进行了大量的研究[10-12]，然而对外附网架这种新颖的气动措施的研究很匮乏。本文通过有无外附网架的模型工况间的对比试验，初步探索了外附网架对高层建筑主体结构风荷载的影响。

1实验概述

成都金融城是由两幢设计完全相同的公寓塔楼(下文简称目标建筑)及其姊妹楼-办公塔楼-组成，见图1。目标建筑高206m，横截面是一长轴约为38m短轴约为25m的椭圆形，长轴的南端被切除，切除部分随高度逐步阶梯收缩。目标建筑立面上外附一层镂空率约为68%的铝合金网架，其中镂空率等于网架所在面的镂空面积与整个面积的比例。网架距离建筑幕墙为90cm左右，由6cm宽的铝条构成。受限于模型制作精度，试验模型中铝条宽度调整到15cm(即模型空间0.5mm)，但保持镂空率不变(网架、幕墙与建筑物之间的相对空间关系见图2)。其姊妹楼在目标塔楼南边，横截面及建筑高度与目标塔楼完全一样。姊妹楼与目标塔楼呈轴对称布置，最近处相距25m，见图3。在目标塔楼长轴的西北方向延长线上有一高度为175m的横截面近似方形的周边干扰建筑。除此之外，其它周边干扰建筑高度都在100m以下。

同济大学土木工程防灾国家重点实验室对该建筑进行了高频天平测力试验。风洞试验在TJ-2大气边界层风洞中进行的，该风洞试验段长15m、宽3m、高2.5m。风洞试验模型的几何缩尺比为1/300，目标建筑及周边建筑试验模型见图3。试验风向角定义见图3。风向角间隔取为15°，共有24个风向。试验在模拟C类大气边界层风场中进行，其平均风速剖面和湍流度剖面见图5。模型顶部高度处试验风速为6.9m/s，高频天平的采样频率为1000Hz，采样时间为60s。试验风速比和时间缩尺比分别取1∶5.2和1∶57，对应于实际采样频率17.5Hz和数据样本长度57min。

图1 目标建筑效果图Fig.1Designmodelofthebuilding图2 网架、幕墙与建筑物之间的相对空间关系Fig.2Relativespacerelationshipamongattachedgrids,curtainwallbuildings图3 试验模型Fig.3Testmodelofthebuilding

图4　风向角及坐标轴定义 Fig.4 Definition of body axis and wind direction

设定了4种试验模型工况，依次消除多余变量来研究单一变量的影响，如表1和图6所示。本文中整体气动力的主要影响因素有175m高的超高层建筑，姊妹楼和外附网架。通过Case1和Case2的比较可以了解复杂周边建筑的影响，比较Case2和Case3可知姊妹楼的影响，比较Case3和Case4得到外附网架的影响。

2数据处理

本文给出的基底弯矩系数和扭矩系数计算式如下：

(1)

(2)

图5　风洞中模拟的C类地貌平均风速、湍流强度及 建筑顶部高度处的脉动风功率谱 Fig.5 Simulated results of wind field

图6　试验模型模型工况 Fig.6 Testing cases for models

(3)

其中:ρ为大气密度，取1.25kg/m3；H为建筑高度；UH为结构顶部来流风速；Bx、By、Bz分别为建筑两个平动方向和扭转向的平均特征尺寸，由于该建筑在顶部楼层逐步收缩导致不同楼层各方向的特征尺寸不一致，所以在此采用平均特征尺寸：

(4)

无量纲基底弯矩系数和扭矩系数的功率谱表示为：

(5)

(6)

(7)

3试验结果及分析

为了叙述上的方便，对立面及迎风角范围进行约定，见图7。大曲率曲面A1和A3分别指点P1到P3之间的区域和点P5到P7之间的区域，其迎风角度范围分别为45°～135°和225°～315°；小曲率曲面A2指点P3到P5之间的区域，迎风角度范围为315°～45°；经切除处理的面为A4，其范围指点P1到P7之间的区域，迎风角度范围为135°～225°。

图7　曲面以及迎风角示意图 Fig.7 Definition of surfaces and wind direction

3.1平均气动力

为方便起见，下文讨论中将分别以My、Mx和Tz为代表讨论X方向、Y方向气动力及气动扭矩。

图8和图9分别显示了Case1和Case2及Case3、Case3和Case4模型工况下平均气动力和平均气动扭矩随风向角的变化曲线。下面分别探讨周边建筑和外附网架对它们的影响。

(1)周边建筑的影响

图8　模型工况case1、case2和case3下建筑三个气动力分量平均值随风向角变化曲线 Fig.8 Curves of mean value of three aerodynamic components against wind direction in case1, case2 and case3

图9　模型工况case3和case4下建筑三个气动力分量均值随风向角变化曲线 Fig.9 Curves of mean value of three aerodynamic components against wind direction in case3 and case4

(2)外附网架的影响

目标建筑所受到的顺风向气动力均值主要有两个方面的来源：主体结构迎风面和背风面所受法线方向的风压和侧面阻挡气流切向流动所受切向风压。当来流沿长轴方向吹来时，主体结构的迎、背风面面积较小，所受风压较小；但是两侧面外附网架面积较大，所受切向气动力较大，故外附网架对顺风向气动力的影响很大。当来流方向偏离长轴转向短轴方向时，主体结构迎、背风面面积逐渐增加，主体结构气动力也逐渐增大；而两侧面外附网架面积逐渐减小，所受切向气动力也逐渐减小，故外附网架对基底弯矩均值的影响逐渐减弱。气流方向旋转到与短轴方向时，外附网架对顺风向气动力的影响最小。

对于目标建筑各方向的气动力均值而言，姊妹楼及其它周边建筑的气动干扰效应主要表现为遮挡效应；作用在建筑侧面绕流区外附网架上切向气动力导致目标建筑气动基底弯矩均值随风向角的变化更剧烈，但使目标建筑气动扭矩均值随风向角的变化变得平缓。

3.2脉动气动力

图10和图11分别显示了Case1和Case2及Case3模型工况、Case3和Case4模型工况下气动基底弯矩和扭矩系数均方根值随风向角变化的曲线，下面分别探讨周边建筑和外附网架对它们的影响。

图10　模型工况case1、case2和case3下建筑三个脉动气动力分量随风向角变化曲线 Fig.10 Curves of RMS value of three aerodynamic components against wind direction in case1, case2 and case3

图11　模型工况case3和case4下建筑三个脉动气动力分量随风向角变化曲线 Fig.11 Curves of RMS value of three aerodynamic components against wind direction in case3 and case4

(1)周边建筑的影响

比较Case1和Case2可知，在0°风向角下，由于上游175m高层建筑的遮挡，目标建筑模型工况Case1中的两体轴方向基底弯矩和扭矩的均方根值都明显小于模型工况Case2，该遮挡效应随着风向的偏移而逐渐减小。在240°风向角附近，由于上游串列布置且与目标建筑相距很近的姊妹楼的遮挡，与Case3相比，Case1和Case2中目标建筑两体轴基底弯矩系数的均方根值的波动较为剧烈，x方向气动力系数σCMy还出现了较高的峰值，而扭矩系数的均方根值变化不大。这两个主要的施扰建筑与目标建筑不同的间距以及尾流特性等因素的差异使得它们对目标建筑气动力均方根值的影响很不相同。

(2)外附网架的影响

比较Case3和Case4可以看出，当来流沿着短轴方向吹向A1、A3曲面时，外附网架对y方向(顺风向)脉动气动力系数σCMx和脉动扭转系数σCTz影响很小，而大幅减小了x方向(横风向)脉动气动力σCMy；当来流沿着长轴吹向A2曲面时，外附网架会增大顺风向(x方向)脉动气动力σCMy，减小脉动气动扭矩σCTz和y方向(横风向)脉动气动力σCMx；而来流沿着长轴吹向A4曲面时，横风向(y方向)气动力σCMx却变化不大。

建筑上的脉动气动力主要来源于来流湍流和尾流激励两个方面，顺风向的脉动气动力主要来源于前者，横风向和扭转向的脉动气动力通常来源于后者。当风向角方向由长轴向短轴发生偏移时，主体结构的迎、背风面面积逐渐变大，而侧面外附网架总面积逐渐变小，这使得外附网架上附加的脉动气动力对作用在建筑上总的顺风向(x方向)脉动气动力σCMy的影响减弱，直到来流沿短轴方向时几乎没有影响。

对于横风向和扭转向气动力而言，当来流沿长轴方向吹向曲面A2时，在曲面A1和A3的中部会形成交替的旋涡脱落，旋涡脱落分离点分别在点P2与P1之间及点P6与P7之间。该区域将产生很大的负压，该负压对截面形心将形成正扭矩。主体结构外附网架后，外附网架上也会承受较大的切向风力，该切向风力与主体结构立面上的负风压同步脉动，表现出来的现象就是外附网架对横风向(y方向)脉动气动力σCMx的小幅度抑制和对脉动气动扭矩σCTz的大幅度削弱。气流沿长轴方向吹向曲面A4时，目标建筑的脉动气动力具有类似的表现。当来流沿短轴方向吹向曲面A1和A3时，由于曲面A2的曲率较大，A4面有明显的尖角，旋涡脱落强度相对较大，导致Case4中横风向(x方向)脉动气动力σCMy较大，但旋涡脱落分离点比较靠近两端点，这使得两端区域涡激作用引起的脉动风压对截面形心的气动扭矩σCTz相对较小；而外附网架的出现增大了建筑表面的粗糙度，削弱了规则性的旋涡脱落，从而使得σCMy明显低于Case4。

图12给出了0°和90°风向角下建筑基底弯矩和扭矩功率谱，再一次证实了上述分析。

图12　不同模型工况下0°和90°风向角的气动力谱 Fig.12 Power spectrum density for the aerodynamic forces at typical wind directions

总之，周边建筑的出现，在一定条件下可能放大目标建筑所受到的脉动气动力；建筑两侧面绕流区的外附网架所受切向气动力增大了建筑顺风向脉动气动力，增大的程度与阻挡气流绕流的外附网架面积大小相关；外附网架对建筑表面粗糙度的改变使建筑两侧气流的旋涡脱落强度削弱，导致横风向脉动气动力减小；周期性旋涡脱落引起的外附网架上的脉动风力将部分抵消主体结构上的涡激力脉动导致的结构气动扭矩脉动值。

4结论

基于刚性模型的不同模型工况下的高频天平测力试验，分析了复杂周边环境下有外附网架超高层建筑的主体结构风荷载特性，得到如下结论：

(1)复杂周边建筑对目标建筑的气动力均值的影响主要表现为遮挡效应，但在一定条件下可能放大目标建筑所受到的脉动气动力；

(2)建筑两侧面绕流区的外附网架所受切向气动力使建筑顺风向气动力均值及脉动值增大，增大的程度与阻挡气流绕流的外附网架面积大小相关;

(3)建筑两侧面绕流区的外附网架所受切向气动力增大了建筑顺风向脉动气动力，增大的程度与阻挡气流绕流的外附网架面积相关；外附网架对建筑表面粗糙度的改变使建筑两侧气流的旋涡脱落强度削弱，

导致横风向脉动气动力减小；周期性旋涡脱落引起的外附网架上的脉动风力将部分抵消主体结构上的涡激力脉动导致的结构气动扭矩脉动值。

本文结论并不一定适用于建筑截面和外附网架和本文中差别较大的情况。

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