高速·滨湖时代广场C1号楼风洞测压试验

王利民 岳克玺 方小文

(1.安徽高速公路房地产有限责任公司，安徽 合肥 230001; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

在超高层建筑的设计中，对侧向荷载的分析十分重要，其中，风荷载作为主要的侧向荷载之一，其对结构作用的分析是十分重要的一个方面，因处理不当造成的结构破坏事故时有发生[1]。由于实际超高层建筑周围的建筑会与其形成复杂风场，我国现行《建筑结构荷载规范》尚不能涵盖该类建筑，因此需要通过风洞模型试验来确定作用在其上的风荷载，并对其风致振动特性进行研究。此外，在实际受风荷载作用时，建筑表面的风压分布具体数值十分复杂，尤其是当结构本身体型复杂时，仅靠既有规范很难确定其合理取值。因此，刚性模型风洞模拟试验测试具有重要的意义，可以为结构设计提供重大的参考价值[2]。

本文基于一实际超高层建筑的刚体模型风洞测压试验数据，分析了24个风向角下该建筑各区段的层体型系数，为这一类高层建筑的结构风荷载设计提供参考。

1 工程概况

安徽高速公路房地产有限责任公司开发的高速·滨湖时代广场项C-01地块C1号楼，建筑高度240 m，功能为五星级酒店、办公、商业。该建筑造型独特，立面新颖。在北立面由若干个挑空层数较多的空中花园组成，见图1。C1号与180 m高的C2号相距约75 m，与C3号～C8号各高层相距也较近，风作用下，C1号与C2号周围会形成复杂风场，因此，需要通过风洞模型试验来确定作用在C1号上的风荷载。

2 风洞试验

2.1 试验方案

本实验涉及的测压试验风向角范围为0°～360°，每15°设置一个实验风向角，共24个。根据结构的环境参数和试验的具体条件，在参考点高度处风速取为11 m/s。试验时，在每个风向角下，对每个测点记录6 000个风压时域信号数据，采样频率为312.5 Hz，即19.2 s。其中，试验设计的风压或者风荷载都是垂直于建筑物表面的法线方向，风压值的符号约定为：所有外表面受压力为正，受吸力为负[3]。

2.2 风洞设备及测量系统

合肥高速·滨湖时代广场项目刚体模型风洞试验，本次试验的实际场地为同济大学土木工程防灾国家重点实验室风洞实验室，采用的是该实验室的TJ-3大气边界层风洞，如图2所示。其为闭口竖向回流式低速风洞，可实现风速在1.0 m/s～17.6 m/s的范围内无极调整，速度不均匀性、湍流度均小于2%，平均气流偏角小于0.2°，具有优秀的流畅性。

本次试验的试验段尺寸为15 m宽、2 m高、14 m长，共采用两套测量系统，风速测量系统和风压测量、数据采集与处理系统。

2.3 试验模型概括及测点布置

本实验采用缩尺比为1/200的刚体模型。为了保证试验的精确度，采用有机玻璃材料制成，其同时具有较高的强度和刚度，经验证可以在11 m/s的试验风速下不发生明显的变形或振动，可以保证各测点高精度的压力测量。试验时直径为6.6 m的转盘中心放置模型，不同风向通过旋转转盘来模拟实现。C1塔楼风压试验模型表面共布置了550个测点，试验前经仔细检查，上述测点全部有效。

2.4 模拟大气边界层风场

在进行建筑模型的侧压风洞试验时，将大气边界层风场在风洞中模拟是十分重要的内容[5]，需模拟出大气边界层紊流风场来进行，并且确定模拟风场的类型需要根据建筑物上游2 km范围的地形地貌确定。考虑到合肥高速·滨湖时代广场项目地处安徽合肥市市区，采用C类地貌风场，采用尖披加粗糙元的大气边界风洞模拟方法。

2.5 风洞中的参考点位置

设置参考点时，需要在尽可能离风洞壁边界足够远的情况下考虑在风洞中如何不受建筑模型影响，并在该处设置一根皮托管来测量参考点风压，用于计算各测点上的无量纲风压系数，此系数与参考点高度有关但与试验风速无关。试验参考点位于模型转盘中心与风洞侧壁之间，高1.0 m处，该高度对应实际高度为200 m，见图3。

3 试验结果分析

3.1 各测点在不同风向角下的平均风压系数

以无量纲的压力系数Cpi,r表示表面的压力为：

其中，Cpi,r为测点i处的压力系数;pi为作用在测点i处的压力;Pr0为试验时参考高度处的总压;prs为试验时参考高度处的静压;Ur为参考点处的平均风速。

并且，以此可以表示各测点内外表面同步测量的各对净压力系数：

其中，piu为作用在测点i处的外表面压力;pid为作用在测点i处的内表面压力。

之后，将所有直接测得的风压系数换算成与地貌无关的梯度风风压为参考的风压系数，以消除参考点高度和梯度风高度不同的影响，用Cp表示：

Cp=(zr/HG)2αCp,r

(3)

其中，HG为各类地貌所对应的梯度风高度(即大气边界层高度);α为反映各类地貌地面粗糙度特性的平均风速分布幂指数。

本次试验按照C类地貌标准，取HG=400 m,α=0.22，故:

Cp=(200/400)0.44Cp,r=0.737 1Cp,r

(4)

此处的Cp可视作平均风压系数、极大或极小风压系数。

3.2 各测点在不同风向角下的体型系数和层体型系数

为适应GB 50009—2012建筑结构荷载规范对于体型系数的定义，前文中所得的平均风压体型系数需根据式(5)换算：

ω=βzμsμzω0,R

(5)

其中，βz为高度z处的风振系数(本试验未涉及)；μs是风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数，ω0,R为基于C类风场的R年重现期，10 m高度处、10 min平均的基本风压，随重现期的不同取不同的值(下标R代表重现期，取为50年和100年)。根据实际场地条件，对应于50年重现期和100年重现期：ω0,50=0.40 kPa，ω0,100=0.45 kPa。

各测点相应的点体型系数μsi根据不同高度z处的各测点测得的平均风压系数由下式换算得到：

(6)

为了分析最不利风向和其对应的风荷载，需对试验数据简化处理。本次试验中，将建筑表面沿高度方向划分出几个区段，并以下式分别计算每个区段X方向和Y方向上的层体型系数：

(7)

(8)

其中，nX，nY分别为压力矢量在X和Y方向的方向余弦;DX，DY分别为X和Y方向上分断层截面的参考长度;n为测压层的测点总数。

根据上述公式，可以得到24个风向角下C1塔楼各区段的层体型系数，见图4,图5。

4 结语

1)通过风洞试验可以看出，C1塔楼层体型系数在各区段X方向上随风向角的改变而改变，随建筑高度的升高而减小，在315°风向角下层体型系数最大为2.009。

2)C1塔楼层体型系数在各区段Y方向上也随风向角的改变而改变，在大部分风向角下随建筑高度的改变变化不大，在15°风向角下层体型系数最大为-2.180。

3)相同风向角下Y方向上层体型系数比X方向上层体型系数大。