典型高层建筑风荷载试验研究

卢启财　赵敬义　周晋芳

【摘 要】在大气边界层风洞中开展了典型高层建筑风洞测验试验，得到了幕墙设计风荷载及主体结构设计风荷载。结果表明：墙面中间区域负风压起控制，悬挑部分以正风压控制；周边建筑的干扰效应明显，X向和Y向基底剪力最大值分别发生在60°与30°风向角。

【关键词】高层建筑；风荷载；风洞试验

中图分类号： TU973.213 文献标识码： A 文章编号： 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

隨着设计经济的高速发展，人口膨胀，土地资源日趋紧缺，建筑不断向高度方向发展，形成了以高层建筑为主体的建筑群体不断涌现。伴随着高强材料的使用，建筑的随着高度的增长，结构越来越柔、阻尼比越来越小，风荷载成为其主要的控制荷载之一[1，2]。现行的《建筑结构荷载规范》[3]对简单的单体建筑的体型系数有相关规定，而对于处于复杂周边条件下的高层建筑风荷载并未涉及。数值模拟和风洞试验是开展待建建筑风荷载研究的主要手段，收到现有数值模拟技术的局限性，目前主要是通过风洞试验确定结构设计风荷载[4]。

济南历下区金融商务服务中心位于济南市历下区经十东路，其主要功能以办公为主，兼含金融机构的商务及其他用途。由两栋塔楼构成，A塔楼高193.8米，B塔楼高140.2米，A、B塔楼由裙楼连接。按我国《建筑结构荷载规范》[3]，济南地区50年重现期、10米高度处、10分钟平均的基本风压为。

本文以济南历下区金融商务服务中心A塔楼为对象，研究在有周边干扰作用下的高层建筑风荷载特性，成果可为其抗风设计提供依据，同时可为其它类似工程提供参考。

2.1 试验概况

试验是在湖南大学建筑与环境风洞实验室进行的。该风洞为直流式矩形截面边界层风洞，试验段截面尺寸为3.0m（宽）×2.5m（高），风速范围在0～20.0m/s内可调。流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于1%、湍流度小于0.46%、平均气流偏角小于0.5度。地貌类型按国家《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[3]的C类地貌考虑，地貌粗糙度系数。在实验之前，以粗糙元、挡板和二元尖塔来模拟C类地貌的风剖面及湍流度分布，如图1所示模拟结果与目标值吻合的较好。

2.2 试验模型与测点布置

试验模型是用ABS板制成的刚体模型，具有足够的强度和刚度。模型与实物在外形上保持几何相似，缩尺比为1：300，高度为64.6cm。试验模型外表开设许多风压孔，并将模型内部挖空，装设测压管，最后将模型安放在风洞试验段，并将测压管接至电子式压力扫描阀，对建筑物幕墙表面风压进行测量。周边环境模型比例也为1：300。将模型固定在风洞试验室的转盘上，主体模型置于转盘中心，相对位置如图2及图3所示。

为了测取幕墙上的风压分布，在模型外表面上共布置了个370测点。风洞试验时，每一个风向测量一组数据。风向角间隔为15°，逆时针旋转，风向角的定义如图3所示，总共有24个风向。试验时，对每个测点，采样时间为32秒，采样频率为312.5Hz，试验控制风速为10m/s。

2.3 数据处理

模型试验中以压力向内（压）为正，向外（吸）为负。表面各点的风压系数由下式（1）：

式中：cpi（t）是试验模型上第i个测压孔所在位置的风压系数，pi（t）是该位置上测得的表面风压值，p0和p∞分别为参考点处测得的平均总压和平均静压。

脉动风压可通过公式（2）来求得脉动风压均方根值Cprms：

3 结果分析

3.1 围护结构设计风荷载

围护结构设计风荷载可通过两种方法获得，其一就是根据现行荷载规范给出的围护结构风荷载（见规范8.1.1-2）；另外一种方法就是根据风洞试验结果，根据概率理论进行计算，如式（3）和（4）。本文根据第二种方法，给出了用于覆盖层设计用的风荷载设计值，图4和图5分别给出了用于围护结构设计用的极值峰值风压和极小值峰值风压分布图。从图4可以看出，由于建筑角部幕墙为悬伸构造，受到正面的正风压和背面负风压的共同作用，局部设计风压较大；顶部幕墙也是类似影响，其风压较大。从图5可以发现，受到东面建筑和B塔楼的干扰作用，形成峡谷风效应，导致东立面（如图5b）和西立面（如图5d）出现较大的负风压。对比图4与图5不难看出，在双面受风区域正风压起控制，而对于中间区域墙面负风压起主导，因此在进行幕墙结构设计时应采用包络设计法以保证幕墙结构安全。