不同断面宽度群体高层建筑的动力干扰效应(第2部分 横风向响应)

采用本文第1部分所介绍的试验技术和软件分析工具,研究了不同宽度比(Br)的两个和三个建筑物间的横风向动力干扰效应。和顺风向响应分析一样,处于斜列的上游施扰建筑的尾流同样是引起受扰建筑横风向响应增大的主要原因,但试验结果同时也显示,当施扰建筑和受扰建筑处于并列和串列时,也会使受扰结构的横风向响应显著加大。在B、D两类地貌下,和受扰建筑大小一样的两个施扰建筑的干扰因子(IF)会比单个施扰建筑情况分别高出80%和25%。小宽度的上游建筑在低风速时就会产生涡激共振而产生较大的IF值,尤其要指出的是位于(3.1b,0)上的Br=0.5的施扰建筑物在B类地貌下和较低的风速下会产生高达7.09的IF值。粗糙化地貌的高湍流度会对上游施扰建筑尾流的旋涡形成产生一定的抑制作用,故在D类地貌下的IF值要远小于B类地貌情况,但在D类地貌下观察到的IF值仍有1.83。     

小截面建筑干扰下的高层建筑气动力及风致响应研究

上游来流经小截面施扰建筑可产生频率较高的漩涡,在较低的风速下会使受扰建筑发生涡激共振而受到较大的干扰作用。为此,通过同步测压风洞试验和风振响应计算,详细分析上游施扰建筑与下游受扰主建筑的截面宽度比为0.4时的受扰建筑基底气动弯矩、基底峰值弯矩响应以及结构顶部峰值加速度的干扰效应。结果表明：在B类和C类地貌风场下受扰建筑基底平均和脉动气动弯矩均表现为遮挡效应和弱放大效应,最大干扰系数仅为1.05;顺风向、横风向基底峰值弯矩响应和顶部峰值加速度的干扰效应都较基底平均和脉动气动弯矩的强;结构顶部峰值加速度的干扰效应明显强于基底峰值弯矩响应,其中在B类和C类地貌风场下的横风向峰值加速度均在串列位置(2b, 0)附近处呈现强放大效应,最大包络干扰系数分别为4.7和3.03。进一步对尾流涡激共振的干扰机理研究表明,基底峰值弯矩响应和结构顶部峰值加速度响应的放大效应干扰机理是一致的。对于受小截面施扰建筑影响的情况,仅分析气动力的干扰效应是不够的,必须考虑不同折算风速下的荷载响应包络干扰效应。     

Interference effects on aerodynamic and wind-induced responses for an upstream interfering building with small section size

上游来流经小截面施扰建筑可产生频率较高的漩涡，在较低的风速下会使受扰建筑发生涡激共振而受到较大的干扰作用。为此，通过同步测压风洞试验和风振响应计算，详细分析上游施扰建筑与下游受扰主建筑的截面宽度比为0.4时的受扰建筑基底气动弯矩、基底峰值弯矩响应以及结构顶部峰值加速度的干扰效应。结果表明：在B类和C类地貌风场下受扰建筑基底平均和脉动气动弯矩均表现为遮挡效应和弱放大效应，最大干扰系数仅为1.05；顺风向、横风向基底峰值弯矩响应和顶部峰值加速度的干扰效应都较基底平均和脉动气动弯矩的强；结构顶部峰值加速度的干扰效应明显强于基底峰值弯矩响应，其中在B类和C类地貌风场下的横风向峰值加速度均在串列位置(2b, 0)附近处呈现强放大效应，最大包络干扰系数分别为4.7和3.03。进一步对尾流涡激共振的干扰机理研究表明，基底峰值弯矩响应和结构顶部峰值加速度响应的放大效应干扰机理是一致的。对于受小截面施扰建筑影响的情况，仅分析气动力的干扰效应是不够的，必须考虑不同折算风速下的荷载响应包络干扰效应。     

任意排列双柱体的风致干扰效应

研究了5种不同宽度和5种不同高度比的两个正方形截面柱体间在不同地貌类型下的静力和动力干扰效应。结果显示,不同宽度比的施扰物体的动态干扰效应存在较大的差异,且宽度比受扰物体小的施扰物体在较低折算风速下会诱发涡激共振问题而产生较为严重的动力干扰效应,这个结果也澄清了已有文献的一些错误的结论。回归分析发现不同配置间干扰因子所存在的相关性并得到可以描述不同因素对干扰效应影响的定量关系,这些结果在很大程度上简化了干扰效应研究结果描述的繁杂性,同时使结构在受扰后的风荷载取值更趋于简洁和合理。文中根据对于试验数据的归纳分析结果,提出了一些可供规范修改时参考的建议。     

并列布置超高层建筑间的风压干扰效应

在边界层风洞中使用同步测压技术详细研究了双并列和三并列超高层建筑在不同间距下建筑各个立面风压的分布特征并用干扰因子IF(定义为建筑受扰后的风压值和相应单体情况的风压值之比)来描述施扰建筑的干扰影响。结果显示:双并列建筑相临立面的平均风压和峰值风压最大干扰因子(IFmax)具有高度的线性相关性,且IFmax随建筑间距而单调衰减。总的说来,两个施扰建筑的干扰效应高于单个施扰建筑的干扰效应,由回归分析得到的反映双并列和三并列建筑侧立面IFmax随并列间距比变化的经验关系式具有较高可信度。对于背风面,两个施扰建筑的干扰产生的放大效应明显大于单个施扰建筑,单个和两个施扰建筑可使受扰建筑背风面平均风压系数分别升高16%和36%、并使迎风面和背风面的总压差系数分别增加5%和13%。     

高层建筑群静力干扰效应的试验研究

采用力天平技术 ,用风洞试验方法研究了 5种不同高度和宽度比的一个和两个施扰建筑物在不同间距和地貌条件下对受扰建筑的静力干扰影响。分析中采用神经网络、统计分析等方法对不同影响因素进行分析和对比 ,采用了一种比较简洁的方式 ,描述三个建筑物间的风致干扰特性 ,解决了三个建筑物的静力干扰效应难以表示的难点。结果显示 :对于顺风向静力干扰而言 ,干扰因子基本都小于 1,呈现遮挡效应。但同时也发现 ,由于狭管效应 ,处于并列布置时的某些配置的最大干扰因子值可高达 1 2 ,即此时结构在受扰后的平均荷载有可能比其孤立状态增加 2 0 %。一般情况下 ,遮挡效应随施扰建筑物的宽度的增大而增大 ,但狭管效应也会随之增强。高度比小于 0 5的施扰建筑的影响可以忽略不计 ,对干扰效应有较明显影响的高度比在 0 5～ 1 0之间 ,高度比超过此范围的建筑物的遮挡影响基本和高度比为 1的一致 ,但狭管效应则会更为明显。     

开洞超高层建筑的风致内压干扰效应

为研究超高层建筑风致内压的干扰效应,在不同干扰工况下对一典型开洞超高层建筑进行了内压风洞试验。分析了不同截面宽度、不同高度施扰建筑干扰下的平均与峰值内压干扰因子的分布规律,并通过功率谱分析,研究了有、无干扰建筑时脉动内压的能量分布。结果表明:有、无干扰下的超高层建筑风致内压近似服从高斯分布;串列布置时,随着施扰建筑与受扰建筑的截面宽度比的增大,内压干扰因子逐渐减小;在并列布置且侧面开洞时,平均与峰值内压均呈放大效应,且干扰因子随着宽度比的增大而随之增加,峰值内压干扰因子最大值为1.33,此时若并列间距较小时,旋涡脱落共振峰值消失,但Helmholtz共振峰值能量会被大幅提高;当串列布置且施扰建筑高度与开洞所在高度相近时,侧面开洞受扰建筑的峰值内压始终被放大,峰值内压干扰因子最大值为1.12。     

某群体超高建筑的尾流激励效应及其减缓策略

群体超高层建筑产生的尾流激励可能会明显增大下游建筑的结构风振响应而影响居住者的舒适性。文章以某位于华南海边的4栋高度在200m左右的超高层建筑群体为例，采用高频底座力天平方法对其中位于主导风向的上游建筑(T1和T2)对下游建筑(T3和T4)的风致干扰效应进行详细的风洞试验研究，分析了不同建筑相对布局以及建筑平面形状对尾流干扰效应的影响。结果表明：上游施扰建筑产生的尾流会使得下游受扰建筑加速度响应显著提高，相比单体情况，上游只有T2时可使T3和T4的峰值加速度分别增大167.2%和151.8%；逆时针旋转T3可以显著减小其峰值加速度，在旋转角度为18.5°时，10年和1年重现期峰值加速度比原布局分别降低了30.4%和64.4%；旋转上游T1的最佳工况可使T4的峰值加速度降低30.1%，但同时会增大T3的加速度响应；采用旋转T3和改变T4截面形状可以使得整个建筑群的风振加速度处于可接受和可进一步控制的范围。     

上游干扰作用下高层建筑迎风面风压双峰分布特征数值模拟研究

在上游建筑干扰作用下,受扰高层建筑迎风面部分测点表现出正负压交替出现的现象,对应风压系数概率密度函数呈双峰分布特征。采用大涡模拟技术对上述现象进行数值模拟研究,并将模拟结果与风洞试验结果进行对比分析,以验证其有效性。研究结果表明,上游施扰建筑两侧的尾流脱落旋涡可演变成交替作用于受扰建筑迎风面的涡团,这些涡团与背景来流共同作用,在建筑表面形成正负压交替出现的风荷载。针对风压双峰分布特征,建立风压信号混合分布模型,该混合模型由与正压成分对应的高斯分布模型和与负压成分对应的广义极值分布模型组成,模型中的位置参数、尺度参数和权重都对整体风压分布特征有显著影响。相关研究可用于非高斯风压信号的极值评估及建筑围护结构风致破坏机理的分析。     

高压输气管道穿越河流的结构动力学分析

长距离高压输气管道常常由于自然条件限制而穿越河流,在服役中还会因人为生产活动或地质灾害造成地貌的改变而形成穿越河流现象。高压输气管道在水流尾流旋涡的作用下产生涡激振动,对管道结构的运营造成安全隐患。首先采用流体Fluent有限元软件模拟了高压输气管道在不同流速下的绕流,获得了涡激升力系数。然后将流场分析中提取的涡激升力作为动态边界条件,利用Ansys有限元软件对高压输气管道的涡激振动现象进行了动力学分析。获得了固支条件下管道的动态应力响应、频响曲线,计算了不同约束条件下避免发生共振时的临界长度。本文提供的方法和结论对高压输气管道结构的风险评估、工程设计和防灾减灾具有重要参考价值。     

Across‐wind dynamic response of high‐rise building under wind action with interference effects from one and two tall buildings

Systematic studies on the across‐wind dynamic interference effects on two and three tall buildings are presented in this paper. It is found that surrounding and upstream interfering building(s) can significantly affect the across‐wind load on the interfered principal building. Generally speaking, two interfering buildings can cause more adverse dynamic effects on the principal building than a single one does. The results show that the maximum interference factor (IF) among three buildings increases 80% over that between two buildings in terrain category B which has been defined in Chinese load code for design of building structures; a noticeable difference of 29% of IF is also observed in terrain category D. Vortex shedding from the upstream buildings can lead to vortex‐induced resonance, resulting in excessive across‐wind loads on the downstream building. Although interference effects in terrain category D are much smaller than those in exposure category B, the maximum IF is found to be 1·83 in the case of three buildings with the same size in terrain category D and 2·27 in other configurations. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

高湍流度下超高层建筑的风致振动响应特性

在较高湍流度流场用高频测力天平方法对金茂大厦模型进行了风洞试验,分析了周围建筑以及待建的环球金融中心对金茂大厦的基础平均风荷载、气动风荷载和风振响应的影响和干扰效应。结果表明:湍流度对静风荷载影响甚少,但对动力风荷载以及风振响应影响很大;总的来说,D类流场下的结构抖振效应要明显高于B类地貌情况。环球金融中心对金茂大厦有很大的静力遮挡影响,同时也增大了其风振响应和总的风振荷载,其中对总风振荷载的干扰效应随着湍流度的增加而降低,但在D类地貌下且梯度风高度处的湍流度为15.8%时的干扰因子依然较为明显,干扰效应并没有消失。     

任意排列两方形断面高层建筑风致干扰机理研究

风致干扰效应是高层建筑群抗风设计中的常见难点问题之一。采用刚性模型测压试验,研究了均匀层流和两种大气边界层风场条件下任意排列两方形断面高层建筑的风致干扰效应,通过平均和脉动基底弯矩系数的干扰因子、风力系数、风压系数分布以及风荷载功率谱的研究,解释了其风致干扰效应的机理。结果表明,任意排列的两方形断面高层建筑风致干扰中,至少存在横风向静力干扰、顺风向静力干扰和横风向动力干扰三个值得注意的干扰区域。 窄道形成的加速效应使受扰结构上形成指向施扰建筑横风向平均吸力和阻塞形成的受扰建筑的横风向平均推力;遮挡效应使得受扰建筑承受指向位于上游的施扰建筑的顺风向风力;漩涡叠加增强位于尾流区受扰建筑上的横风向脉动荷载。不同风场的试验结果表明,提高来流的紊流度有助于减弱上述干扰效应。     

群体高层建筑的峰值风压分布特征

基于同步测压技术,研究了不同宽度比和不同高度比（记为Br和Hr,分别表示施扰和受扰建筑的宽度与高度之比）的2个高层建筑在串列、斜列和并列布置时峰值风压干扰效应。结果表明：邻近施扰建筑的侧面峰值风压主要呈现放大效应,且宽度比越大（Br≤1时）,高度比越大,放大效应越明显,立面最高负风压系数绝对值可升高30%。迎风面放大效应区则主要集中在施扰建筑位于横风向间距为3b(b为受扰建筑的迎风宽度)的迎风区域内,立面最高正风压系数可升高40%。当串列间距较小且高度比小于1（Hr=0.8）时产生的三维绕流现象可使得受扰建筑侧面局部风压升高61%,迎风面边缘局部风压升高24%。并列布置时产生的峡谷效应引起足够的重视,试验测得最大干扰因子可达2.13且随并列间距的增大而减少,当并列间距超过9b时峡谷效应才渐趋消失。由试验结果回归得到的并列布置时的侧立面最大峰值风压干扰因子随并列间距变化的关系式具有较高可信度。     

尾流受扰下复杂体形高层建筑的风压分布特性

本文结合汕头粤东信息大厦的风洞试验,详细分析了复杂结构断面建筑物在其尾流受到下游结构干扰下的风压分布特性。试验表明:处于受扰物体尾流边界上的施扰物体可以降低来流在受扰物体上的分离速度,从而使最大负压系数降低。当施扰物体处于被扰物体尾流边界的某些位置时,被扰物体表面的最大负压系数受到显著影响,最多可降低45%。文中还对典型断面结构进行了进一步的试验研究,在验证以上的结论同时,试验结果也显示,施扰建筑位于被扰结构临近的较大区域,其风压增大15%以上,最大可增大39%。本文所得的一些结论可为相应的工程提供参考。     

The effect of plan ratios on wind interference of two tall buildings

Tall buildings are vulnerable to lateral loading. The facades of these buildings are susceptible to wind loads. It is very difficult to assess the wind condition around the tall building in the presence of other surrounding buildings due to the wind interference effect. An experiment is carried out in the Boundary Layer Wind Tunnel at Tokyo Polytechnic University, Japan, to study the wind interference effect on tall buildings with varying plan ratios. The maximum and minimum local peak pressure coefficient contours on front face of the principal building are plotted. The interference effect is quantified in terms of interference zone charts. It is observed that interference zones extend over a larger area as the building plan ratios increases. The minimum interference factor depends on the plan ratios of the interfering building especially along the oblique direction. The results of this study may be useful for the preliminary design of cladding of tall buildings with interfering buildings.     

超高层建筑间的干扰效应:建筑外形的影响及干扰因子分布的相关特征

采用高频底座力天平方法,研究了不同断面形状的施扰建筑对一正方形断面受扰建筑的静力和动力干扰影响,分析了正方形断面施扰建筑和正方形切角断面施扰建筑的干扰效应的相关性。结果显示:施扰建筑结构断面的特征尺寸对其所产生的干扰响应起着关键性的作用,当施扰建筑的特征尺度相同时,切角和正方形截面施扰建筑的包络干扰因子(EIF)分布存在明显的相关性,并由此得到了一类特征尺寸相同的不同断面施扰建筑对包络干扰因子分布影响的回归关系(相关系数大于0.91,回归余差小于0.08),较大程度地简化了干扰响应研究结果的繁杂程度,简化了受扰建筑的荷载取值过程。     

高层建筑风致扭转荷载的干扰效应研究

在相邻建筑物的干扰下,受扰高层建筑的风荷载与其在孤立状态下相比会有较大的变化。本文采用动态测力天平技术,通过模型风洞试验研究了方形截面高层建筑在周边另一个同样建筑的气动干扰下,其平均、脉动和峰值扭转风荷载的干扰效应,分析了建筑物间距、风场和风向角等参数的影响。研究表明,高层建筑扭转荷载的干扰效应很显著,B类风场0°风向角下,峰值扭矩干扰因子IFp可达2.1,45°风向角下更可高达3.5。最后通过分析受扰模型的基底扭矩谱讨论了上游建筑旋涡脱落的影响。