典型超高层建筑风荷载幅值特性研究

本文对10个典型的超高层建筑刚性模型进行了测量表面风压的风洞试验,获得了各测量层的阻力、升力和扭矩系数的平均值和根方差。讨论了各测量层风荷载系数随风向角的变化规律,以及高宽比和断面长宽比对方形及矩形建筑风荷载的影响。结果表明,倒角方形、Y形和三角形建筑的风荷载均小于方形与矩形建筑;方形建筑高宽比的增大导致升力系数的根方差明显增大;矩形建筑断面长宽比的增大则使阻力系数的平均值、根方差减少,而升力系数的根方差增大;D类和B类风场中的平均气动力系数相近,而D类风场中脉动气动力系数的根方差大于B类风场。     

超高层建筑风荷载的试验研究

超高层建筑的风致振动是结构设计的主要控制因素之一。但目前对横风向风荷载的研究远不能满足工程应用和规范制定的需要。本文应用高频动态测力天平技术,对常见的１３种典型断面的超高层建筑模型进行了不同风场条件下的风洞试验,研究了其风荷载,特别是横风向风荷载。结果表明,外形和风场对风荷载有很大的影响,而长细比对无量纲风荷载的影响甚微。本文最后给出的一阶横风向广义风力系数谱的拟合公式,可供规范修订参考。     

锥形超高层建筑脉动风荷载特性

采用同步测压技术,进行了具有不同锥率的超高层建筑刚性模型风洞试验,对该类建筑物的脉动风荷载特性进行了研究。结果表明：超高层建筑采用锥形轮廓后,延长了来流在建筑物侧风面漩涡脱落的卓越频率,横风向升力系数功率谱谱峰小幅下降,有利于缓解风荷载作用下建筑物横风向风荷载及其风致效应,这对横向风风致效应起控制性作用的超高层建筑十分重要。对比分析表明：随着建筑物锥率的增加,横风向升力系数归一化功率谱谱峰下降,功率谱带宽增大,升力系数根方差减小。但是,超高层建筑锥率的变化对顺风向阻力及扭转向扭矩影响较小。锥形超高层建筑的相关系数、相干函数的变化规律与普通棱柱形超高层建筑基本一致,但其升力以及升力与扭矩之间的相关性有所减弱,相干系数小幅增加。     

有大型中庭空间的超高层建筑风荷载试验研究

某超高层建筑高228m,在建筑中部设置大型中庭空间用于建筑的自然通风和采光等。对该建筑进行了风洞模型试验,根据试验结果分析了中庭内风压分布的特点、相关性及概率特征,并对比了有无中庭情况下结构的整体风荷载。结果表明:中庭内风压分布均匀,相关性高,其概率特征可按高斯分布进行处理,中庭的存在对结构整体风荷载没有影响。根据试验结果,并结合规范的分析,给出了中庭内风压的局部体型系数和阵风系数。     

基于极值相关性的超高层建筑风荷载组合研究

为研究不同长宽比超高层建筑三维风荷载组合,通过高频测力天平风洞试验得到了5种长宽比的矩形超高层建筑基底剪力、弯矩和扭矩时程。基于试验数据和计算结果,分析了三维风荷载效应的分布及其极值相关性。在此基础上,对比分析了不同长宽比的超高层建筑顺风向与横风向、顺风向与扭转向以及横风向与扭转向之间的风荷载效应极值分布规律和统计参数。最后,采用概率统计方法评估了不同长宽比对结构三维风荷载组合系数的影响,并给出了一组基于极值相关性分析的结构三维风荷载组合系数推荐值。结果表明:对于超高层建筑,虽然不同方向风荷载效应之间相关系数可能很低,但其三维风荷载效应极值相关性不可忽略;以横风向或扭转向为主方向进行组合时,其余方向同步比值存在明显的非高斯分布特性;对于不同长宽比超高层建筑,其极值相关性的差异会导致组合系数存在差别,在确定风荷载组合方法时,应考虑长宽比的影响。     

三维山体风场特性的风洞试验研究

通过风洞试验对5种坡度的山体模型进行风速测试,对典型陡坡山体的风场特性进行了三维的、细致的研究,并将5种坡度山体山顶和后山脚位置的加速比进行了比较,还将典型陡坡山体山顶位置的加速比与国内外规范进行了比较。最后基于典型陡坡山体风场分布特性,对山地建筑的选址提出了建议。     

椭圆形双塔高层建筑风效应试验研究

多塔建筑的风荷载效应不同于单塔建筑,相互间存在风力相互干扰的群体效应,上风向建筑风尾流对下风向建筑存在增大效应.本文通过风洞试验,得到椭圆形高层建筑的风荷载效应、风荷载体型系数、风荷载相互干扰的增大系数,以供工程借鉴.     

周边建筑干扰下超高层建筑的风荷载幅值特征

以上海陆家嘴地区的环球金融中心为研究对象,根据刚性模型测压风洞试验结果,研究在周边建筑干扰下,超高层建筑的表面风压系数和各层风力系数的幅值特征。研究发现:当密集建筑群位于环球金融中心上游时,会使其下部被遮挡面的正压力均值减小,甚至可能变成负压力,而对压力根方差的影响比较复杂,有可能使其增大2～3倍,也有可能使其减小;当金茂大厦位于环球金融中心上游时,会使其被遮挡面的正压力均值减小,甚至可能变成负压力(绝对值有可能会增大1倍),也可能使其被遮挡面的压力根方差增大1～2倍;当金茂大厦和周边密集建筑群位于环球金融中心的下游时,风压幅值的干扰效果不太明显;当金茂大厦位于环球金融中心上游时,对其中下部各层风力系数幅值影响较大,而在上游金茂大厦和密集建筑群的共同干扰下,环球金融中心下部的风力系数幅值非常紊乱。研究为超高层建筑在周边建筑干扰下的玻璃幕墙和结构抗风设计等提供参考。     

大型球体建筑的风荷载设计研究

杭州国会中心建筑造型复杂,包含了大跨屋面和球体主楼.我国现行的荷载规范对这两种体型都没有给出风荷载,对于这种复杂结构的风振系数也没有给出相应的数据和计算方法.文章以该项目为例,采用风洞试验来测定该建筑的风荷载,并进行主体结构风振系数的有限元计算.初步探讨了复杂体型建筑的风荷载设计问题,对类似体型建筑的风荷载设计具有借鉴意义.     

典型超高层建筑风荷载频域特性研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行了测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转风荷载,对风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数进行了细致分析。得出以下结论:方形建筑阻力系数谱的峰值频率基本上与来流纵向风谱保持一致,升力系数谱的频带随着地面粗糙度的增大而变宽,能量减小,扭矩系数功率谱的能量随紊流度的增加而增加;矩形建筑长边迎风时,升力和扭矩系数谱均表现出很强的旋涡脱落特征,斯特罗哈数约为0.11,短边迎风时,升力和扭矩系数谱的频带明显变宽,峰值频率降低;升力和扭矩系数的相关性比较强,而阻力系数和升力系数、扭矩系数之间的相关性则相对小些;在旋涡脱落频率附近,升力系数和扭矩系数的相干性都明显增强。     

超高层建筑群风荷载干扰效应数值模拟

针对超高层建筑群体的风荷载干扰效应问题,采用计算流体动力学方法,建立了多种典型干扰工况的超高层建筑模型进行风荷载分析,其结果显示出明显的干扰效应,分析结果对于类似工程具有一定的参考意义。     

弧形超高层建筑的抗风设计研究

进行了弧形超高层建筑的模型风洞试验,获得了风荷载体型系数、基础等效静风荷载及结构顶部风致加速度响应,并将其与规范相关值进行了对比,所得结果为其他建筑的抗风设计和风洞试验提供技术参考。     

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。     

地貌对高层建筑(群)风效应影响数值分析

高层建筑(群)风效应与地貌条件相关,分析掌握其内在关系是建筑布局规划和抗风设计的重要前提。基于雷诺时均模拟方法(RANS),引入具有分离流预测优势的SST k-ω湍流模型,以某高层建筑单体及群体风场为对象,模拟4类地貌条件下的风效应场,侧重分析人行高度(2m)风速场以及建筑立面的风压分布特性。分析结果表明,地貌除对人行高度的风速场影响明显外,对高层建筑表面风压系数影响也较为可观,实际工程应适当考虑地貌效应。     

3栋典型超高层建筑气动荷载特性及风振控制措施

广州西塔(GWT)、深圳京基100(KK100)和天津高银117大楼(TJ117)是位于不同地域和外形特征不同的超高层建筑,其建筑高度分别为432.00、441.80 m和596.25 m,风荷载和居住者的舒适性是影响这3栋建筑结构设计的重要因素。采用模型的风洞试验方法分析对比这3栋超高层建筑的气动荷载特性,采用局部空气动力学措施(LAS)对其风振响应和风致荷载进行控制,并和采用调质阻尼器(TMD)方法的控制效果进行比较。结果表明：TJ117具有最佳的气动外形,GWT相比最差是由于其在敏感风向斯托罗哈数最高导致在100 a重现期风速处于涡激共振状态,从而使得采用LAS在GWT上的减振效果最好,且在控制风致荷载上LAS的控制效果甚至要略好于TMD方法,LAS对于GWT的10 a重现期加速度的控制在无干扰情况下可以接近TMD的控制效果,即使受到东塔干扰作用,其控制效果仍可达到TMD控制效果的40.5%,相比TMD实施所需的高成本,LAS是一种较为经济易行的方法。     

超高层建筑的风荷载及风能发电应用研究

珠江城商务写字楼高309.6m,在大楼中上部安装有4个风能发电机进行风能发电,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。对该建筑进行了大比例尺(1∶150)模型的风洞试验,根据试验结果计算了该结构的基底等效风荷载,分析了吸风口附近和各立面风压分布的特点、吸风口内风速放大的特点以及高层建筑中应用风能发电的可行性,并将基底等效风荷载与小比例尺模型的风洞试验结果进行了对比。结果表明:根据不同比例尺模型的风洞试验结果计算的基底等效风荷载会有所不同;在超高层建筑中开设吸风口应用风能发电,对减少结构总体风荷载是有益的,但风机运行时,吸风口内测点极小值风压比无风机时最大增加65%。在超高层建筑中应用风能发电是一种开创性的策略,在超高层建筑中可获得比10m高度处大29.5倍的风能,但要充分利用高层建筑进行风能发电需进行深入研究。     

CAARC高层建筑标准模型层风荷载谱数学模型研究

用风洞试验方法在B、D两种地貌下研究了CAARC高层建筑标准模型在不同高度处的顺风向和横风向风荷载的功率谱特性和相干特性。结果显示:不同高度的无因次风荷载功率谱密度具有较好的一致性;在顺风向,不同高度风荷载间的相干特性显示出指数式的衰减规律;在横风向,风荷载在漩涡脱落频率附近有很强的相关性,相干函数值接近于1。根据风荷载沿结构高度变化的特征,进一步采用拟合方法确定了各层风荷载的功率谱密度和层间荷载相干函数的经验公式,建立了层风荷载谱数学模型,并给出了以此为基础计算标准模型风振响应的计算流程。将按照本文模型计算得到的广义力功率谱与高频底座力天平试验的结果作比较,结果吻合较好,证明了本文所提出模型的正确性。     

An experimental study on the wind pressure distribution of tapered super high‐rise buildings

Studies on the effect of different shape strategies on wind‐induced responses of super tall buildings have been extensive. However, little systematic research on the influence of aerodynamic shapes on wind pressure distributions of super high‐rise building having a height more than 500 m is reported in the literature. In this paper, a series of wind tunnel tests are conducted on models simulating tapered buildings taller than 500 m with an aspect ratio of 9:1 by applying synchronous pressure measurement technology to investigate the influence of different shape strategies on the wind force coefficients of the cross section (C_s) and on the peak negative pressure distributions on surfaces. The shape strategies considered include tapering of the cross section of a building along its height, chamfered modification, and opening ventilation slots. It is found that the wind force coefficient C_s increase with an increase of the tapering ratio. It is shown that chamfered modification can effectively reduce most of the wind force coefficients C_s to less than 0.9. As for peak wind pressures, a zone having a higher negative pressure is found to locate at the bottom of the side faces of the model. With an increase of the tapering ratio, the peak negative pressure of side faces of the model slightly decreases. Chamfered modification can significantly increase the peak negative pressure at the chamfered location. Furthermore, it is demonstrated that opening ventilation slots had less effect on C_s, but the peak negative pressure can significantly increase at the area of opening ventilation slots and adjacent areas.     

高层建筑的等效设计风荷载与风振响应研究

基于某典型高层建筑详细的风洞试验结果,计算分析了该结构的基础等效静风荷载及结构顶部峰值加速度响应,与前期的风洞试验结果相对比,评估了不同风洞试验条件和周边建筑对试验结果的影响,获得的结果可以用于此结构的抗风设计以及居住者舒适度评估。