Wind tunnel test and field measurement study of wind effects on a 600‐m‐high super‐tall building

Ping An Finance Center with a height of 600 m and 118 storeys, located in Shenzhen, is currently the second tallest building in China. This paper presents a comprehensive study of wind effects on the supertall building through wind tunnel testing and field measurement. The wind‐induced loads and pressures on the skyscraper were measured by high‐frequency force balance technique and synchronous multipressure sensing system, respectively. In the wind tunnel study, a whole range of characteristic properties, including mean and r.m.s force coefficients, power spectral densities, coherences, correlations, and phase‐plane trajectories, wind‐induced displacement, and acceleration responses were presented and discussed. In addition, a field measurement study of the dynamic responses of Ping An Finance Center was conducted during a tropical cyclone, which aimed to verify the design assumptions and further the understanding of the dynamic properties and performance of the 600‐m‐high supertall building, including natural frequencies, damping ratios, and wind‐induced structural responses. Then, the serviceability of the skyscraper is assessed on the basis of the experimental results and field measurements. The outcomes of this combined model test and field measurement study are expected to be useful for the wind‐resistant design of future supertall buildings.     

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。     

典型拱形壳体风荷载分布规律

进行了2种典型拱形壳体结构刚性模型内外表面同步测压风洞试验,分析了拱形壳体结构体型系数与脉动风压系数的分布规律,比较了底部开口/闭口和两端封闭/开放不同状态对风压分布的影响.结果表明:底部开口与端部条件对结构风压分布影响很大,采用弧面封闭两端可以有效的降低结构端部的风压同时使得结构表面风压分布更加均匀,当底部开口较小时...     

武汉体育中心体育馆表面风压的风洞试验研究

介绍了武汉体育中心体育馆风洞试验模拟方法和试验结果,讨论了不同风向角下屋盖表面风压的分布,并得出风荷载的分布规律。在考虑了上游有建筑物影响的情况后,分析了周围建筑对屋盖表面风压的干扰效应。围护结构的设计风压分别由我国规范和基于随机振动理论的标准方法计算所得,通过两种方法的比较,得到了若干结论。     

超高层建筑风致响应及等效静力风荷载研究

以重庆宾馆为工程背景,制作了缩尺比为1∶300的试验模型,并进行了刚性模型同步测压风洞试验,采集了重庆宾馆建筑表面的脉动风压时程。风洞试验包括有周边建筑和无周边建筑两类工况。采用风洞试验的脉动风压时程数据,考虑该高层建筑2个主轴方向的前4阶弯曲模态,进行了其风致响应研究,得到了建筑顶部的位移响应和加速度响应,并进行了人体舒适度验算。采用惯性风荷载法,研究了建筑主轴方向的等效静力风荷载。结果表明:对于高度为300m的混凝土高层建筑,仅考虑1阶模态进行风致响应分析,位移响应能满足工程精度的要求,但加速度响应误差较大,至少应考虑前4阶模态;重庆宾馆10年重现期下建筑顶部的峰值加速度为0.144m/s2,满足舒适度限制要求;横风向平均风荷载较小,但惯性风荷载较大。     

单个周边建筑对工业厂房屋面平均风压的气动干扰效应

工业厂房通常处于工业厂区内,受周边建筑的干扰,其表面风压分布与单个独立厂房不同,相邻建筑会对风荷载产生影响。基于单个厂房与两个串列厂房刚性模型风洞试验,给出了不同工况下屋面的平均风压,分析了屋盖横向、纵向端部与中部测点的平均风压分布规律,对比了不同串列距离条件下受扰厂房与独立厂房屋盖表面平均风压分布,探讨了平均风压系数干扰因子随风向角及干扰距离的变化规律。试验结果表明：不同风向角时,干扰效应截然不同;干扰效应存在临界风向角。临界风向角一般保持在 30°~50°范围内,小于临界风向角时,干扰起放大效应;大于临界风向角时,干扰为遮挡效应。此外,运用最小二乘法拟合了干扰因子设计值实用计算式,为受扰厂房建筑屋盖表面风压的修正提供依据。     

深圳电子科技大厦二期工程风洞试验研究

介绍了深圳电子科技大厦二期建筑风洞测压试验的结果。针对该建筑的实际形状和与周围其它建筑的关系 ,讨论了建筑表面在风洞试验条件下的风压分布特点 ,计算得出设计所需风荷载 ,为结构设计和外维护构件设计提供了参考依据。     

开合屋盖体育场风荷载特性试验研究

建筑立墙迎风面开孔时内部风压随开口处外压变化显著,使得屋盖所受净压显著增大,其测量值往往大于规范取值。而对于屋盖顶部开孔的建筑,其内部风荷载我国规范没有相应取值。为了进行开合屋盖结构设计和探讨屋盖顶部开孔对屋盖风荷载变化的影响,以1∶300的几何缩尺比制作了一个开合屋顶体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场固定、活动屋盖的上、下表面进行了风洞测压试验,得到了屋盖上、下表面的体型系数、平均风压系数、脉动风压系数和极值风压系数。试验结果表明：活动屋盖的开启,可有效减小固定屋盖和活动屋盖的平均风荷载,引发整个结构承受向下的风荷载;活动屋盖开启将增大固定屋盖和活动屋盖的净脉动风荷载;活动屋盖开启将减小固定屋盖和活动屋盖的极小值风荷载,且固定屋盖上的最大极小值风压系数的位置往屋顶开口方向移动。     

开洞门式刚架房屋风荷载的数值模拟

结合风洞模型试验对门式刚架房屋在不同风向来流风作用下的屋面风压进行了数值模拟分析．通过分析比较数值模拟结果和风洞试验结果发现,开洞位置和风向角对轻钢门式刚架的风压具有显著影响,当开洞的大小一定时,越接近屋面的位置,对建筑风荷载减小的程度越大,风向角在0°到90°的范围内,随角度的增大,屋面的减压效果越来越明显等相关结论。     

强台风“黑格比”登陆过程中近地风场特性

为准确研究低矮房屋的风载特性,基于建造在强台风"黑格比"登陆地点的低矮房屋原型实测房,对强台风"黑格比"登陆的全过程进行了监测,获取了在强台风登陆过程中近地风场及实测房屋表面风压的实测数据。通过对台风登陆过程的风速及风向、阵风因子、湍流度、湍流积分尺度和风速谱等参数的分析,研究了强台风"黑格比"登陆时的近地风场特性,同时介绍了实测房屋及测压系统。结果表明:强台风"黑格比"的最大瞬时风速达到56.7/s,10m in最大平均风速为40.2m/s;台风登陆前,风速及风向脉动变化很大;台风登陆后,湍流度及阵风因子明显减小;风速变大,阵风因子与湍流度有减小的趋势;实测风速谱与von Karman谱吻合较好。研究结果将增进对强台风近地风场的理解和认识,可为今后改进低矮房屋的抗风设计提供参考。     

无站台柱雨蓬结构平均风荷载研究

以某火车站无站台柱雨蓬改造工程为例,通过风洞模拟实验对雨蓬结构的平均风荷载规律进行了研究。讨论了在无周围建筑物影响和典型风向角下,各雨蓬单元的平均风压分布特点,特别对各雨蓬单元之间的风荷载相互干扰现象和机理进行了探讨和分析。结果表明,由于雨蓬单元间的相互干扰,各单元平均风荷载有很大的差别。有关结果可以为类似工程的平均风荷载设计提供指导和参考。     

大跨双层屋盖结构风洞试验与风振响应研究

对南太湖湿地奥体公园复杂体型体育场双层屋盖结构进行了风荷载的风洞试验与风致动力响应研究。屋盖由高低两个开口椭圆屋面叠合而成,两屋面之间设置观光走廊。利用风洞模型试验测定了双层屋盖上下表面的平均和脉动风压时程数据。通过计算分析得到了屋盖结构局部测点的极值风压以及平均风荷载整体合力与最不利风向角。然后基于有限元方法对该屋盖进行了风振响应的动力时程分析,获得了结构风振系数、等效静力风荷载的分布图以及考虑风振效应的最不利风向等数据和结论。     

Experimental investigations of the indoor natural ventilation for different building configurations and incidences

This paper presents an experimental investigation of the indoor natural ventilation in terms of wind pressures on the surfaces of cubic buildings of a street located within a high density urban area. Wind tunnel tests over 1:100 scale models for four typical building patterns of a highly populated urban area have been carried out. The variables of the experiments were the building configurations and the incident wind direction. The experimental data are presented in terms of wind pressure coefficient measured on the surfaces of the buildings. The study results gave the evidence that buildings configuration and wind direction are very important factors in determining the induced natural ventilation within urban domains since they characteristically influence the flow yielding differences in wind pressures.     

近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

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。     

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。     

基于风洞试验的高层建筑钢结构风致加速度研究

对钢结构高层建筑群中的典型狭长形建筑进行了表面风压的风洞模型试验,分别考虑了建筑为单体和群体的情况。利用试验获得的风荷载时程对该高层结构进行风振响应的动力时程分析,并着重对得到的与风致舒适度关联的加速度响应进行分析和讨论,对比群体效应对顺风向、横风向和扭转向峰值加速度的不同影响。结果表明,对于平面为狭长形的住宅钢结构高层建筑,扭转效应引起的风致峰值加速度不容忽略;而群体效应一般对结构的加速度呈增大趋势,而且对横风向及扭转向的增大程度通常大于对顺风向的程度。     

设有外镂空装饰结构的扭转体型高层建筑风荷载研究

对设有外镂空装饰结构的扭转体型高层建筑的风荷载采用风洞试验方法进行研究,分析扭转体型高层建筑风压和风荷载合力的分布特征,研究装饰结构对主体结构风压分布的影响、装饰结构自身内外表面的风压分布特点,比较有无装饰结构的扭转体型高层建筑风荷载合力。结果表明：扭转体型对主体结构的局部风压和扭矩产生较大的影响,但对主体结构X向和Y向风荷载合力的影响不大;装饰结构对主体结构迎风面和背风面的风压影响较小,但能明显减小主体结构侧风面风压的平均值和脉动效应,使得主体结构的极值负压得到降低,有利于围护结构的抗风设计;装饰结构上同一位置内外表面的平均风压非常接近,合成的净压值很小;装饰结构对于主体结构的平均风荷载影响较小,但降低了主体结构风荷载的脉动效应,对主体结构的抗风有利。     

高层建筑水平悬挑遮阳板风荷载的风洞试验研究

高层建筑悬挑遮阳板等小尺寸构件直接承受风荷载作用,在强风作用下的安全性备受关注。相对于建筑的整体尺寸,悬挑遮阳板很小,难以在缩尺模型上直接模拟,因此在实际工程的风洞试验研究中常常被简化或者忽略。研究中利用3D打印技术制作了精细化的有悬挑遮阳板的高层建筑风洞试验模型,并在打印遮阳板模型时直接预留测压管道,分析了水平悬挑遮阳板的风压分布规律及遮阳板对建筑立面风压的影响,并对基于建筑立面风压的悬挑遮阳板风压估计方法的估算误差进行了评估。研究结果表明：高层建筑水平悬挑遮阳板的最不利净风压的最大值出现在顶层遮阳板处;水平悬挑遮阳板的存在能较大程度地削弱建筑立面上的最不利负风压;悬挑遮阳板最不利风压可利用其上下两侧附近建筑立面测点的风压差近似估计,但对于建筑立面边缘附近的悬挑遮阳板端部以及建筑底部附近的最底层悬挑遮阳板上的最不利风压,这种方法的估算误差较大。     

风工程中地貌分类与地面粗糙度指数的研究与应用

风荷载是建筑结构的主要设计荷载。由于我国建设的迅速发展,原来的部分条文已不能适应当前实际工程的需要。地貌是影响风荷载值的重要因素,基于研究的进展和国外相关规范的接轨,《建筑结构荷载规范》风荷载中的地貌分类条文的修订已迫在眉睫。本文对地貌分类及与此密切相关的地面粗糙度指数作了详细的研究和分析。提供《建筑结构荷载规范》地貌分类修订作为依据。