山地风场中超高层建筑风荷载幅值特性试验研究

针对山地风场中超高层建筑风荷载特点,在1.4m×1.4m风洞中进行了11个不同高宽比、厚宽比矩形截面和圆形截面超高层建筑表面测压风洞试验,分析了阻力系数平均值、均方根值和升力、扭矩系数均方根值受来流风湍流度、建筑高宽比、厚宽比和层相对高度等因素的影响。结果表明：矩形截面建筑各气动力幅值特性明显随湍流度、建筑高宽比、厚宽比、层相对高度的改变而变化,而圆形截面建筑各气动力幅值特性仅随湍流度、层相对高度的改变而变化。根据风洞试验结果,建立了正方形截面和圆形截面风荷载幅值特性的数学模型,通过比较说明与风洞试验结果吻合较好,可为山地风场中的超高层建筑风致响应计算提供依据。图11表5参10     

矩形超高层建筑归一化横风向脉动风荷载谱模型

为研究超高层建筑横风向脉动风荷载谱特性，在B、D两类紊流风场中开展了不同长宽比矩形刚性模型测压试验。结果表明：横风向脉动风荷载特性主要受紊流风场、气动外形和旋涡脱落等因素影响，矩形柱截面的长宽比变化将影响功率谱幅值及能量分布。当矩形柱截面长宽比小于3时，横风向脉动风荷载谱特性主要受旋涡脱落控制，但当长宽比超过3后，矩形柱侧面分离再附流动的影响逐渐加强，具体表现在：功率谱峰值减小、带宽增大及高频区出现较小谱峰。根据风洞试验结果和矩形柱横风向脉动风荷载谱特性，提出了归一化横风向脉动风荷载谱模型，该经验公式物理意义明确、形式简洁，有一定的工程参考意义。     

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。     

外形几何参数对低矮建筑双坡屋盖升力系数极值的影响

对一系列低矮建筑双坡屋盖的刚性模型测压风洞试验数据进行了处理,研究了屋盖升力系数极值的特征,讨论了最不利屋盖升力系数随建筑外形几何参数的变化规律。研究结果表明,屋盖坡角的变化对最不利屋盖升力系数有重要影响：对高宽比相同的低矮建筑,屋面最大升力系数随屋盖坡角增大而减小,且建筑的厚宽比越大,这种趋势越剧烈;最不利屋盖升力系数随着建筑高宽比的增大而增大,但这种增大的趋势随着屋盖坡角的增大而减小。基于这些数据,用多参数最小二乘法将最不利屋盖升力系数拟合成了屋盖坡角、建筑高宽比和厚宽比的函数形式,并对拟合函数进行了误差分析。所得结论及拟合公式可为低矮建筑的结构设计及相关荷载规范的制订和修改提供参考。     

地貌类型和长宽比对平屋面建筑风荷载的影响分析

通过风洞试验研究了地貌类型和建筑物平面长宽比对平屋面建筑平均风压系数、均方根风压系数、极值风压系数、屋面平均升力系数的影响规律,研究结果表明:地貌类型对平均风压系数影响较小,对均方根风压系数、极值风压系数影响显著,对于与模型短边正交的风向角下,C类地貌下典型断面迎风分离区均方根风压系数最大值约为A类地貌的1.5倍,A、B、C类地貌条件下典型断面的再附点距迎风前缘的距离分别为0.7H、0.4H、0.3H(H为模型高度);建筑平面长宽比对风压系数的影响较小,增大沿风向方向的建筑物长度,屋面更多区域处于气流再附后区域,平均升力系数幅值减小;地貌类型和长宽比对屋面角部区域全风向极值风压系数影响较大,对中间区域影响较小,对于角部区域,C类地貌下的极值风压系数较A类和B类地貌的明显偏大,长宽比为2.5模型的极值风压系数明显较长宽比为1.5和2.0模型的大,增幅均在20%左右。     

圆角化方形截面高层建筑风荷载特性试验

对圆角率为25%的正方形高层建筑刚性模型进行了测压试验,并对其风荷载特性进行了研究;分析了三分力系数和基底力矩系数随风向角的变化规律,给出了阻力系数平均值、根方差值和升力系数根方差值拟合结果;分析了最不利风向角下的风荷载功率谱,并采用经验公式进行拟合;分析了体型系数并与规范中正方形体型系数进行了对比。结果表明:对正方形建筑角部进行圆角化处理能明显降低建筑风荷载,且消除了功率谱曲线谱峰尖而窄的单峰现象,从本质上改变风荷载特性,有利于主体结构的抗风设计;角部区域负压较大,对幕墙抗风设计不利。     

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。     

开阔地貌台风风场现场实测与风洞试验应用研究

基于100m高测风塔上风速仪的现场实测数据,获得了开阔地貌台风风场的平均风速剖面与湍流度剖面模型。在大气边界层风洞中准确模拟了台风风场和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)规定的B类风场,并通过一个大跨刚性模型测压试验,详细分析与对比了两类风场条件下大跨屋面风荷载分布规律特征。研究结果表明:在开阔场地条件下,台风近地边界层平均风速沿高度分布符合对数律,亦满足指数律,风剖面幂指数介于规范规定的A类风场与B类风场之间,平均湍流度比B类风场规定值大1倍;台风风场作用下,开阔地貌大跨结构屋面风荷载受湍流度的影响远高于受平均风速剖面的影响,体型系数随湍流度的增大而增大,屋面风荷载亦随之增大。     

不同长宽比高层建筑沿高度分布的风荷载

针对7种长宽比高层建筑进行刚性模型测压风洞试验,研究层阻力系数和层体型系数沿高度的分布特征,拟合获得层阻力系数和角度风分配系数公式,给出高层建筑x和y方向风荷载的计算公式,最后与各国规范的风荷载进行对比。研究表明迎风面的层阻力系数沿高度呈7字形分布,最大值出现在0.81～0.93建筑物高度;建筑顶部的层阻力系数较小,主要是受三维流效应影响;提出不考虑风振的矩形截面高层建筑风荷载沿高度分布的计算公式,该公式考虑了风向角、长宽比和地貌的影响,通过2520组试验数据验证了公式的有效性;各国规范迎风面风荷载沿高度呈指数或者对数变化,风洞试验值在顶部风荷载较小;背风面风荷载除GB规范呈指数分布以外,其他各国规范均沿高度不变,试验值沿高度基本不变;GB、ASCE和AIJ规范的整体风荷载和试验值比较接近,NBCC规范数值略小,而EN规范数值较大。     

均匀风场中矩形高层建筑脉动风力阻塞效应试验研究

基于同步测压技术,对阻塞度为4.1%、6.1%、8.4%和10.1%的矩形单体高层建筑模型在均匀风场中分别进行了阻塞效应试验研究。对比了各模型层脉动风力随高度的变化、层风力功率谱密度、相关性和相干性。研究结果表明:随着阻塞度的增大,层脉动阻力和升力系数均增大,升力系数增幅更为显著;层阻力功率谱在2倍斯托罗哈数处出现谱峰;层升力功率谱峰值更加突出,且斯托罗哈数有所增大;层升力的竖向相关性和相干性以及层阻力的竖向相干性均增强;而在建筑1/2高度以上的层阻力竖向相关性降低。     

矩形截面高层建筑的横风向基底弯矩系数均方根值研究

利用高频天平技术,在4种不同风场中对71种不同外形尺寸的矩形截面高层建筑刚性模型进行风洞试验,测得高层建筑横风向基底弯矩系数,考察建筑厚宽比、长细比及所处风场类型对高层建筑横风向基底弯矩系数均方根值的影响。试验结果表明,厚宽比的影响效果最显著,长细比的影响可以忽略不计,风场类型的影响随着厚宽比的不同而不同。基于这些风洞试验数据,给出基底弯矩系数均方根值的拟合公式并对拟合公式进行误差分析,通过与国内外相关研究成果的比较,验证拟合公式的精度与合理性,可以为荷载规范的修订和补充提供很好的参考。     

Characteristics of wind forces acting on tall buildings

Nine models with different rectangular cross-sections were tested in a wind tunnel to study the characteristics of wind forces on tall buildings. The data was briefly reported (Local wind forces acting on rectangular prisms. Proceedings of 14th National Symposium on Wind Engineering, 4-6 December 1996, Japan Association for Wind Engineering, Tokyo, pp. 263-268.). In the present paper, local wind forces on tall buildings are investigated in terms of mean and RMS force coefficients, power spectral density, and spanwise correlation and coherence. The effects of three parameters, elevation, aspect ratio, and side ratio, on bluff-body flow and thereby on the local wind forces are discussed. The overall loads and base moments are obtained by integration of local wind forces. Comparisons are made with results obtained from high-frequency force balances in two wind tunnels.     

不同圆角率下矩形高层建筑风荷载特性

通过刚性模型风洞测压试验,对4种不同圆角率（即圆角半径与模型短边迎风宽度之比分别为0、5%、10%和20%）的矩形截面高层建筑表面风荷载特性进行研究。对比了不同圆角率下建筑表面的风压分布与相关特性：圆角处理使得建筑迎风面边缘倒圆角处出现较大平均风压、极值风吸力和脉动风压;在侧风面上,平均与脉动风压梯度变化范围随圆角率的增大而逐渐减小,且横向相关性明显增强。分析了建筑顺风向与横风向的整体风力,圆角处理通过促进再附着从而减小尾流宽度,可降低高层建筑的顺风向阻力和倾覆弯矩,降幅随着圆角半径的增大而提升,同时,横风向升力和倾覆弯矩也将有所下降。     

矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩的基本特征

利用刚性模型的同步测压风洞试验,研究了矩形截面超高层建筑脉动扭矩的基本特征。研究内容包括扭矩系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性以及横风向脉动风力-扭矩相干函数,另外还考察了厚宽比和风场类别这两个参数对脉动扭矩的影响。研究结果表明,脉动扭矩系数随高度增加递减,随厚宽比增加而增加;脉动扭矩谱具有两个谱峰,谱峰形状随厚宽比改变发生很大变化;相对横风向风力,扭矩的竖向相关系数随距离衰减更快;脉动扭矩与横风向风力具有较强的相关性。     

矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩的数学模型

利用风洞试验结果,对矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩数学模型进行研究。以厚宽比和风场类别为基本变量,采用最小二乘法得到了风致脉动扭矩系数根方差、功率谱密度、竖向相关性系数以及横风向基底弯矩-基底扭矩相干函数闭合计算公式。这些公式的计算结果与原始试验数据吻合较好,说明计算公式具有较高精度。此外,利用结构随机振动方法,用提出的公式以及直接采用试验风压数据计算一栋实际超高层建筑的扭转动力响应,对比了扭转广义力谱、顶层扭转响应谱以及扭转响应根方差等计算结果,对比结果表明两者吻合较好,从而验证了公式的适用性。     

Characteristics of aerodynamic forces and pressures on square plan buildings with height variations

Many studies on reducing across-wind responses of tall buildings have been investigated, mainly focusing on the effect of corner shape. And it is also known that changing section along the height through tapering or set-back could reduce across-wind responses of tall buildings. In this paper, to investigate the mechanism of aerodynamic force reduction, the wind tunnel tests for fluctuating pressure and fluctuating force were carried out. Two models with different tapering ratio of 5% and 10%, one set-backed model and one prototype square prism with side ratio of unity were employed under two typical boundary layers which represent suburban and urban flow condition. It is concluded that tapering or set-back helps to reduce the mean drag force and the fluctuating lift force. Reduction ratio increases as tapering ratio increases, and the set-backed model is more effective to reduce the fluctuating lift force than the tapered model with identical surface area, reducing the coefficients about 40% in suburban flow condition. And by tapering and set-back, the power spectra of wind pressures at sideward surface become wideband and the peak frequencies depend on height, which makes the correlation near the Strouhal component low or even negative.     

Wind tunnel test study on the wind pressure coefficient of claddings of high-rise buildings

The area-averaged most unfavorable wind pressure coefficients (MUWPCs) on various regions of building surfaces and the influence of the side ratio and the terrain category were studied based on wind tunnel test data of scale models of typical high-rise buildings with rectangular cross-sections. The negative area-averaged MUWPCs in the middle-height edge areas generally increased with an increasing D/B side ratio. The areaaveraged MUWPCs can be well fitted with a function of the average area reduced by the square of the building depth, D ². In addition, no unique pattern was found for the effect of the terrain category on the MUWPCs.     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压幅值特性研究

采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对4个不同深宽比的高层建筑模型进行测压试验,分析了各模型8个不同径向位置处的风压幅值特性,并与大气边界层风作用下的建筑表面风压系数进行了对比。结果表明：雷暴冲击风作用下,建筑迎风面为正压,侧面和背风面均为负压;迎风面平均和脉动风压受模型深宽比影响较小,侧面和背风面受深宽比影响较大;随着径向距离的增加,迎风面平均风压系数逐渐减小,脉动风压系数先增大后减小,侧面平均风压系数绝对值以及脉动风压系数先增大后减小,背风面平均和脉动风压系数变化较为平缓;各模型迎风面风压系数沿高度呈“鼻子”状分布,最大风压出现在0.25H(H为模型高度);与大气边界层风作用下建筑表面风压幅值相比,雷暴冲击风作用下高层建筑模型的迎风面中下部区域以及侧面前缘部位风压系数较大,考虑雷暴冲击风作用的高层建筑设计时,应对这些区域的风荷载取值进行适当放大。