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超高层建筑结构表面风荷载分布机理

日期:2021/7/6 Click:957
2号塔楼为办公楼,其结构计算高度达到150m,商业裙房地上5层地下4层,整个商业中心属于超高层建筑群。1风洞试验简介11试验设备与方法本次试验风洞为一座串联双试验段回/直流边界层风洞,其低速试验段宽40m,高30m,长240m,最大风速大于300m/秒,高速试验段宽22m,高2m,长50m,最大风速大于800m/s,低速验段流场达到优秀边界层风洞流场标准[8-9]。
由于超高层建筑结构的特点,风负荷对这种高温建筑起着控制作用,正确分析超高层建筑结构表面风负荷的分布机理尤为重要[1-4]。本文依托重庆某超高层项目,该项目由超高层酒店办公综合楼、超高层办公楼和多层商业裙房构成。其中,1号塔是酒店办公综合大楼,结构计算高度为270m,最高层数为60层的2号塔是办公大楼,其结构计算高度为150m,商业裙地面5层地下4层,商业中心整体属于超高层建筑群。由于风场的复杂性,整个建筑物和局部位置的风负荷的取值缺乏规范依据。因此,本文着重研究周边建筑群影响下的局部系数分布[5-7]。

1风孔试验介绍

1.1试验设备与方法

本次试验风孔为串联双试验段回/直流边界层风孔,其低速试验段宽4.0m,高3.0m,长24.0m,最大风速超过30.0m/秒,高速试验段宽2.2m,高2m,长5.0m,最大风速超过80.0m/s,低速试验段流场达到优秀边界层风孔流场标准[8-9]。

1.1.1测量系统和工作原理

在进行风洞试验前,需要调整风洞的来流风,调整中需要测量参考风速。本次试验流场风速通过皮托管和微压计进行参考点风速和参考点静压的测量和监测。参考点的位置一般选择在不易受模型干扰的位置,通常可以设置在模型结构顶部的高度或梯度风的高度。本次风孔试验的测量系统工作原理如图1所示。作用于建筑模型表面的风压通过测压孔和测压到压力传感器,压力传感器输出的模拟信号转换为数字信号后被记录下来,可以通过PC进行数据处理。各测量点测量的压力值和参考静压值的差异是该测量点的实际风压值。

1.1.2边界层模拟

该项目所处地面粗糙度类别为c类,大气边界层风剖面指数α为0.22,底部乱流度约为26%。试验中采用粗糙元和尖塔等模拟大气边界层,采用热线风速计系统,测量大气边界层在模型附近的速度剖面和乱流度。

1.2试验模型

本次试验使用的模型比例为1:300,总高度约为0.9m,采用工业合成塑料板制作。该项目所在地建筑密度较大,本次试验模拟了以该超高层建筑为中心500m范围内的重要建筑,研究其遮挡条件下的体型系数分布。考虑到干扰建筑细节结构等对目标建筑的影响较小,周边建筑模型均采用简单形状制作,表面也平整光滑,仅反映周边建筑的主体轮廓。

1.3工况介绍

本次试验在有外围建筑和无外围建筑两种工况下分别进行了16个风向角的风孔试验,以每22.5度为工况子项,图4显示了各种试验工况的风向角示意图,重庆的主导风向是北风,对应于试验工况的270度。

2数据处理与结果对比

2.1体系数

本次试验旨在研究体系数在不同遮挡条件下的分布情况。为了符合结构设计规范,与局部系数的定义相似,试验收集的风压数据在简单转换后,给出与相同高度没有受到干扰的流动平均风压的无限大纲,如式(1)所示。c军Pi=Pi1/2U2z(i)(1)其中,pi是模型表面的风压平均值,是空气密度的Uz(i)在i测量点的高度流动平均风速。测量建筑表面有(无)环境建筑时目标结构各面在所有情况下的局部系数和幕墙等部件设计时应关注的阵风效应的局部系数峰值。

2.2结果的比较和分析

在此需要说明。图5、图6只给出典型情况下的结果,重庆地区主导北风为主导风向,其对应情况为270度风向角状况,本文重点关注该状况下的风压分布状况。数据结果分析显示,1、2号测量点的局部系数在迎风面中心最大,从迎风面向迎风面的角部区域,系数逐渐减少。这是因为,在建筑物表面的中心,流风垂直冲击建筑物表面,从中心点向两个建筑物的上下端获得最大的平均风压,有逐渐增强的流动分离作用,表面的平均风压逐渐减少。在建筑物的两个侧面,由于流动分离和涡流脱落的共同作用,吸引力比背风面大。

3结论

(1)无周围建筑时,1、2塔体型系数沿建筑周向分布,各测点随风向角变化规律基本一致,0度、90度、180度、270度风向角时表面风压基本相同,迎风面中间体型系数为正值,接近1.1。侧风面受漩涡脱落的影响,体型系数大于背风面,绝对值在前缘最大,大小与迎风面角基本相同(2)如有周围建筑干扰,各风向角体型系数在遮挡高度范围内分布混乱。特别值得注意的是,在一些特定的风向角下,目标建筑在隔断条件下的风荷载体系数相反较大,这可能是由于隔断建筑的存在,导致来流中涡流脱落。(3)幕墙设计时,由于周围建筑的干扰,应分别参考周围建筑的两种情况,取绝对值大的体型系数峰值。

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