高层建筑静风荷载的干扰效应研究

高层建筑静风荷载的干扰效应研究*

黄 鹏顾 明

同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

摘要 本文采用测力天平模型风洞试验研究了两个高层建筑间的静力干扰效应首次引入了正交试验法设计试验方案研究了施扰建筑高度截面尺寸和外形对顺风向静力干扰因子IFm 的影响应用人工神经网络方法对试验结果进行了模拟和推广给出了IFm 的等值线图供规范应用

关键词高层建筑静风荷载干扰效应

1 前言

现代城市的发展往往产生了密集的建筑群由于相邻建筑物的干扰受扰高层建筑的风荷载大小及性态与其在孤立状态下相比会有较大的变化高层建筑间的风致干扰效应包括静力平均风荷载干扰效应和动力脉动响应干扰效应本文研究了两个高层建筑间的静力干扰效应

由于建筑物横风向平均响应一般很小静力干扰效应通常只考虑顺风向的干扰效应高层建筑间的顺风向静力干扰效应一般均认为表现为遮挡效应

[1-3]

本文对高层建筑顺风向静力平均干扰因子定义为

受到干扰作用下建筑的顺风向平均基底弯矩

(1)

无干扰状态下建筑的顺风向平均基底弯矩

静力干扰因子IF m =

本文采用高频动态测力天平模型风洞试验研究了静力干扰效应以下介绍模型系统和试验概况并对试验结果进行了分析和讨论最后应用人工神经网络方法对试验结果进行了模拟和推广给出了IF m 的等值线图供规范修订补充时参考

2 模型系统及试验概况

2.1 测力天平模型系统

测力天平所用模型的设计除了要模拟建筑物的外形外还要满足轻质和刚度要求本试验的天平-模型系统的频率在80Hz 以上满足试验要求

2.2 风洞及风场

本试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ 1风洞中进行TJ 1风洞试验段高1.8m 宽1.8m 长18m 空风洞试验风速范围为1m/s ∼30m/s

我国建筑结构荷载规范修订稿(将出)将地貌类别分成A,B,C,D 四类本文在TJ-1风

洞中模拟了具有代表性的B 类空旷地貌和D 类城市中心地貌风场以研究不同地 貌风场对静力干扰效应的影响B 类和D 类风场的风速剖面指数分别为0.16和0.30α

2.3 试验概况

*

国家自然科学基金重大项目59895410

教育部博士点专项基金教育部高等学校骨干教师资助计划

联合资助

影响高层建筑间干扰效应的因素很多主要包括建筑物的外形尺寸和个数建筑物

的相对位置风场上游地貌及风速等本文研究了两个高层建筑间的静力干扰效应主要的试验配置为施扰建筑和受扰建筑均为相同的方柱建筑并研究了改变上游施扰建筑高度截面尺寸和外形对IF m

的影响

如果对影响因素的全部组合都进行风洞试验则试验工况和试验时间会大得难以承受在施扰建筑高度截面尺寸和外形对IF m 的影响的研究中本文首次引入了正交试验法设计

以用最少的试验次数

10cm ×10cm × 60cm

迎风面垂

直于来流风0°由于基本方柱配置是干扰效

应的最基本的情形的结果相比较而是全面试验法横风向间距Sy=0∼4b 施扰建筑在下游∼-3b Sy=0∼2.5b 试验模型2对基本方柱配置还在均

施扰建筑的位置范围为Sx=0∼12b

Sy=0∼4b

(2) 施扰建筑的影响

对施扰建筑的影响使用正交试验法进行试验方案设计分别研究了施扰建筑高度截面尺寸和外形的影响受扰建筑与上述基本方柱配置的受扰建筑相同其模型布置同图2 c 施扰建筑高度的影响

施扰建筑截面尺寸同受扰建筑而高度分别选为受扰建筑的125%150%75%和100%即高度分别为75cm 1.25h,高度190cm 1.5h,高度2

45cm 0.75h,高度3和60cm

1.0h,高度4

正交试验法方案设计中除了高度这一影响因素外还选取了另两个影响因

素建筑间的顺横风向间距Sx,Sy 施扰建筑高度为60cm 时试验配置与基本方柱配置相同因此数据也从基本方柱配置结果中取用

根据选定的参数不考虑因素间的交互作用选用L 16(45

)正交表根据正交表的组合

施扰位置分别是[3b,0],[5b,1.5b],[8b,2.5b]和[12b,4b]其他高度施扰建筑的位置类推

d 施扰建筑截面尺寸的影响

施扰建筑高度同受扰建筑而截面尺寸分别为7cm ×7cm 0.7b,截面113cm ×13cm 1.3b,截面2

15cm ×15cm 1.5b,截面1和10cm ×10cm 1.0b,截面4,即截面面积分别为受扰

建筑的49%169%225%和100%与上述施扰建筑高度的影响相同选用L 16(45

)正交表每个工况的配置同表1仅施扰建筑高度因素换为施扰建筑截面尺寸因素

e 施扰建筑外形的影响

施扰建筑为高度与受扰建筑相同的柱体而外形有变化截面形状分别为矩形(外形1)正方形凹角(外形2)正方形削角(外形3)和Y 形(外形4)见图2选用L 16(45

)正交表每个工况的配置同表

1

仅施扰建筑高度因素换为施扰建筑外形因素

3 试验结果与分析

3.1 基本方柱配置的结果及分析

风速对静力干扰效应的影响很小基本方柱配置B 类风场在不同试验风速模型顶部平均风速的IF m 见图3由图可见两种风速下的IF m 几乎相同最大的差别不超过3%基

本方柱配置另两个风场和其它试验配置下不同风速下IF m 的差别也很小因此可认为风速

对静力干扰效应影响很小

基本方柱配置在B 类D 类及均匀风场下的IF m 见图4∼6试验风速为8m/s 下同

从

图中可看出静力干扰效应主要表现为遮挡效

应施扰建筑在受扰建筑正前方时遮挡效应最显著顺风向间距为2b ∼5b 时IF m 大致在0∼0.5之间即顺风向平均基底弯矩比无干扰时折减了50%以上甚至在B 类风场[2b,0]位置IF m 出现了负值(-0.005)这表明由于上游建筑的尾涡将下游建筑全部包裹使下游建筑受到了逆风方向的阻力遮挡效应随Sy 的增大而降低三种风场下均是Sy=0时最小Sy=4b 时IF m 最大Sy=4b 时IF m 有部分值大于 1.0但三种风场下IF m 最大也不超过 1.2这表明静力干

扰效应也不全是遮挡效应施扰建筑在下游时影响很小

I F m

Sx/b

I F m

Sx/b 图4 基本方柱配置的IF

m

B 类风场 图5 基本方柱配置的IF m D 类风场

I F m

Sx/b

I F m

Sx/b 图6 基本方柱配置的IF

m

均匀风场 图7 本文串列布置结果与文献[2]的比较

对风场的影响从图4∼6可见B 类和D 类这两种湍流风场的IF m 很接近仅均匀风场的