高层建筑脉动风压谱特性研讨
高层建筑脉动风压谱特性研讨
近年来，随着建筑工程材料及施工技术的不断进步，高层建筑结构逐步向轻质量、低阻尼的方向发展，风荷载逐渐成为结构设计的控制性荷载。现有的高层建筑表面风压的脉动特性研究主要集中在常见典型截面形状单体建筑物，且多为截面形式上下一致［1］。但实际高层建筑外形较复杂，并位于密集的建筑群体中间，已有的研究结果的适用性值得商榷。长安万科中心项目由一栋办公塔楼、多栋住宅塔楼、购物商城和商铺等组成。其中写字楼地上59层，屋顶高度260m ，见图1。为了准确掌握该高层建筑的表面风压的脉动特性，对该写字楼进行详细的风洞模型试验研究。
1试验简介
试验在湖南大学教育部建筑安全与节能重点实验室的大气边界层风洞实验室中进行。按我国建筑结构荷载规范GB50009—2012［2］模拟了C 类地貌流场。试验模型用ABS 板制成(见图1) ，具有足够的强度和刚度。模型与实物在外形上保持几何相似，缩尺比为1∶300，高度约为86．7cm 。模型表面共布置了376个测点用以测量模型表面风压。试验过程中，参考高度取86．7cm(与模型顶部同高) ，试验控制风速为10m/s。试验采样频率为312．5Hz ，采样时间32s 。标准层测点的平面布置如图2所示。
2迎风面脉动风压谱
通常认为高层建筑迎风面风压符合准定常假定［3，4］，高层建筑迎风面脉动风压谱为:(1)其中，Sw(z，f) 为z 高度处脉动风压谱;Sv(z，f) 为z 高度处来流风速谱;f 为频率; μs 为局部体型系数;w 珔为平均风压;V 珔为平均风速。为验证该公式的适用性，分别选用Davenport 风速谱和Karman 风速谱对迎风面不同高度处测点脉动风压谱进行计算，并与风洞试验结果进行对比，计算过程不再赘述。图3给出C18，H18以及M18三个位于同一铅垂线的测点在0°风向角(即迎风面) 下的脉动风压谱。可以看出:迎风面脉动风压符合准定常假定，由风洞试验实测风压谱在低频段和高频段均与Davenport 风压谱吻合较好，Karman 风压谱在低频段要比实测谱略大，高频段略小; 由于建筑物顶部的三维绕流效应，顶部测点M18的频率成分比其他测点更为复杂。
3侧风面脉动风压谱
高层建筑的侧风面脉动风压主要是由来流紊流和尾流涡脱构成，准定常假定不适用。Ohkuma 与Kanaya ［5］针对矩形高层建筑，在考虑来流紊流和涡激励对横风向激励贡献的基础上，给出了横风向风激励谱的表达式如下:其中，n 为无量纲频率，n=fD/UH;St为斯托罗哈数，St=0．135－0．069exp(－0．0056H/D);β为带宽系数，β=0．6exp(－0．3H/D)。图4给出C26，H26以及M26三个位于同一铅垂线的测点在0°风向角(即侧风面) 下的脉动风压谱。可以看出:上述公式可以有效地拟合侧风面脉动风压谱，各高度的拟合结果均与试验结果吻合较好; 由于漩涡规则脱落，侧风面脉动风压谱都具有明显峰值，且峰值对应的无量纲频率均在0．1附近，与矩形柱体的斯托罗哈数基本相同; 受三维绕流影响，顶部测点M26脉动风压谱峰值比测点C26和H26小。
4结语
1) 迎风面脉动风压符合准定常假定; 根据Davenport 风速谱计算得到的迎风面脉动风压谱与试验结果在低频段和高频段均吻合较好，由Karman 风速谱计算得到的迎风面脉动风压谱在低频段要比试验结果略大，高频段则略小。2) 侧风面脉动风压谱可根据式(2)进行有效拟合。由于漩涡的规则脱落，侧风面的脉动风压谱有明显的谱峰，且谱峰对应的无量纲频率与斯托罗哈数相近。
作者：李永贵 李毅 单位：湖南科技大学土木工程学院