青岛某超高层住宅的风洞试验研究

李建峰 郁有升

(1.青岛腾远设计事务所有限公司，山东 青岛 266071;2.青岛理工大学，山东 青岛 266033)

0 引言

随着社会的发展，城市用地越来越紧张，超高层建筑也越来越多，超高层建筑对风荷载极为敏感，在风的作用下极易发生大幅振动，风荷载是控制结构设计的主要荷载之一，因此对高层建筑结构风荷载及其响应的研究是一项重要的研究工作，超高层建筑的风荷载作用正受到学术界和工程界的极大关注[1-4]。

本文基于青岛华润中心超高层1号住宅工程，在湖南大学风洞实验室对模型进行了风洞试验，对设计风速作用下结构的风荷载分布规律、结构的位移、加速度响应进行风洞实验研究，并根据风洞试验结果，对结构的抗风安全性、结构三维风振特性及舒适性进行了分析。该楼位于青岛市山东路10号，高度为201.15 m，1号楼的长度和宽度分别为72.4 m和20.15 m，为超限高层建筑，采用钢筋混凝土局部转换剪力墙结构体系。

1 试验模型

试验模型用ABS板制成，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，模型几何缩尺比1∶300，周边环境模型比例也为1∶300。将模型固定在风洞试验室的转盘上，图1即为风洞试验模型及周边建筑分布情况。

图1 风洞实验模型及周边建筑分布

2 试验设备及测点布置

2.1 试验设备及相关参数

该建筑刚性模型风洞试验在湖南大学风洞实验室进行。该试验所使用的风洞为直流式矩形截面边界层风洞，试验段截面尺寸为3.0 m(宽)×2.5 m(高)，风速范围为0 m/s～20.0 m/s。流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于1%、湍流度小于0.46%、平均气流偏角小于0.5°。风洞试验中使用了两套测量系统，风速测量系统和风压测量、记录及数据处理系统。

鉴于该结构所处地理位置及周边建筑情况，大气边界层的特性按C类地表模拟，地面粗糙度指数α=0.22。考虑到周围建筑的干扰，风洞试验以主建筑物为中心，模拟半径500 m范围内的主要建筑及地形。风洞试验时，将模型置于风洞试验段转盘上进行数据采集，每一个风向测量一组数据。风向角间隔为15°，逆时针旋转，如图2所示，总共有24个风向。每个测点的采样时间为32 s，采样频率为312.5 Hz。试验风速为10 m/s。

图2 风洞试验风向角图

2.2 测点布置

为了测取幕墙上的风压分布，在模型外表面上共布置了474个测点，其中在顶部幕墙及雨篷处布置了双层测点。

3 试验结果

试验时，将风洞中受建筑影响较小的位置定为参考点，并在该参考点布置一个热线风速仪、来测量该点风速，其他测试点的风速通过与参考点比值而求得。试验时取参考点高度为67 cm，对应大气边界层风场原型的高度为201 m。按风气候分析结果及我国GB 50009-2001(2006年版)建筑结构荷载规范[5]，C类地貌、参考高度67 cm(相对实际为201 m)处的风压、风速:50年重现期风压值为1.385 kPa，风速为47.07 m/s;模型试验中符号约定以压力向内压为正，向外吸为负。

3.1 风压系数

模型试验中符号约定以压力向内压为正，向外吸为负。模型表面各点的风压系数由下列公式给出:

其中，cpi(t)为试验模型上第i个测压孔所在位置的风压系数;pi(t)为该位置上测得的表面风压值;p0，p∞分别为参考点处测得的平均总压和平均静压。对于双侧受风的位置，内外对应布置两个测压孔，由内外表面对应的测压点测出的压力相减得到:

其中，Δcpi(t)为试验模型上第i个测压孔所在位置的风压差系数;pii(t)，p0i(t)分别为该位置内外表面的风压值，为了简化叙述，本文均采用压力系数cpi(t)来表示式(1)，式(2)两种情况。

对于脉动风压，可以通过式(3)来求得脉动风压均方根值:

其中，Cpik为第i个测压孔所在位置的风压差系数时程;N为样本数。

依此可以求出测点的最大峰值风压系数:

各测点的风压通过风压系数与参考点风压相乘而得到，因此风压系数能直观比较出各点的风压大小。

3.2 局部体型系数

为比较不同建筑体型的优劣，还需要了解建筑的体型系数。测点体型系数的计算公式如下:

对于局部体型系数由下式得到:

其中，Ai为局部区域的某一小部分面积，其体型系数为μsi。建筑物围护结构表面的设计风压，一般参考24个风向中最大的极值风压系数来进行计算。得到风压系数后，再通过设计风速换算出参考高度处的实际风压。

3.3 风压值

根据风压系数可由下式得到风压值pi:

作用于建筑物表面的局部风压亦可由下式得到:

其中，βz为风振系数(主要承重结构)或阵风系数(围护结构);Cpi为建筑原型上相应第i测压孔的位置的平均风压系数;μzr为参考点的风压高度变化系数;Cpiμzrw0为某重现期基本风压下的测点平均风压值。

各测点的最大峰值风压及平均风压见表1。

从表1中数据可以看出，单测点最大平均风压系数为1.29，发生在 N5，风向角为 180°，相应的 50年重现期的风压值为1.79 kPa;双测点最大平均风压系数为2.01，发生在PQ7，风向角为255°，相应的50年重现期的风压值为2.78 kPa。单测点全风向极大峰值风压系数为2.54，发生在H7，风向角为165°，相应的50年重现期的风压值为3.51 kPa;双测点全风向极大峰值风压系数为2.39，发生在PQ3，风向角为105°，相应的50年重现期的风压值为 3.31 kPa。

表1 各层测点最大(峰值、平均)风压系数

4 结语

由青岛华润中心1号住宅楼风洞动态测压试验结果及分析可以得出以下几点结论:

1)从青岛华润中心1号住宅楼墙体外表面测点的压力系数结果可以看出，气流在外墙面的棱角处出现明显的分离，且在分离区出现较大的负压;由于南北立面宽度大，在南北立面中部出现较大正风压，在设计时应引起注意。2)从试验结果可以看出，由于周边建筑的影响，出现了明显的群体超高层风干扰效应。3)总体来说，沿高度方向，较大正风压出现在大楼约1/2以上高度处，并且在主体结构的四个周边拐角区域、受内外压影响的顶部，其风荷载较大;受周边建筑的干扰，以至于极小峰值负压分布特点不明显。4)经数据分析，并与以往类似结构的风洞试验结果相比较可以得出本试验所获得的数据是可靠的，达到了试验目的。

[1] 赵 昕，丁洁民，孙华华，等.上海中心大厦结构抗风设计[J].建筑结构学报，2011，32(7):1-7.

[2] 贾 锋，朱旭荣.无锡苏宁广场超限高层结构设计[J].建筑结构，2011，41(4):79-100.

[3] LIANG S G，LI QS.Torsional dynamo wind load on rectangular tall buildings[J].Engineering Structures，2004，26(1):129-137.

[4] 肖克艰，周定松，谢晓锋，等.重庆英利大厦超高层结构设计[J].建筑结构，2010，40(9):91-95.

[5] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].