Y形截面超高层建筑风压分布的试验研究

洪海波，余先锋

（1、中新广州知识城投资开发有限公司 广州 510555；2、华南理工大学土木与交通学院 广州 510641）

0 引言

随着施工技术的进步以及设计理念的创新，现代建筑正朝着越来越高、越来越柔的方向发展，导致这类建筑的自振频率较低，甚至与风的卓越频率接近［1］，其对风荷载极为敏感，因此风荷载往往成为超高层建筑设计的控制荷载之一。

此外，高层建筑功能要求日益增长，高层建筑体型逐渐复杂化、异形化。对于一般体型截面的高层建筑，可依据《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［2］相关规定对风荷载进行计算，然而对于体型复杂截面超高层建筑（如Y 型截面），现有荷载规范已不能满足其设计需求，此时风洞试验是获取此类建筑风荷载的有效手段之一［3-10］。

文中对广州某330.0 m 高的Y 型截面超高层建筑开展刚性模型测压风洞试验，详细研究建筑表面风压分布特征，为类似超高层建筑的围护结构抗风设计提供参考。

1 风洞试验

1.1 试验概况

风洞试验在华南理工大学大气边界层风洞实验室中进行。该风洞为单试验段回流型，试验段尺寸为长24.0 m、宽5.4 m、高3.0 m，最大试验风速可达30 m/s。

测压模型以刚性材料制成，几何缩尺比为1∶400。根据试验建筑体型和试验要求，在塔楼模型表面沿高度方向布置了14 层测点，本文中，对建筑的3 个立面分别编号为A、B 和C，如图1 所示。试验模型安装在风洞试验段内4.0 m直径的转盘上，如图2所示。

图1 各立面测点布置Fig.1 Layout of Pressure Taps in Each Facade

图2 风洞试验模型Fig.2 Wind Tunnel Test Model

据地形分析结果，各气象风向角下均为C 类地貌。试验中以330.0 m 作为参考高度，按缩尺比1/400在风洞中对应的参考高度为82.5 cm。试验段内以二元尖塔、挡板及粗糙元分别在转盘模型区模拟出C 类地貌的平均风速剖面和湍流强度分布，如图3所示，由图3可知模拟结果与文献［2］结果吻合良好。

图3 风场模拟结果Fig.3 Wind Field Simulation Results

风洞试验的参考坐标系如图4 所示，风向角为0°时是初始方位，试验时以10°风向增量对建筑模型表面风压进行同步测量。采集系统为美国PSI公司生产的Measurement 扫描阀，采样频率为331.9 Hz，采样时间为61.7 s。

图4 风洞参考坐标系Fig.4 Wind Tunnel Reference Coordinate System

1.2 数据处理

规定正压力方向指向建筑表面，负吸力方向为背离建筑表面［11］。模型表面各点的风压系数为：式中：Cpi（t）为建筑模型上测点i处的风压系数时程；Pi（t）为所测建筑模型上测点i处的瞬态风压；P0和P∞分别为参考高度处的平均总压和平均静压。对于建筑模型双面受风位置，其风压系数由上下（外内）表面对应的测点压差获得：

对风洞试验中所获得的各测点压力时程按照式⑴～⑸经编程处理，可获得各测点的平均风压系数和峰值风压系数。

2 试验结果分析

2.1 平均风压分布

试验风向角90°、210°和330°分别对应风正吹建筑的立面A、西南立面B和东南立面C。这3种工况下建筑立面的平均风压系数分布如图5～图7 所示。由图5⒜、图6⒝及图7⒞可知，3 种工况下的迎风面平均风压系数分布表现出相似的变化规律，其中中间区域平均风压系数均在0.5～0.8 之间，随着高度增大逐渐增大；同时可以看到在迎风面两侧边缘区域，平均风压系数由正值逐渐变为负值，即由“压力”转为“吸力”，这是由于在Y 型建筑拐角处气流发生分离，产生较大的涡旋所致。

图5 90°风向角各立面平均风压系数等值线Fig.5 Contours of Mean Wind Pressure Coefficient for 90° Wind Direction

由图5⒝、图5⒞、图6⒜、图6⒞及图7⒜、图7⒝可知，侧风面平均风压系数均为负值，整体分布较为均匀，平均风压系数绝对值呈现靠近迎风面一侧较大，然后向另一侧逐渐减小的规律。

图6 210°风向角各立面平均风压系数等值线Fig.6 Contours of Mean Wind Pressure Coefficient for 210° Wind Direction

图7 330°风向角各立面平均风压系数等值线Fig.7 Contours of Mean Wind Pressure Coefficient for 330° Wind Direction

2.2 峰值风压分布

采用Cook-Mayne 方法计算各测点风压极大值和极小值，进一步可得到全风向下各测点的最大、最小峰值风压系数。全风向下建筑立面最大峰值正压系数分布和最大峰值负压系数分布分别如图8、图9 所示。由图8、图9 可知：最大峰值正压系数沿建筑高度方向逐渐增大，最大值达到2.7，位于北立面右上角区域，西南立面全风向最大峰值正压较小，最大值仅为1.4。由于受到气流分离、涡旋脱落等影响，全风向最大峰值负压系数分布没有明显的规律性，但在四周边缘处绝对数值较大，表现为较大的“吸力”，往中心区域逐渐减小。另外，对比各峰值风压系数等值线图可见，各立面的最大峰值负压系数绝对值普遍大于相同位置的最大峰值正压系数，这表明幕墙抗风设计时，峰值负压起主要控制作用。

图8 全风向最大峰值正压系数等值线Fig.8 Contour of the Maximum Peak Positive Coefficient for the Whole Wind Direction

图9 全风向最大峰值负压系数等值线Fig.9 Contour of The Maximum Peak Negative Pressure Coefficient for The Whole Wind Direction

3 结论

文中基于同步测压风洞试验，对某Y 型截面超高层建筑表面风压特性进行了试验研究，主要结论如下：

⑴Y 型截面建筑迎风面中间区域平均风压系数均在0.5～0.8 之间，随高度增大逐渐增大；在迎风面两侧边缘区域，由于气流分离效应导致平均风压由正值逐渐变为负值。

⑵Y型截面建筑立面全风向最大峰值正压系数呈现沿建筑高度逐渐增大的规律。全风向最大峰值负压系数在四周边缘处绝对值较大，往中心区域逐渐减小。

⑶Y 型截面各立面的最大峰值负压绝对值大于相同位置的最大峰值正压，在幕墙抗风设计时，峰值负压起控制作用。