风场类型对高层建筑风压特性的影响研究

刘 钢 李永贵 肖翅翔 李 毅

（1.湖南科技大学结构抗风与振动控制湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学<土木工程学院>，湖南 湘潭 411201）

0 引言

风荷载是高层建筑设计中的控制性水平荷载，高层建筑在强风作用下会发生较大幅度的振动，引起比较明显的气动弹性效应， 产生较大的风致响应。Kareem[1]通过测压实验，获得了横风向外加气动力谱，并用于计算结构的风致响应。 张建国等人[2]通过7 种典型高层建筑刚性模型同步测压试验，分析了各层横风向荷载的横向湍流作用和旋涡脱落激励作用并求得各自对应的横风向1 阶广义力谱， 研究结果表明：横向湍流对横风向气动力谱的贡献较小，而旋涡脱落激励对总横风向气动力谱的贡献较大；在不同的风场中这些贡献会发生改变。 张明月等[3]研究了地貌类型对矩形截面高层建筑风力特性的影响规律，研究结果表明：随着地貌类型的增加，顺风向平均风力减小，脉动风力增大，横风向脉动风力整体上变化较小，扭转向脉动风力明显增大。

图1 风洞中四类风场的流场参数

本文在已有研究的基础上，以高度为300 m 的方形建筑为原型制作了缩尺刚性测压模型，对四类地貌下模型的风力特性进行研究，分析了风场类型对高层建筑风压特性的影响，研究结果可为工程设计提供一定的参考。

1 试验概况

1.1 试验风场

风洞试验在湖南科技大学风工程试验研究中心大气边界层风洞中进行。风洞试验段尺寸为4 m×3 m×21 m（宽×高×长），风速在 0～30 m/s 范围连续可调，流场性能优良。 采用澳大利亚TFI 公司生产的三维脉动风速仪进行风速和湍流强度测量。风场是指建筑结构所处的风环境，我国（GB 50009—2012）[4]根据不同地理环境和人口密集程度划分出了A、B、C、D 四类风场（四类地貌对应四类风场），对应的地面粗糙度指数分别为 0.12、0.15、0.22、0.30。 试验目标风场为 1∶400 的A、B、C、D 类风场，四类风场的平均风速剖面、湍流强度剖面见图 1。 图中，UZ为 Z 高度处平均风速，UH为模型顶部高度处平均风速。

1.2 试验模型

刚性测压模型由ABS 塑料板制作，具有足够的刚度和强度；模型高度为750 mm，截面边长为100 mm，测压管长度均为850 mm。 考虑到风力对建筑物的作用随高度的增加而增加，测点层上密下疏，由于模型的对称性，模型每个立面上的测点布置是相同的。 图2（a）为模型测点布置，2（b）为试验模型外轮廓。

图2 刚性测压模型

图3 风力系数随风向角变化规律

2 试验结果及分析

2.1 层风力系数

图3 给出了四类风场下结构层升力、阻力系数随风向角的变化规律。 从图中可以看出，四类风场下层平均阻力系数随着风向角的增大而减小，A、B 类风场平均阻力系数值较为接近且明显大于C、D 类风场；四类风场的脉动阻力系数整体上随着风向角的增大而减小，且A、B 类风场的变化曲线起伏较大。 四类风场平均升力系与风场类型成正相关关系且随着风向角先减小后增大，脉动升力系数随着风向角增大而减小且与风场类型成反相关关系。

2.2 脉动风力谱

图4 给出了模型在四类风场下不同风向角单轴的基底弯矩功率谱。 风向角为0°时，横风向受旋涡脱落产生的周期性涡激力的影响，四类风场在高频处出现尖峰（对应方形截面建筑的斯托罗哈数），呈窄带特性且谱峰值与风场类型成反相关关系，在低频段谱值与风场类型成正相关关系。探究其原因是湍流对低频段贡献较大， 湍流度增大导致低频段谱值有所增加，高频段谱值减小。 随着风向角的增加，结构单轴逐渐由横风向向顺风向转移， 能量由高频区向低频区转移，四类风场的基底弯矩谱均呈宽带特征。

3 结论

（1）A、B 类风场平均阻力系数大于 C、D 类风场，且其脉动阻力系数随风向角的变化曲线起伏较大；四类风场层平均升力系数与风场类型成正相关关系，层脉动升力系数与风场类型成反相关关系。

（2）在横风向，四类风场基底弯矩功率谱在高频处出现尖峰，呈窄带特性，且谱峰值与风场类型成反相关关系。 顺风向谱峰消失，四类风场基底弯矩功率谱密度呈宽带特性。

图4 基底弯矩功率谱