干扰作用下超高层建筑立面风压分布研究

干扰作用下超高层建筑立面风压分布研究

陈伏彬，张时佳

（长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙410114）

摘  要：在城市建筑群建设中，两超高层建筑相距较近的情况常出现，其相互作用会影响其表面风压。本文通过刚性模型测压试验对某城市建筑群相距较近的两座塔楼立面风荷载进行测验，研究了在有无周边干扰建筑两种工况下A-10塔楼风荷载变化情况。结果表明：两塔楼之间狭缝效应明显，受到较强的风吸力；上游施扰建筑（A-9塔楼）两侧涡脱与来流产生共同作用，使得受扰建筑（A-10塔楼）迎风面上出现正负压交替的风荷载；增加周边干扰建筑之后，A-10塔楼北立面的体型系数绝对值降低明显，对风荷载的削弱最大达到了40%；有周边干扰建筑的存在会增大局部区域的风压，在建筑物中上部区域尤为明显。

关键词：风洞试验；超高层建筑；狭缝效应；干扰效应；体型系数

STUDY ON WIND PRESSURE DISTRIBUTION ON THE FACADE OF SUPER HIGH-RISE BUILDINGS UNDER INTERFERENCE

CHEN Fu-bin，ZHANG Shi-jia

（School of civil engineering, Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410114,China）

Abstract:In the construction of urban buildings, it often happens that two super high-rise buildings are close to each other, and their interaction will affect their surface wind pressure. In this paper, the wind load on the FA ç ADEs of two towers near each other in an urban building group is tested by a rigid model pressure test, and the wind load changes of tower A-10 under two conditions, with and without surrounding interference buildings, are studied. The results show that the slit effect between the two towers is obvious, and it is subject to strong wind suction; The vortex shedding on both sides of the upstream disturbing building (tower A-9) and the incoming flow act together, resulting in alternating positive and negative pressure wind loads on the windward surface of the disturbed building (tower A-10); After the surrounding interference buildings are added, the absolute value of the shape coefficient of the north elevation of tower A-10 decreases significantly, and the maximum weakening of the wind load reaches 40%; The presence of surrounding interference buildings will increase the wind pressure in local areas, especially in the upper and middle parts of buildings.

Key words：wind tunnel tests；super high-rise building；Slit effect；interference effect；shape coefficient of building

随着祖国综合国力日益强盛、人口数量不断增加以及土地的合理使用，城市超高层建筑群发展趋势逐渐迅猛。当两超高层建筑距离相对比较小时，两塔楼之间会产生相互的作用，不仅会对建筑表面围护结构产生影响，也会影响其行人区域的风环境。两高层建筑之间的裙房会受到风影区的影响，会降低行人风环境舒适度，所以合理利用风影区与改变裙房形体的理念值得研究

[1]。张敏[2]通过对4栋高层建筑进行风洞试验与数值模拟研究其干扰作用，结果表明建筑串列摆放，上游施扰建筑对下游受扰建筑主要表现为“遮挡效应”，对下游受扰建筑的立面风荷载有明显的影响；建筑并列摆放，建筑物之间主要表现为“狭缝效应”，影响其侧风面。胡卫法[3]在无相邻建筑与有相邻建筑两种工况下对比分析了各个工况风振响应的特征，得到结论：相邻干扰建筑距离较小时，其本身体型与高端尾流会使受扰建筑的涡脱得到抑制，从而会减小受扰建筑横风向的风振响应。相距较近的主塔、副塔与其附属裙房之间也存在相互作用，副塔上靠近主塔一侧的测点体型系数分散，并且副塔顶部气流也会对裙房产生影响[4-5]。本文通过刚性模型风洞测压试验，在无周边干扰建筑与有周边干扰建筑两种工况下对某区域超高层建筑群间距较近的两座塔楼进行风荷载分析，研究其在两种工况下相互的作用，获取两近距离超高层建筑表面风压的分布规律，为超高层建筑设计与建设提供技术支持。

1  风洞试验概况

1.1  项目概况

项目位于济南市历下区国际金融城北A-9、A-10地块区域，此两处区域存在两座超高层建筑，分别为165.5米的A-9塔楼与175.5米的A-10塔楼，两座塔楼均有其附属的裙房，周边也存在其他建设完成的高层建筑。

1.2 试验模型与工况

风洞试验模型为刚性模型，由ABS板制作而成，试验模型与实际的建筑在外形上几何相似，其缩尺比为1:250。进行风洞试验时，测量每一个风向角的实验数据，取风向角间隔为15°，顺时针旋转，共计24个风向角，在C类风场[7]下进行风洞试验。

本次试验共设置工况1（无周边干扰建筑）、工况2（有周边干扰建筑）两种工况进行风洞试验，模型摆放如图1、2所示，风向角如图3所示。

2  试验数据分析

2.1 测点选取

由于篇幅限制，本文仅选择A-10塔楼北、东、西三个立面一部分特征测点进行风荷载分析，选取了A-10塔楼的北立面A区6个测点，东立面E区与西立面W区各取3个测点（图4）。

2.2  有无周边干扰A-10塔楼北立面垂直方向风荷载分析

如图5，A-10塔楼在无周边干扰建筑的工况下（工况一），各个测点的体型系数走势相差不大， A-10塔楼北立面测点体型系数绝对值一般随着高度的增加而减小，然而特征测点A3与A4的体型系数曲线受A-9塔楼的影响上下扰动比较剧烈，风向角在0°~75°时，A-10塔楼北立面受正压力，而A3,A4两个测点位于塔楼1/2高度处，当风向角为30°~90°与270°~345°时，由于A-9塔楼的南立面与A-10塔楼的北立面之间的间隔非常近，其间的夹缝间组成了一个风速“加速通道”，由于狭缝效应，风速明显增大，“通道”两边的立面承受了较大的风吸力，加上漩涡脱落与狭缝效应的耦合，尤其是在90°、270°两个风向角下，A-9塔楼与A10塔楼之间组成的“通道”方向刚好与来流风的方向一致，A-10塔楼北立面上的体型系数绝对值都比较大。在A-10塔楼在有周边干扰建筑的工况下（图6），其各个特征测点的绝对值都普遍的降低，原因可能是A-10塔楼实际上周边存在许多高层建筑，尤其是A-10塔楼的西北方向与西南方向分别存在一栋高度为330M和一栋420M的超高层建筑，加上周围建筑密集，由于遮挡效应，处于来流下游的建筑受到的平均风荷载减小。对比图5可以发现，在无周边建筑的情况下，A-10塔楼北立面的特征测点的体型系数几乎都大于有周边干扰建筑工况下的体型系数。

在风向角为0°~90°之间时，A-10塔楼南立面为背风面，北立面为迎风面，0°~45°风向角之间由于北立面这一边被A-9塔楼所遮挡，所以受负向的风压力，风向角为60°~90°之间时，又由于“通道”狭缝效应以及横风向旋涡脱落，A-10塔楼北立面也是受到负的风压力，体型系数为负；风向角为15°~90°时，工况一对比工况二，A4特征测点的体型系数变化得特别明显，在无周边建筑干扰的工况下，体型系数绝对值为1.32，在有干扰建筑周边存在的工况下，体型系数绝对值最大值为0.79，存在周围干扰建筑对风荷载削弱达到了40%，由此可见适当的增加周边干扰建筑可以有效的降低塔楼在某些风向角下的体型系数，并且对处于两超高层建筑间狭缝通道的立面幕墙具有一定的保护作用。

如图5、6，在无周边干扰建筑的工况一和有周边干扰建筑的工况二条件下，在0°风向角时，A-10塔楼的北立面被A-9塔楼所遮挡，特征测点A1-A6体型系数既有正值也有负值，尤其是A-10塔楼北立面中部的A3、A4两个测点，在无周边干扰建筑的工况一条件下，其体型系数出现了负值，而迎风面底部的A1、A2测点与迎风面顶部的A5、A6测点的体型系数都为正值，其原因可能是上游施扰建筑（A-9塔楼）两侧旋涡脱落转化为了类似交替作用于受扰建筑（A-10塔楼）迎风面的涡团，与来流产生共同作用，出现了A-10塔楼迎风面上正负压交替的作用的风荷载。

如图7，工况一的特征测点A1、A2的体型系数绝对值都略大于在工况二条件下的值，通过观察工况一、二下的测点A1、A2可以发现，体型系数的波动较为稳定的工况是有周边干扰建筑存在的工况，而无周边干扰建筑的工况下，测点A1、A2体型系数波动比较剧烈，总体上对比A1、A2测点与其他测点，可以发现：A1、A2测点的体型系数绝对值在两种工况下都大于其他几个测点，其可能得原因是因为两个测点受到了附近裙房的影响，并且在两种工况下，尤其当风向角为165°~225°时，A1的体型系数都大于A2测点的体型系数，由此可见裙房等建筑对A1测点的影响强于对A2的影响，并且A1也受到了地面紊乱风的影响；受指数律的影响，一般而言，离地面越接近，风速受到地面的干扰因素越大，其数值会比较小，离地面越远即高度越高，风速受到地面的干扰因素越小，风速也就越大，特征测点A5、A6处于建筑物顶部位置，虽然风速较大，但由于顶部三维流态效应，其压力系数有所减小，导致体型系数的数值非常小。

2.3  有无周边干扰A-10塔楼东、西立面风荷载分析

A-10塔楼东、西立面的特征测点分别取的是处于建筑物2/3高度处的E2与W2两个测点，其体型系数在两个工况下随风向角变化的曲线图如图8所示：E2与W2测点分别处于对立的东西侧面，其体型系数曲线在两种工况下都大致呈现对称的性质，对于W2测点，当风向角为90°时，在无周边干扰建筑的工况下，A-10塔楼的西立面垂直于来流方向，受到正的风压力，故其体型系数达到最大值，但在有周边干扰建筑的工况下， 90°风向角的体型系数并非最大，其原因在于在有周边干扰建筑的工况下，A-10塔楼西北面存在一栋330M高的超高层建筑，故此时体型系数受到了其影响；在风向角为105°~150°时，在工况二下，W2测点体型系数相较于工况一有较大的差异，其原因为A-10塔楼西南方存在一栋420M的超高层建筑，遮挡了来流风。同理在270°风向角时，E2测点所在的东立面为迎风面，在两种工况下其体型系数达到最大值。值得注意的是，在风向角为165°~195°时，E2与W2测点在有周边干扰建筑的工况下体型系数绝对值都大于无周边干扰建筑的工况，说明周边干扰建筑的存在会使建筑物局部风压增大，在建筑物中上部区域尤为明显。

3  结论

通过对A-10塔楼三个立面的体型系数及行人高度风环境的分析，得出以下结论：

（1）在无周边干扰建筑的工况下，A-9塔楼南立面与A-10塔楼北立面之间的狭缝效应明显，受到较强的风吸力，通过增加周边建筑之后（工况二），A-10塔楼北立面的体型系数绝对值大大降低，对风荷载的削弱最大达到了40%。

（2）在工况一0°风向角下，A-10塔楼北立面被A-9塔楼所遮挡，底部和顶部两测点体型系数都为正值，而中部A3、A4测点为负值，原因为上游施扰建筑两侧涡脱与来流产生共同作用，出现了受扰建筑迎风面上正负压交替的作用的风荷载。

（3）有周边干扰建筑存在的工况下会增大局部区域的风压，在建筑物中上部区域尤为明显。

参考文献

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