开洞高层建筑风荷载的试验研究

李永贵, 李秋胜, 戴益民

(1．湖南科技大学土木工程学院，湖南　湘潭　411201； 2．湖南大学建筑安全与节能教育部重点试验室，长沙　410082； 3．香港城市大学，香港九龙)

第一作者李永贵男，博士，讲师，1981年生

开洞高层建筑风荷载的试验研究

李永贵1,2, 李秋胜2,3, 戴益民1

(1．湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201； 2．湖南大学建筑安全与节能教育部重点试验室，长沙410082； 3．香港城市大学，香港九龙)

摘要：对开洞高层建筑刚性模型进行了风洞测压试验，基于试验结果，研究了设置洞口对高层建筑风荷载的影响。结果表明：立面开洞后，基底风荷载减小；单设上洞口和单设下洞口对减小顺风向平均基底剪力的效果比较接近，但上部开洞对减小顺风向平均基底弯矩和横风向根方差基底弯矩更为有利；拟合得到了顺风向平均基底弯矩系数和横风向根方差基底弯矩系数的相对值随开洞率变化的计算公式。设置洞口后，层风力的分布规律与未开洞时有很大差异，在抗风设计时应引起重视。

关键词：开洞高层建筑；风洞试验；风荷载

基金项目：国家自然科学基金重大研究计划(91215302);国家自然科学基金(51178179);湖南省自然科学基金(14JJ6026);广西防灾减灾与结构安全重点实验室开放课题(2013ZDK 06)

收稿日期：2014-01-08修改稿收到日期：2014-05-29

通信作者李秋胜男，博士，教授，1962年生

中图分类号:TU312

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.11.012

Abstract:Wind pressure measurements of tall buildings with openings were carried out in a boundary layer wind tunnel. Based on the test results, the influence of openings on wind loads of tall buildings was investigated. The results indicateed that openings can reduce the base wind loads on buildings; the reduction of along-wind mean base shear for opening on upper part is very close to that for opening on lower part; but opening on upper part is more favorable for decreasing the along-wind mean base moment and the across-wind RMS base moment; empirical formulas for calculating the relative values of the along-wind mean base moment coefficient and the across-wind RMS base moment coefficient are obtained with the fitting method; the distributions of wind force at each floor of tall buildings with openings are quite different to those without opening, this should receive special attention in wind-resist design of tall buildings with openings.

Tests for wind load of tall buildings with openings

LIYong-gui1,2,LIQiu-sheng2,3,DAIYi-min1(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. MOE Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency, Hunan University, Changsha 410082, China;3. City University of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong, China)

Key words:tall building with openings; wind tunnel test; wind loads

自Davenport[1]建立阵风荷载因子法以来，高层建筑结构的风荷载和风致响应方面的研究工作有了长足的发展，形成了较为成熟的理论和计算方法，各国规范[2-5]对常见的高层建筑类型有具体的抗风设计条文。随着社会经济和科技水平的提高，高层建筑形式日趋多样化，立面开洞就是其中一种，此类建筑的抗风设计找不到规范依据。在高层建筑立面上开洞，可以显著减少主体结构的风荷载[6]，Kwok等[7-8]、Irwin[9]均发现水平双向开洞是一种有效的方式；Dutton等[10]也得到了类似的结论，并指出开洞后方形截面的横风向基底弯矩谱变为双峰，斯托罗哈数分别为0.09与0.18；Hitomitsu等[11]指出，在高层建筑0.8倍～0.9倍高度处设置洞口，可以有效减小横风向的风致响应，在0.6倍高度及以下设置洞口的效果不明显。Okada 等[12]对开洞高层建筑进行了气弹模型试验，结果表明：双向开洞时动力响应的减少最为明显，当双向开洞率为1.5%时，横风向动态位移减小20%～25%。张耀春等[13-14]对两种开洞率、三种不同开洞位置的高层建筑模型进行了测压试验研究，结果表明：在建筑物上部开洞对减小基底弯矩非常有利，当风向与开洞方向平行时基底平均风荷载最小。谢壮宁等[15]结合工程项目，研究了顶部设备和避难层在不同风走廊(气动措施)情况下对结构的风荷载和风致响应的影响，气动措施显示出良好的抗风效果。李秋胜等[16]对用于风力发电的开洞高层建筑进行了风洞试验研究，指出高层建筑中开设洞口对减少结构风荷载是有益的。

本文对开洞高层建筑模型进行了风洞试验，考虑了开洞率和开洞位置的影响，对开洞高层建筑的风荷载特性进行了研究，得到了一些结论供设计参考。

1试验介绍

风洞试验在湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室——建筑与环境风洞中进行。该风洞为直流式矩形截面边界层风洞，截面宽3.0 m、高2.5 m，流场性能良好。采用澳大利亚TFI公司生产的眼镜蛇风速测试仪进行风速测量，采用尖劈和粗糙元的组合来模拟1/500的湍流风场，风场调试和洞口风速测试试验时0.6 m高度处来流平均风速约为9 m/s，风场模拟结果见图1。

图1　平均风速和湍流度剖面Fig.1 Mean wind speed and turbulence intensity profiles

试验模型采用ABS板制作，具有足够的强度和刚度。模型外观尺寸为100×150×600 mm3，长边所在立面设置有两个方形截面洞口，洞口中心对应的高度分别为300 mm(0.5H)、510 mm(0.85H)，同一模型上下洞口截面尺寸一样，模型M1～M4的洞口边长及单洞口开洞率(单个洞口的截面积与其所在立面面积的比值)见表1。图2为模型M3的测点布置图，测点主要布置在洞口周边和上洞口内部，共254个；模型M4测点布置与模型M3类似；模型M1、M2在洞口两侧只布置了一层测点。风向角与计算主体结构风荷载的参考坐标系见图3。每个模型均按表2中的4种工况进行试验，在0～90°内每间隔5°采集一组数据。测压信号采样频率为312.5 Hz，采样时间为32 s，采样长度为10 000个数据。

图2　模型M3的测点布置图Fig.2 Pressure tap distribution on model M3

图3　风向角及风荷载坐标系示意图Fig.3 Wind direction and coordination system illustrations

模型M1M2M3M4洞口边长/mm30507090单洞口开洞率0.0100.0280.0540.090

表2　工况表

2数据处理

鉴于测点布置方案，只分析X轴(洞口方向)风荷载的特点，风荷载系数按下式计算：

(1)

(2)

3结果分析

3.1基底风荷载系数

图4给出了各模型不同工况下X轴向的平均基底弯矩系数。0°风向角时，X轴为顺风向，平均基底弯矩系数最大，90°风向角时，X轴为横风向，平均基底弯矩系数接近于0。风向角从0°变化到90°的过程中，平均基底弯矩系数逐渐减小。立面设置洞口导致平均基底弯矩系数减小，减小的程度随着开洞率的增大而增大；单独开洞时，工况2比工况3对减小平均基底弯矩更为有效，双开洞时平均基底弯矩系数最小。立面开洞后受风面积减小，且部分来流经洞口进入尾流区，立面风压分布发生变化，这两个因素都导致了平均基底弯矩的减小。

图5给出了各模型不同工况下X轴向的根方差基底弯矩系数。工况1，0°和90°风向角时根方差基底弯矩系数达到局部最大，横风向根方差基底弯矩系数(90°风向角)比顺风向(0°风向角)大；开洞后，根方差基底弯矩系数随风向角的变化趋势总体上与工况1是一致的，数值比工况1小。

图4　X轴向平均基底弯矩系数随风向角的变化情况Fig.4 Variation of mean base moment coefficient with wind directions on the X Axis

图5　X轴向根方差基底弯矩系数随风向角的变化情况Fig.5 Variation of RMS base moment coefficient with wind directions on the X Axis

对0°风向角平均基底弯矩系数相对值和90°风向角根方差基底弯矩系数相对值分别进行了拟合，得到如下表达式：

0°风向角，平均基底弯矩系数相对值：

工况2：

βCMx=19.3R2-4.26R+1.02

工况3：

βCMx=16.4R2-3.37R+1.02

工况4：

90°风向角，根方差基底弯矩系数相对值：

工况2：

工况3：

工况4：

模型M1～M3，洞口边长不到所在立面宽度的一半，顺风向平均基底风荷载系数相对值随开洞率的变化接近于线性，平均基底剪力系数表现得更为明显，模型M4，洞口边长超过所在立面宽度的一半，洞口对水平向风力的影响得不到充分发挥，平均基底风荷载系数相对值的减小速度降低。因此，拟合结果均为开洞率R的二次函数。文献[13]给出了顺风向平均基底弯矩系数相对值的线性回归公式，两者有一定差别，这可能是由于研究方法不同所导致的，本文拟合公式基于风洞试验结果，文献[13]回归公式基于数值模拟结果。从预测的结果来看，本文对平均基底弯矩系数相对值的预测结果更加接近文献[13]的试验结果。从上述的分析可知，开洞后受风面积的减小只是导致风荷载减小的原因之一，因此，拟合公式计算的风荷载系数相对值应不大于1-R。

图6　风荷载系数相对值与开洞率R的关系Fig.6 Relationship between relative values of wind load coefficients and opening ratio R

为进一步考察开洞对顺风向风荷载的影响，按文献[17]引入无量纲的相对折算高度来分析基底弯矩和基底剪力的相对关系，定义静力相对折算高度如下：

图7给出了所有模型0°风向角时的静力相对折算高度，未开洞时，各模型的相对折算高度在0.543～0.547之间，与文献[17]的D类风场下的相对折算高度较为接近。工况2，相对折算高度随着开洞率的增大而降低；工况3，相对折算高度随着开洞率的增大而升高；工况4，规律性不明显。

图7　静力相对折算高度Fig.7 Relative reduced height of static wind loads

图8　模型M3的层风力系数Fig.8 Local wind load coefficients of model M3

3.2层风力系数

图8给出了模型M3平均阻力系数和根方差升力系数沿高度的分布。未设置洞口时，平均阻力系数和根方差升力系数的分布规律与文献[17]类似。开洞后，洞口高度处的层风力明显减小，其他高度处的层风力大多数也有所减小，所以基底风荷载减小；但需要注意的是，开洞后层风力的分布规律与开洞之前发生了明显的变化，工况2，洞口上方相邻层的平均阻力系数比不开洞时略大，工况3，模型上部的根方差升力系数的分布规律及大小与工况1非常接近，其他各模型开洞后层风力系数也有类似的变化特点，这在抗风设计时应引起足够重视。

4结论

基于开洞高层建筑测压试验，分析了洞口方向风荷载的一些特点，得到如下结论：

(1)立面开洞后，受风面积减小，部分来流经洞口进入尾流区，立面风压的分布发生变化，这两个因素都导致了基底风荷载的减小；开洞率达到一定值时，设置两个洞口对风荷载的减小效果小于单独设置洞口对风荷载的减小效果之和。

(2)单设上洞口和单设下洞口对减小基底剪力的效果比较接近，但在上部开洞对减小顺风向平均基底弯矩和横风向根方差基底弯矩更为有利；对顺风向平均基底弯矩系数和横风向根方差基底弯矩系数的相对值随开洞率的变化进行了拟合。

(3)设置洞口后，层风力的分布规律与未开洞时有很大差异，少数层风力系数与不开洞时较为接近甚至更大，在抗风设计时应引起重视。

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