风场和周边干扰对高层建筑峰值风压的影响

文章编号：16742974(2014)04007809

收稿日期：20130420

基金项目：国家自然科学基金资助项目(91215302，51178180，51278190)

作者简介：李正农（1962-），男，湖北武汉人，湖南大学教授，博士生导师

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摘要：通过风洞测压实验，研究了风场类型及周边干扰对高层建筑峰值风压的影响.研究结果表明：风场类型对高层建筑峰值风压有着较大影响，当高层建筑周边环境不变（有或者无周边干扰）时，绝大多数情况下，不同场地类别的峰值风压系数由大到小依次是B类，C类，D类.周边干扰对高层建筑峰值风压的影响不仅与周边建筑的相对位置有关，还与高层建筑当时所处的风场类型有关，如当南立面为迎风面时，干扰建筑E，F位于南立面斜前方，表现为遮挡效应，绝大多数测点的峰值风压系数均减小，B类场地时其最大减小幅度可达43%，C类场地时可达37%，D类场地时可达46%.

关键词：高层建筑；峰值风压；风洞试验；风场类型；干扰

中图分类号：TU973 文献标识码：A

InfluenceofTerrainCategoriesandSurroundingInterference

onthePeakPressureofHighriseBuildings

LIZhengnong，KANGJianbin

(KeyLaboratoryofBuildingSafetyandEnergyEfficiencyofEducation，HunanUniv，Changsha，Hunan410082，China)

Abstract:Basedonthepressuremeasurementtestsofwindtunnelexperiments,thispaperdiscussedtheimpactsofdifferenttypesofterrainandsurroundinginterferenceforpeakwindpressureonthehighrisebuildings.Theresultsshowthatdifferenttypesofterrainhaveagreatimpactonthepeakpressuresofhighrisebuildings.Whenthesurroundingenvironmentofhighrisebuildingsremainsunchanged,thepeakpressurecoefficientsofdifferenttypesofterrainarefollowedbyB,CandDfromlargetosmallinmostcases.Thepeakpressureimpactofhighrisebuildingsisnotonlyrelatedtotherelativepositionofthesurroundingbuildings,butalsotothetypeofterrainahighrisebuildingatthetime.Forexample,ifthesouthfacadeisthewindsurfaceandinterfersbuildingsEandFlocateddiagonallyinfrontofthesouthfacade,itperformsashieldingeffect.Inthiscase,thevastmajorityofthepeakpressurecoefficientsobtainedintheterraincategoryofB,CandDarereduceddifferentlyinthevastmajorityoftestpointswithamaximumdecreaseof43%,37%and46%respectively.

Keywords:highrisebuildings;peakwindpressure;windtunnels;terraincategory;interference

近年来，干扰问题成为建筑风工程研究的热点\[1-4\].韩宁，谢壮宁等\[5-8\]对2个高层建筑物的干扰效应进行了研究，结果表明:受扰建筑所受的干扰与施扰建筑的相对位置以及形状有关，当施扰建筑与受扰建筑串列或斜列布置时，施扰建筑对受扰建筑的迎风面和侧风面的局部位置表现为遮挡效应.李寿英，谢壮宁等［9-10］对群体建筑物的干扰效应进行了研究，结果表明：2个施扰建筑对受扰建筑的协同干扰作用大于单个施扰建筑的干扰作用，当施扰建筑位于受扰建筑左、右或下游时，受扰建筑背风面的风压将显著增大.

目前，已有文献大多是针对某一特定风场情况下周边建筑物的干扰效应进行研究，但对高层建筑（有或者无周边建筑物干扰）在风场类型变化时峰值风压变化规律以及不同风场情况下周边建筑物的干扰效应的研究相对较少.本文通过对某一高层建筑缩尺模型的风洞实验结果进行了分析，研究了高层建筑（有或者无周边建筑物干扰）在风场类型变化时的峰值风压变化规律以及B，C，D3类风场情况下周边建筑物对高层建筑的干扰效应.

1实验概况及数据处理

实验在湖南大学建筑安全与节能教育部重点试验室的HD3大气边界层风洞中进行.

1.1实验概况

某高层建筑原型截面尺寸为长69m，宽39m，高235m，模型采用1∶300的比例尺，缩尺后其建筑模型的截面尺寸为长230mm，宽130mm，高783mm.

沿模型竖向20个不同高度布置20层测点，A~Q层为建筑外墙层，每层布置28个测点，R层、S层、T层为幕墙层，内外双面布点，R层内外各布置23个测点，S层、T层内外各布置16个测点，共586个测点，其中A，I，Q层测点所处高度就建筑原型而言分别为9.3，104.2，204.8m，就模型而言分别为31，347，682mm．模型图及测点布置如图1所示.由图1可以看出，高层建筑的标准层（高度大于30m）与非标准层平面并不是完全对称.图2给出了标准层和非标准层平面图.依据《建筑结构荷载规范》\[11\]，在HD3大气边界层风洞中采用格栅、尖劈、挡板和粗糙元等装置模拟了B，C，D3类风场，各类风场的风剖面及湍流度如图3所示.图4给出了3类风场的风剖面及湍流度.需要说明的是图4和图3的主要区别在于：图3是对模拟风场的客观描述，图4侧重于比较各类风场的风剖面和湍流度，由于不同风场梯度风高度处风速相同，为便于对比，图4（a)中将各类风场梯度风高度处风速均取为1.每类风场均测量24个风向角条件下高层建筑模型的风压分布，风向角间隔为15°.以原有建筑总图分布的北向来风定义为0°风向角，测压信号采样频率为312.5Hz，每个测点采集10000个数据.风向角示意图如图5所示,其中建筑物GCJZ即为本文研究对象.

由于建筑物GCJZ西立面干扰建筑较多、干扰较强并且复杂，北立面干扰建筑较矮、干扰较小，东立面无干扰建筑，这些立面均不利于进行干扰分析.而南立面干扰建筑物的高度和数量适中，比较有利于研究周边状况对于建筑物的干扰，故本文选取建筑物GCJZ南立面来进行分析，幕墙层（R至T层）不予考虑.

(a)风洞实验模型图

(b)测点布置图

图1风洞实验模型及测点布置图

Fig.1Thewindtunneltestsmodel

andmeasuringpointarrangement

图2标准层和非标准层平面图

Fig.2Standardandnonstandardfloorplanlayer

图3B,C,D3类风场风剖面及湍流度

Fig.3ThewindprofileandturbulenceintensityofterraincategoriesB，CandD

图4各类风场风剖面与湍流度比较

Fig.4Comparisonofwindprofileandturbulence

intensityofterraincategoriesBandC，D

图5风向角示意图

Fig.5Winddirectionillustrations

为简化表述，若无特别说明，下文中所出现高层建筑皆代表建筑物GCJZ（即本文所研究对象）,南立面均代表建筑物GCJZ的南立面，测点均代表建筑物GCJZ南立面的测点，B(C，D)类风场的峰值风压系数代表B（C，D）类风场情况下南立面测点的峰值风压系数.

1.2数据处理

根据建筑物表面基本风压特征，第i号测点峰值风压系数可按照以下公式计算：

vT,j=HG,j/Zrαjvr,j.（1）

式中：vT,j为j类风场所对应的梯度风高度处的平均风速;j（B,C,D）表示风场类型;Zr为参考点高度;vr,j为j类风场下参考高度处的平均风速，本次风洞实验参考高度统一为0.8m，对应实际高度为240m;HG,j和αj分别为j类风场所对应的梯度风高度和平均风剖面幂函数指数.因为各类风场下基于梯度风高度的参考风压是一致的，为便于对比，本文所求风压系数皆以对应风场下梯度风高度的风压为参考风压.

Pmean,i,j=i,j－

SymboleB@

,i,j0.5ρ(vT,j)2,（2）

CPrms,i,j=σprms,i,j0.5ρ(vT,j)2.（3）

式中：i为测点编号;i,j和

SymboleB@

,i,j分别为j类风场下i号测点风压时域信号平均值与静压时域信号平均值;0.5ρvT,j为j类风场所对应的梯度风高度处的参考风压;σprms,i,j为j类风场i号测点的脉动风压;Pmean,i,j和CPrms,i,j分别为j类风场下i号测点的平均风压系数和脉动风压系数.

P，i,j=Pmean,i,j+kCPrms,i,j,Pmean,i,j≥0,

Pmean,i,j-kCPrms,i,j,Pmean,i,j＜0.(4)

式中：P,i,j为j类风场下i号测点的峰值风压系数；k为峰值因子.本文主要讨论风场类别和周边干扰对峰值风压的影响，根据相关文献\[12\]，为简化计算，干扰因子统一取为3.5.

2峰值风压特性

为更好地研究风场类型和周边干扰对高层建筑峰值风压的影响，本文选取了高层建筑除幕墙层外的底层测点A层,中间层测点I层和顶层测点Q层测点以及南立面对称轴测点（即4号测点）的峰值风压系数进行分析.

2.1无周边建筑物干扰时不同风场情况下南立面峰值风压对比分析

图6为无周边建筑物干扰时南立面A，I和Q层测点的峰值风压系数，图7为无周边建筑干扰时南立面A~Q层4号测点的峰值风压系数.

从图6和图7可以看出，当高层建筑物无周边建筑物干扰，风场类型变化时，该建筑物南立面的峰值风压系数的变化规律如下：

在0°风向角作用下，南立面处于背风面，峰值风压系数为负；就风场类型而言，B类风场的峰值风压系数绝对值大于C类风场，最大可为C类风场条件下的122%，C类风场的峰值风压系数绝对值大于D类风场，最大可为D类风场条件下的109%；就测点所处高度而言，峰值风压系数绝对值表现为中

图6无周边建筑干扰时南立面A，I和Q层测点峰值风压系数分布

Fig.6Noperipheralinterferencethepeakwindpressurecoefficientdistributionchart

ofeachmeasuringpointofAIandQlayeronthesouthfacade

图7无周边建筑物干扰时南立面A~Q层4号测点峰值风压系数分布

Fig.7NoperipheralinterferenceNo.4measuringpointpeakwindpressurecoefficient

distributionchartofA~Qlayeronthesouthfacade

间略小于两端；就同一水平位置而言，同层测点峰值风压系数变化不大.

在90°风向角作用下，南立面处于侧风面，峰值风压系数为负．就风场类型而言，B类风场的峰值风压系数绝对值大于C类风场，最大可为C类风场条件下的129%，C类风场的峰值风压系数绝对值大于D类风场，最大可为D类风场条件下的141%，且随着高度的升高，两类风场之间峰值风压系数的差值逐渐减小．就测点所处高度而言，峰值风压系数绝对值表现为中间大两端小．就同一水平位置而言，A层和Q层测点的峰值风压系数绝对值随着气流流动的方向逐渐减小，I层测点峰值风压系数表现为中间大于两边.

在180°风向角作用下，南立面处于迎风面，但是由于高层建筑部分边缘测点受漩涡脱落的影响，峰值风压系数有正有负．就风场类型而言，160m高度（高层建筑高度的2/3）以下，B类风场的峰值风压系数大于C,D两类风场，最大可为C,D两类风场条件下的127%，C,D两类风场的峰值风压系数较为接近，相差在8%以内，160m高度以上，D类风场的峰值风压系数大于B类风场，最大可为B类风场条件下的112%，B类风场的峰值风压系数大于C类风场，最大可为C类风场条件下的106%．就测点所处高度而言，随着测点所在高度的升高，测点的峰值风压系数先增大后减小，增大幅度最大的为D类风场，达到了73%，增大幅度最小为B类风场，为26%，由于峰值风压的大小主要受平均风压和脉动风压的影响，因此各类风场的风剖面及湍流度沿高度的变化（如图3所示）是造成此现象的主要原因．就同一水平位置而言，同层测点的峰值风压系数表现为中间大于两边.

在270°风向角作用下，南立面处于侧风面，峰值风压系数为负，其分布规律与90°（侧风面）风向角作用下存在差别，产生这种现象的原因是由于高层建筑标准层平面具有不对称性，高层建筑东立面外型上存在明显突变，而西立面不存在明显突变．当风向角为90°时（侧风面），风从东立面吹来，当风向角为270°时（侧风面），风从西立面吹来，迎风面的宽度并不相同（具体参见图1，图2和图5），气流绕侧风面的流动规律也不一致．从而导致90°和270°风向角作用时，其测点的峰值风压系数分布规律并不一致．就风场类型而言，B类风场的峰值风压系数大于C，D两类风场，最大可为C，D两类风场条件下的153%，90m高度（高层建筑高度的3/8）以下，C类风场的峰值风压系数大于D类风场，最大可为D类风场条件下的121%，90m高度以上，D类风场的峰值风压系数大于C类风场，最大可为C类风场条件下的106%．就测点所处高度而言，表现为中间大于两端．就同一水平位置而言，A层和Q层测点的峰值风压系数绝对值随着气流流动的方向逐渐减小，I层测点的峰值风压系数表现为中间大于两边.

2.2有周边建筑干扰时不同风场情况下南立面峰值风压对比分析

图8为有周边建筑物干扰时南立面A，I和Q层测点的峰值风压系数，图9为有周边建筑物干扰时南立面4号测点的峰值风压系数．周边干扰建筑具体布置情况如图1和图5所示.

就单个图形而言，图中点从左到右依次为南立面1~7号测点

图8有周边建筑干扰时南立面A，I和Q层测点峰值风压系数分布

Fig.8Withperipheralinterferencethepeakwindpressurecoefficientdistributionchart

ofeachmeasuringpointofAIandQlayeronthesouthfacade

图9有周边建筑干扰时南立面A~Q层4号测点峰值风压系数分布

Fig.9WithperipheralinterferenceNo.4measuringpointpeakwindpressurecoefficient

distributionchartofA~Qlayeronthesouthfacade

从图8和图9可以看出，当高层建筑有周边建筑物干扰，风场类型变化时，该建筑物南立面的峰值风压系数的变化规律如下：

在0°风向角作用下，就风场类型而言，B类风场的峰值风压系数绝对值大于C类风场，最大可为C类风场条件下的117%，C类风场的峰值风压系数绝对值大于D类风场，最大可为D类风场条件下的119%．就测点所处高度而言，峰值风压系数绝对值表现为中间大两端小．就同一水平位置而言，由于受到周边建筑的干扰，A层测点峰值风压系数绝对值表现为中间大于两边，I层和R层测点峰值风压系数沿水平位置变化不大，产生这种现象的原因是由于0°风向角时，周边建筑对南立面的干扰较复杂，随着测点高度的升高，干扰有所减小.

在90°风向角作用下，就风场类型而言，B类风场的峰值风压系数绝对值大于C类风场，最大可为C类风场条件下的148%，C类风场的峰值风压系数绝对值大于D类风场，最大可为D类风场条件下的130%．就测点所处高度而言，随着测点高度的升高，测点的峰值风压系数绝对值表现为中间大于两端．就同一水平位置而言，规律与无周边情况类似.

在180°风向角作用下，就风场类型而言，B类风场的峰值风压系数绝对值略大于C类风场，最大可为C类风场条件下的113%，C类风场的峰值风压系数绝对值略大于D类风场，最大可为D类风场条件下的112%．就测点所处高度而言，随着测点高度的升高，峰值风压系数先增大后减小，增大幅度最大的仍为D类风场，达到了129%，增大幅度最小的仍为B类风场，为99%．就同一水平位置而言，测点的峰值风压系数绝对值表现为中间大于两边.

在270°风向角作用下，就风场类型而言，135m高度（施扰建筑E高度的2/3）以下，B类风场的峰值风压系数绝对值大于C,D两类风场，最大可为C,D两类风场条件下的139%,C，D两类风场的峰值风压系数较为接近，相差幅度在2%以内;135~175m高度（施扰建筑E的高度）处，C类风场的峰值风压系数绝对值大于B类，最大可为B类风场条件下的124%，B类风场的峰值风压系数绝对值大于D类，最大可为D类风场条件下的117%;175m高度以上，B类风场的峰值风压系数绝对值大于C类风场，最大可为C类风场条件下的108%，C类风场的峰值风压系数绝对值大于D类风场，最大可为D类风场条件下的123%.就测点所处高度而言，135m高度以下，测点的峰值风压系数大小沿高度变化不大;135m高度以上，测点的峰值风压系数绝对值先增大后减小.

2.3有、无周边建筑物干扰时不同风场情况下南立面峰值风压对比分析

上文已详细讨论高层建筑有或者无周边建筑干扰时，不同风场情况下高层建筑峰值风压的变化规律，故本部分不重复讨论．本部分着重研究同类风场情况下，高层建筑在有周边建筑物干扰时，其峰值风压系数相对于无周边建筑干扰时的变化.图10给出了B，C和D3类风场下高层建筑有、无周边建筑干扰时南立面A，I，Q层测点峰值风压系数分布，图11给出了B，C，D3类风场下高层建筑有、无周边建筑干扰时南立面A~Q层4号测点峰值风压系数分布.

从图10和图11可以看出，当有周边建筑物干扰时，各个风向角下测点的峰值风压系数已经发生改变，具体表现为：

在0°风向角作用时，南立面处于背风面．同类

就单个图形而言，图中点从左到右依次为南立面1~7号测点

图10有、无周边建筑干扰时南立面A,I和Q层测点峰值风压系数分布

Fig.10WithandwithoutperipheralinterferenceThepeakwindpressurecoefficientdistribution

chartofeachmeasuringpointofAIandQlayeronthesouthfacade

图11有、无周边建筑干扰时南立面A~Q层4号测点峰值风压系数分布

Fig.11WithandwithoutperipheralinterferenceNo.4measuringpointpeakwindpressure

coefficientdistributionchartofA~Qlayeronthesouthfacade

风场情况下，当有周边建筑物干扰时，测点的峰值风压系数变化趋势以及大小发生改变．就测点所处高度而言，发生改变最大处约在G4测点所处位置（约为建筑物高度的1/3），在此高度处，测点的峰值风压系数绝对值均增大，增大幅度最大的为C类风场，达到了74%，增大幅度最小的为D类风场，为36%．就同一层测点而言，随着测点所处位置的不同，其峰值风压系数大小改变亦不相同，A1~A4号测点的峰值风压系数绝对值增大，A5~A7号测点的峰值风压系数绝对值却减小，I层测点峰值风压系数绝对值也有所增大，Q层测点峰值风压系数变化不大，相差在10%以内．产生这种现象的原因可能是由于A1~A4号测点所靠近的高层建筑西侧干扰建筑分布复杂，A5~A7号测点所靠近的高层建筑东侧无干扰建筑，A层和I层测点所处高度位于周边干扰建筑高度范围内，导致其所受干扰较大，Q层测点所在高度处于周边干扰建筑高度范围外，所受干扰较小.

在90°风向角作用时，南立面处于侧风面，同类风场情况下，当有周边建筑物干扰时，测点的峰值风压系数变化趋势与无周边建筑干扰时基本一致，但其峰值风压系数大小却发生改变.随着风场类型、测点所处高度以及位置的不同，测点的峰值风压系数变化并不一致，有增大，有减小的，也有保持基本不变的．例如图中A7测点，B类风场有周边干扰情况下，其峰值风压系数相对于无周边建筑干扰来说增大了29%，而D类风场有周边建筑干扰情况下，其峰值风压系数相对无周边建筑干扰来说却基本不变．产生这种现象的原因可能是由于来流、干扰建筑F靠近南立面的棱边产生的分离流、干扰建筑F上部产生的分离流、高层建筑自身产生分离流掺混到一起，而不同风场产生的分离流的运动并不一致，不同高度不同位置处气流掺混的程度也不一致.

在180°风向角作用时，南立面处于迎风面，同类风场情况下，当有周边建筑物干扰时，测点的峰值风压系数变化趋势与无周边基本一致，但其大小却发生改变，少数靠近棱边的测点峰值风压系数或变大或由正变负，例如图中的A1测点峰值风压系数增大，A6，A7和J7等测点的峰值风压系数由正变负，绝大多数测点的峰值风压系数均减小，B类风场时其最大减小幅度达到了43%，C类风场时可达37%，D类风场时可达46%.产生这种现象的原因可能是由于当风向角为180°时，干扰建筑E，F对南立面而言主要表现为遮挡作用，所以绝大多数测点峰值风压系数减小，而干扰建筑物E，F侧风面产生的分离流以及干扰建筑F背风面产生的尾流与来流掺混到一起，形成复杂的空气运动，致使部分测点的峰值风压系数或变大或由正变负.

在270°风向角作用时，南立面处于侧风面，同类风场情况下，当有周边建筑物干扰时，测点的峰值风压系数变化趋势发生改变，测点的峰值风压系数均减小，三类风场情况下其测点的峰值风压系数最大减小幅度基本接近，分布在75%左右，且在高层建筑135m（干扰建筑C,D,H,G高度）至175m（干扰建筑E高度）高度处，随着测点所处高度的升高，其峰值风压系数的减小幅度减小，175m高度以上，其峰值风压系数的减小幅度趋于稳定，但低于其下部测点的减小幅度．产生这种现象的原因可能是由于135m高度以下，南立面受到干扰建筑C,D,E等的干扰，干扰较复杂，且其对南立面主要表现为遮挡效应．135~175m高度处，对南立面产生干扰效应的主要是干扰建筑E，干扰建筑C,D产生的干扰减小．175m高度以上，由于其测点高度高于周边干扰建筑高度，所受周边建筑干扰较小.270°和90°风向角作用时，南立面虽同处侧风面，但测点的峰值风压系数变化趋势与变化幅度却明显不同．产生这种现象的原因可能是由于当风向角为270°时，风从高层建筑西面吹来，高层建筑上游众多干扰建筑（具体如图3所示）对气流的运动产生显著影响，对南立面而言，干扰复杂．当风向角为90°时，风从高层建筑东面吹来，高层建筑上游并无干扰建筑，对南立面产生干扰的主要是干扰建筑F，干扰较简单.3结论

本文通过对风场和周边干扰对高层建筑峰值风压的影响进行了研究，得出如下结论：

风场类型对高层建筑峰值风压有着较大影响，当高层建筑周边环境不变（有或者无周边干扰）时，绝大多数情况下，B类风场时高层建筑的峰值风压系数大于C类风场，最大可达C类风场条件下的153%，C类风场大于D类风场，最大可达D类风场条件下的141%.

周边干扰对高层建筑峰值风压的影响不仅与周边建筑的相对位置有关，还与高层建筑有、无周边时所处的风场类型有关.南立面为迎风面时，干扰建筑E,F位于南立面斜前方，表现为遮挡效应，绝大多数测点的峰值风压系数均减小，B类风场时其最大减小幅度达到了43%，C类风场时可达37%，D类风场时可达46%.

城市化的变迁过程，对于高层结构抗风来说，其实质是高层建筑所处的风场类型、周边环境发生变化的过程，此时，高层建筑局部位置所承受的峰值风压可能变大，可能变小，甚至由正变负，由负变正，这一点尤其要引起结构设计人员的注意.

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