建筑對低矮建筑平屋蓋上風壓的干擾效應

低矮建筑通常都是成群出現(xiàn)的,周邊建筑對被包圍建筑的風荷載存在干擾效應。通過剛性模型表面測壓風洞試驗對被同類周邊建筑所包圍的平屋面低矮建筑表面風壓系數(shù)進行測量,分析周邊建筑的建筑面積密度、相對高度及排列方式對被包圍建筑平屋面上的最大局部負風壓及最大屋面升力的干擾因子的影響。試驗結果顯示,最大局部負風壓的干擾因子除少數(shù)周邊建筑面積密度很低或相對高度較矮時大于1.0外,多數(shù)情況下都小于1.0;所有存在周邊建筑的試驗工況中最大屋面升力的干擾因子總是小于1.0;兩個干擾因子都隨周邊建筑面積密度的增大而減小;當周邊建筑的相對高度小于1.0時,兩個干擾因子都隨周邊建筑相對高度的增大而減小,但當周邊建筑的相對高度大于1.0時,兩個干擾因子對周邊建筑相對高度的變化不敏感?；谏鲜鲈囼灲Y果,將兩個干擾因子擬合成周邊建筑面積密度及相對高度的函數(shù)形式,為低矮建筑的設計提供依據(jù),為建筑結構荷載規(guī)范的修訂提供參考。

釀成災難。欠即可造福于人類，也可以使人們辛勤的勞動戍果毀于 ，使其熟悉肖防技術規(guī)范，按照規(guī)范施工；并要定期通報施工 度認真負責，才能做好建筑消防設旋工程質量工作。

周邊高層建筑可能對大跨屋蓋結構表面的風荷載產(chǎn)生較大影響。施擾建筑相對位置對屋蓋總體受力和局部受力都會產(chǎn)生干擾效應,通過對施擾建筑處于不同干擾位置對大跨屋蓋結構干擾效應的研究,得出施擾建筑的最不利干擾位置。

在同濟大學tj2邊界層風洞中進行了上海環(huán)球金融中心氣動彈性模型的風洞試驗,分析了距離較遠且高度約為環(huán)球金融中心一半的周邊建筑以及距離較近且高度與環(huán)球金融中心相當?shù)慕鹈髲B對環(huán)球金融中心頂部平動和轉動平均位移、均方根位移和絕對最大加速度的干擾效應.結果表明:當高層密集建筑群(不考慮金茂大廈)集中在上游或上游偏一側時,會對平均值和均方根有一定的影響,特別是扭轉響應,當高層密集建筑群集中在下游時,影響很小;當金茂大廈位于環(huán)球金融中心的上游或上游稍偏一側時,會減小環(huán)球金融中心的平動平均位移響應,表現(xiàn)為擋風效應,其尾流會增大環(huán)球金融中心的平動均方根位移響應,而當遮擋效應使得平均或脈動壓力在形心軸兩側分布不均時會增大轉動平均或均方根位移響應.與以往研究不同的是,當金茂大廈位于環(huán)球金融中心下游或下游偏一側時,會改變環(huán)球金融中心的漩渦脫落頻率,當漩渦脫落頻率和結構第一階固有頻率接近時,會在該頻率振動方向產(chǎn)生顯著的渦激共振現(xiàn)象.當金茂大廈位于環(huán)球金融中心一側時會產(chǎn)生狹道效應(穿堂風),可能會對水平和扭轉的平均和均方根位移響應產(chǎn)生影響,視狹道方位和壓力分布狀況而定.

以2幢相鄰高層住宅建筑物為物理模型,以表征自然通風主要動力的風壓差系數(shù)cp′為研究對象,采用計算風工程學的方法進行干擾效應對自然通風影響的研究,并對采用的數(shù)值方法進行風洞試驗驗證.研究結果表明:上游建筑物的存在對下游建筑物上的cp′值干擾作用明顯;來流方向對上游和下游建筑物上的cp′值影響都很大,增大來流入射角有利于建筑物上cp′值的提高;在常見的住宅建筑群建筑間距范圍內,增大建筑間距不能有效地提高受擾建筑物的cp′值.

對2個完全相同的串列方形高層建筑模型進行了受擾建筑風壓測量的風洞試驗。根據(jù)試驗結果,分析了施擾模型相對位置和高度變化對受擾模型局部風壓的影響。結果顯示,高度比固定,迎風面平均風壓在間距比小于3時為負壓,大于3時為正壓,側風和背風面平均負風壓及各個面脈動風壓均在間距比等于3時取得最大值。高度比變化,間距比小于3時,迎風面平均負風壓隨高度比的增大而增大,側風和背風面則均在等高時取得最小值,和平均風壓不同,迎風、側風面脈動風壓均在等高時取得最大值,背風面在等高時取得最小值;當間距比大于3時,平均風壓在各個面上均隨高度比的增大而減小,脈動風壓在迎風和側風面隨高度比的增大而增大,背風面則在等高時取得最小值。

從建筑群風效應的角度出發(fā),運用數(shù)值模擬方法,結合風洞模型試驗對群體低層四坡屋面房屋周圍的風場及表面風壓進行了計算和分析,并與雙坡屋面建筑群做比較,在單體數(shù)值模擬計算結果和風洞試驗結果有較好吻合的前提下,獲得了有相鄰建筑干擾的情況下,低層四坡屋面房屋的表面風壓的變化規(guī)律,為群體建筑的合理建筑形式及結構抗風設計提供理論依據(jù)。

為研究超高層建筑風致內壓的干擾效應,在不同干擾工況下對一典型開洞超高層建筑進行了內壓風洞試驗.分析了不同截面寬度、不同高度施擾建筑干擾下的平均與峰值內壓干擾因子的分布規(guī)律,并通過功率譜分析,研究了有、無干擾建筑時脈動內壓的能量分布.結果表明:有、無干擾下的超高層建筑風致內壓近似服從高斯分布;串列布置時,隨著施擾建筑與受擾建筑的截面寬度比的增大,內壓干擾因子逐漸減小;在并列布置且側面開洞時,平均與峰值內壓均呈放大效應,且干擾因子隨著寬度比的增大而隨之增加,峰值內壓干擾因子最大值為1.33,此時若并列間距較小時,旋渦脫落共振峰值消失,但helmhohz共振峰值能量會被大幅提高;當串列布置且施擾建筑高度與開洞所在高度相近時,側面開洞受擾建筑的峰值內壓始終被放大,峰值內壓干擾因子最大值為1.12.

提出通過在風洞試驗中多通道測量剛性模型表面瞬態(tài)風壓并進行積分的方法研究高層建筑的動態(tài)風干擾。模型表面的瞬態(tài)風壓利用多通道同步壓力測量而得到。為提高數(shù)值積分精度,測壓孔位置按高斯求積節(jié)點布置。設計了表面布置有測壓孔的受擾高層建筑剛性模型和三種不同高度的干擾建筑模型,研究了相同高度以及不同高度的兩個高層建筑之間的順風向和橫風向動態(tài)風干擾。借助干擾因子討論了近鄰建筑的位置、距離以及樓高對受擾建筑基礎動態(tài)傾覆力矩的影響規(guī)律,并與傳統(tǒng)方法所得結果作了比較。

基于流體動力學軟件cfx10.0計算平臺,采用數(shù)值模擬方法對行列式群體建筑物間的相互干擾效應進行模擬,研究各單體建筑表面的風荷載平均風壓系數(shù)干擾因子隨建筑物間距sx的變化規(guī)律,得出當sx較小時,變化規(guī)律復雜,上游建筑對下游建筑呈現(xiàn)明顯的遮擋效應,當sx大于3b時,建筑群中各個建筑表面干擾因子趨于穩(wěn)定。從風干擾角度為中高層建筑群的設計提供參考。

采用基于rans的sst(shearstresstransport)k-ω湍流模型對不同屋面坡角下雙坡屋頂?shù)桶ㄖ谋砻骘L壓及周圍定常風場進行數(shù)值模擬,深入分析了坡角對結構周圍流場及其表面風壓的影響.在理解建筑周圍流場結構的基礎上,對中美澳3國風荷載規(guī)范中關于封閉式雙坡屋頂?shù)桶ㄖ黧w結構的相關規(guī)定做了詳細比較.結果表明,采用sstk-ω模型結合適當?shù)倪吔鐥l件,可較準確地預測結構表面平均風壓系數(shù)及周圍定常流場;分析建筑周圍流場結構有助于理解并對比分析規(guī)范中的相應規(guī)定.通過規(guī)范比較可知,中國規(guī)范相對簡單,美澳規(guī)范則較為詳細的考慮了屋面坡角、建筑長寬比、氣流分離及再附著等因素對風壓系數(shù)的影響.最后,結合數(shù)值模擬的結論,給出中國規(guī)范相應規(guī)定的細化建議.

研究多個主開洞的低矮建筑風壓特性對于其抗風意義重大,但目前此類研究有限。依托cfd數(shù)值模擬計算平臺,研究單面多個主開洞和多面多個主開洞的低矮建筑的風壓分布特性。研究典型低矮建筑在單面多主開洞和多面多主開洞時,不同風速和風向角下的表面平均風壓變化規(guī)律。分析得到多個開洞建筑的洞口位置、洞口數(shù)量和分布對平均風壓系數(shù)的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)單面多個主開洞和多面多個主開洞的低矮建筑的風壓分布特性。對于多面多個主開洞建筑,發(fā)現(xiàn)并提出"通口效應"的存在。研究成果可為多個主開洞低矮房屋的抗風設計提供參考。

基于低矮建筑表面風壓測量風洞試驗數(shù)據(jù),分析了低矮建筑各部位風壓系數(shù)的概率統(tǒng)計特征。分析結果顯示,在迎風墻、屋蓋上風區(qū)和側墻上風區(qū)以及斜風時屋蓋某些關鍵測點上,風壓系數(shù)的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)都嚴重偏離高斯過程對應值,表現(xiàn)出很強的非高斯性;在背風墻、屋蓋下風區(qū)和側墻下風區(qū),盡管風壓系數(shù)的偏度系數(shù)接近高斯過程對應值,但峰度系數(shù)仍然偏大,風壓系數(shù)仍然是非高斯性的。將利用峰值因子法得到的模型各測點上的最不利正、負風壓系數(shù)與直接觀察法得到的結果進行了對比,結果表明,峰值因子法低估了墻面上的最不利正、負風壓系數(shù),低估了屋蓋上的最不利負風壓系數(shù),但高估了屋蓋上的正風壓系數(shù),估計誤差率在-37%～+120%之間。

在相鄰建筑物的干擾下,受擾高層建筑的風荷載與其在孤立狀態(tài)下相比會有較大的變化。本文采用動態(tài)測力天平技術,通過模型風洞試驗研究了方形截面高層建筑在周邊另一個同樣建筑的氣動干擾下,其平均、脈動和峰值扭轉風荷載的干擾效應,分析了建筑物間距、風場和風向角等參數(shù)的影響。研究表明,高層建筑扭轉荷載的干擾效應很顯著,b類風場0°風向角下,峰值扭矩干擾因子ifp可達2.1,45°風向角下更可高達3.5。最后通過分析受擾模型的基底扭矩譜討論了上游建筑旋渦脫落的影響。

在tj-1風洞中采用高頻動態(tài)天平技術對兩個形狀相同的方形截面高層建筑模型間的橫風向動力干擾效應進行了風洞實驗研究。同時,對主模型采用氣動彈性模型,在相同的配置下進行了實驗。兩種實驗方法所得的結果比較一致。最后應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法對試驗結果進行了模擬和推廣,給出了橫風向動力干擾因子的等值線圖,可供規(guī)范參考。

采用可實現(xiàn)的k-ε湍流模型,對處于b類地貌風場中由4棟復雜體型高層建筑組成的建筑群進行了靜力風荷載和風場的數(shù)值模擬,計算得出了群樓周圍的流場分布和建筑表面各測點的風壓,與風洞試驗結果比較表明:數(shù)值模擬方法具有較好的精度,可用于兩個以上的復雜體型高層建筑群樓的靜力干擾研究。著重討論了復雜體型高層建筑物之間的靜力干擾效應,結果表明:串列布置時,上游建筑對下游建筑的迎風面和側風面都有影響;而并列布置時,靜力干擾作用只發(fā)生在相鄰建筑物的側風面,對相鄰建筑物的迎風面影響很小;靜力干擾效應隨高度有顯著的變化,尤其對高低錯落的建筑群,表現(xiàn)為明顯的三維效應。

研究品字形建筑群靜力干擾效應,以及受擾建筑表面風壓系數(shù)干擾因子的空間分布,分析建筑相對位置變化對靜力干擾效應的影響.結果表明,建筑物串聯(lián)布置且間距較小時,遮擋效應明顯;建筑間斜列布置時,靜力干擾效應減弱;建筑間并列布置時,容易發(fā)生狹縫效應.對于成品字形建筑群,下兩建筑對上一建筑的干擾效應具有遮擋效應又有狹縫效應.受擾建筑表面風壓的干擾因子,其分布沿高度和寬度的不同位置而變化顯著.

制作了縮尺比為1∶200的泉州中蕓洲海景花園9棟高層建筑的剛性模型,在其外表面布置足夠的測點進行了同步測壓風洞試驗。試驗得到了該9棟高層建筑表面的平均風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)。利用風洞試驗得到的風荷載數(shù)據(jù),研究了該9棟建筑的風致響應,包括位移和加速度響應。結果表明:左右或下游建筑的影響可能會增大上游建筑的背風面"吸力";泉州中蕓洲海景花園9棟高層建筑相互干擾效應主要表現(xiàn)為"遮擋"效應,其頂部加速度響應均小于規(guī)范限值,能滿足人體舒適度的相關要求。

采用力天平技術,用風洞試驗方法研究了5種不同高度和寬度比的一個和兩個施擾建筑物在不同間距和地貌條件下對受擾建筑的靜力干擾影響。分析中采用神經(jīng)網(wǎng)絡、統(tǒng)計分析等方法對不同影響因素進行分析和對比,采用了一種比較簡潔的方式,描述三個建筑物間的風致干擾特性,解決了三個建筑物的靜力干擾效應難以表示的難點。結果顯示:對于順風向靜力干擾而言,干擾因子基本都小于1,呈現(xiàn)遮擋效應。但同時也發(fā)現(xiàn),由于狹管效應,處于并列布置時的某些配置的最大干擾因子值可高達12,即此時結構在受擾后的平均荷載有可能比其孤立狀態(tài)增加20%。一般情況下,遮擋效應隨施擾建筑物的寬度的增大而增大,但狹管效應也會隨之增強。高度比小于05的施擾建筑的影響可以忽略不計,對干擾效應有較明顯影響的高度比在05～10之間,高度比超過此范圍的建筑物的遮擋影響基本和高度比為1的一致,但狹管效應則會更為明顯。

首先采用測力天平模型風洞試驗研究了2棟高層建筑間的靜力干擾效應,得到2個相同的方形截面建筑在不同相對位置時的靜力干擾因子fm.然后基于fluent6平臺采用rng(renormalizationgroup,重整化群理論)κ-ε湍流模型,計算了d類地貌風場中2棟高寬比均為6的方形高層建筑模型(10cm×10cm×60cm)在串列、并列和偏置狀態(tài)下的靜態(tài)三維流場和風荷載;并與風洞試驗得到的靜力干擾因子進行了比較.結果表明,數(shù)值模擬方法是研究建筑物靜力干擾效應的一種有效途徑,相對于試驗方法,數(shù)值模擬更具有優(yōu)勢.

采用可實現(xiàn)的k-ε湍流模型,對處于b類地貌風場中復雜體型的雙塔建筑進行了風荷載和風場的數(shù)值模擬,計算得出了建筑周圍的流場分布和建筑表面各測點的風壓,與風洞試驗結果比較表明,數(shù)值模擬方法具有較好的精度,可用于復雜體型的雙塔建筑的靜力干擾研究。著重討論了雙塔建筑物之間的狹縫效應,結果表明,并列布置時,干擾作用只發(fā)生在相鄰建筑物的側風面,對相鄰建筑物的迎風面影響很小,干擾作用的大小與建筑物的間距有關。

在風洞中用高頻動態(tài)天平研究了兩個高層建筑間的風致干擾效應。通過分析上游施擾模型的尾流和動態(tài)天平試驗中受擾模型的基底彎矩譜,得到了上游建筑的旋渦脫落、上游建筑對受擾建筑自身渦脫特性的影響以及上游建筑尾流中紊流的增強這三種因素是建筑物風致動力干擾效應的機理。最后分析了風場對動力干擾效應的影響。