局部竖向外伸板对方形高层建筑气动力优化效应的试验研究

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随着建筑高度的不断增加,高层建筑抗风设计的重要性与日俱增。气动优化作为抗风设计中的一项重要措施,近年来在结构设计中得到了广泛的应用。目前,高层建筑的气动优化主要通过改变建筑外形来实现,包括对建筑截面进行削角、切角或者使建筑沿高度方向扭转、收缩等。然而,此类气动优化措施也可能带来不利的影响,比如造成建筑空间不规则、降低内部空间利用率、增加设计与施工的困难等。基于以上原因,本文将局部竖向板布置在高层建筑表面,这样的措施避免了改变建筑内部空间,探索了高层建筑气动优化的另一种可能性。
  本研究设计了多种竖板布置形式,以竖板不同的外伸宽度、距建筑边缘的距离和是否连续作为影响参数,就局部竖向外伸板对方形高层建筑的气动优化影响效应进行较为深入的研究。
  通过一系列的风洞测压试验,本研究以1个无附属物的方形截面参考模型和16个表面布置不同竖板的方形截面模型为研究对象,详细探究了局部附加竖向板对方形高层建筑风荷载的影响。本文主要的研究内容如下:
  1)首先阐述了国内外高层建筑气动优化现状,分析了竖向板对高层建筑进行气动优化的可能性,然后详细介绍了本研究中风洞试验的基本理论和试验设计方案。
  2)完成长宽高比为1∶1∶5的方形截面高层模型的风洞测压试验,得到该模型表面的平均风压系数和层风力系数,并将此结果与TPU数据库中相同长宽高试验模型的结果进行对比,验证了本次试验结果的可靠性。接着开展了16种附加不同竖板形式模型的风洞测压试验,并着重比较竖板外伸宽度、竖板与建筑边缘距离和竖板是否连续等参数对模型局部风压、层风力和基底弯矩的影响规律。
  3)试验结果表明,竖板对模型局部荷载的影响规律如下:在0°风向角下,绝大多数竖向板能一定程度地增大模型迎风面局部平均正压,能明显降低模型侧风面平均负压,同时能降低模型侧风面的局部脉动负压,脉动风压的最大降幅约为23.9%;在全风向角下,竖板能较为明显地降低模型迎风面的正压极值和侧风面的负压极值。
  4)试验结果表明,竖板对模型整体荷载的影响规律如下:连续且外伸宽度较大的竖板能显著降低模型横风向层风力的脉动值,最大降幅高于50%。通过探究模型基底弯矩极值的结果发现,所有竖板模型均能显著降低顺风向和横风向的基底弯矩极值,两个方向的极值最大降幅较参考模型分别降低28.6%和40.6%。
  5)根据模型横风向脉动功率谱的结果表明,绝大多数竖向板可以抑制功率谱的峰值,同时减弱其能量集中的现象。同时发现,所有竖板模型的层风力沿模型高度方向的竖向相关性均小于参考模型。模型顺风向和横风向的基底弯矩相平面轨迹图表明,竖板外伸宽度较小时,顺风向和横风向基底弯矩的最大值同时出现的可能性很低;竖板外伸宽度较大时,这两者往往同时出现。
  本文创新点如下:
  1)考虑了局部附加竖板的不同外伸宽度、不同间距和不同连续性来研究高层建筑的气动优化效果;
  2)通过风洞测压试验获取了竖板表面风压时程数据,并将其用于计算模型层风力和整体弯矩;
  3)探究了不同形式的局部竖板对方形高层建筑模型局部风压、层风力和基底弯矩的优化效果。
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