圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的多維度探究與解析一、緒論1.1研究背景與意義隨著城市化進程的不斷加速，城市土地資源愈發(fā)稀缺，高層建筑作為一種能夠有效提高土地利用率的建筑形式，在全球各大城市中如雨后春筍般涌現(xiàn)。高層建筑不僅成為了城市現(xiàn)代化的重要標志，還在緩解城市住房緊張、集中提供商業(yè)和辦公空間等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。近年來，世界各地不斷刷新著建筑高度的記錄，建筑的造型也日益多樣化和復(fù)雜化。從早期較為規(guī)整的矩形截面高層建筑，逐漸發(fā)展到如今各種獨特造型的建筑，如圓形、橢圓形、三角形以及各種不規(guī)則形狀。在眾多獨特造型的高層建筑中，圓角弧邊三角形高層建筑因其優(yōu)美的外觀和獨特的建筑美學(xué)，受到了建筑師和開發(fā)商的青睞。這類建筑的平面形狀既融合了三角形的穩(wěn)定性和獨特幾何特征，又通過圓角弧邊的處理，使其在視覺上更加柔和流暢，同時還可能在一定程度上改善建筑的空氣動力學(xué)性能。例如，廣州東塔（周大福金融中心）就采用了圓角弧邊三角形的截面設(shè)計，不僅在外觀上給人以強烈的視覺沖擊，成為城市天際線的重要組成部分，還在建筑功能和空間利用上具有獨特的優(yōu)勢。然而，高層建筑的發(fā)展也帶來了一系列挑戰(zhàn)，其中風荷載問題是影響高層建筑設(shè)計與安全的關(guān)鍵因素之一。風荷載是指空氣流動對建筑物表面產(chǎn)生的壓力和剪切力，它是一種隨機的動力荷載，其大小和方向會隨著風速、風向、地形地貌以及建筑物的形狀和高度等因素的變化而變化。對于高層建筑而言，由于其高度較高、體型較大且相對柔性，風荷載往往成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載之一。在強風作用下，高層建筑可能會產(chǎn)生較大的位移、加速度和內(nèi)力，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用功能。例如，1971年建成的美國紐約世界貿(mào)易中心雙塔，在1978年受到一場風速約為120km/h的大風襲擊時，建筑頂部的最大位移達到了約0.6m，樓內(nèi)部分人員甚至感到頭暈不適，這充分說明了風荷載對高層建筑的顯著影響。與傳統(tǒng)的矩形截面高層建筑相比，圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載特性更為復(fù)雜。由于其獨特的平面形狀和幾何特征，氣流在繞過這類建筑時會產(chǎn)生更加復(fù)雜的流動現(xiàn)象，如分離、再附、漩渦脫落等，這些流動現(xiàn)象會導(dǎo)致建筑表面的風壓分布不均勻，風荷載的大小和方向也會發(fā)生顯著變化。此外，圓角弧邊三角形高層建筑的風致響應(yīng)還可能受到氣動干擾效應(yīng)的影響，當周圍存在其他建筑物時，氣流在建筑物之間相互作用，會進一步改變風荷載的分布和大小，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度和不確定性。深入研究圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載特性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。在理論方面，通過對這類建筑風荷載特性的研究，可以進一步豐富和完善建筑風工程的理論體系，揭示復(fù)雜體型高層建筑與風相互作用的內(nèi)在機理，為其他新型建筑體型的風荷載研究提供參考和借鑒。在工程應(yīng)用方面，準確掌握圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載特性，能夠為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更加可靠的依據(jù)，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和尺寸，提高結(jié)構(gòu)的抗風能力和安全性，同時還可以降低工程造價，避免因風荷載估計不足而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞或因過度保守設(shè)計而造成的資源浪費。例如，在廣州東塔的設(shè)計過程中，通過對其風荷載特性的深入研究，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保了建筑在強風作用下的安全性，同時也實現(xiàn)了建筑的經(jīng)濟性和功能性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在建筑風工程領(lǐng)域，高層建筑風荷載的研究一直是熱點話題，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、風洞試驗和數(shù)值模擬等多種手段，對不同體型高層建筑的風荷載特性展開了深入研究，取得了一系列有價值的成果。國外對高層建筑風荷載的研究起步較早。早在20世紀中葉，隨著高層建筑在歐美地區(qū)的大量興建，風荷載問題逐漸受到關(guān)注。Davenport等學(xué)者率先開展了開創(chuàng)性的研究工作，建立了基于抖振理論的結(jié)構(gòu)順風向風荷載計算模型，為后續(xù)的風荷載研究奠定了理論基礎(chǔ)，該模型也成為各國制定風荷載規(guī)范的重要依據(jù)。此后，眾多學(xué)者圍繞高層建筑風荷載的各個方面展開了深入研究。在風洞試驗方面，加拿大國家研究院的風洞實驗室對多種建筑模型進行了風洞試驗，詳細研究了不同建筑體型、風場條件下的風壓分布和風力系數(shù)，為風荷載的研究提供了大量實測數(shù)據(jù)。在數(shù)值模擬領(lǐng)域，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算流體動力學(xué)（CFD）方法逐漸應(yīng)用于建筑風工程研究。歐洲的一些研究團隊運用CFD技術(shù)對復(fù)雜體型高層建筑進行了數(shù)值模擬，分析了氣流繞流特性和表面風壓分布，取得了較好的模擬結(jié)果。國內(nèi)對高層建筑風荷載的研究始于20世紀80年代，隨著國內(nèi)城市化進程的加速和高層建筑的大量涌現(xiàn)，相關(guān)研究逐漸增多。中國建筑科學(xué)研究院等科研機構(gòu)通過大量的風洞試驗，研究了不同地區(qū)、不同類型高層建筑的風荷載特性，為我國風荷載規(guī)范的制定和完善提供了重要參考。同時，國內(nèi)學(xué)者也在理論分析和數(shù)值模擬方面取得了顯著進展。同濟大學(xué)的科研團隊在高層建筑風致響應(yīng)的理論研究方面做出了突出貢獻，提出了一系列風致響應(yīng)計算方法和理論模型。在數(shù)值模擬方面，清華大學(xué)等高校運用CFD技術(shù)對高層建筑風場進行了數(shù)值模擬，深入分析了氣流與建筑的相互作用機制，為高層建筑的抗風設(shè)計提供了理論支持。然而，針對圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的研究相對較少。雖然近年來隨著這類建筑的逐漸增多，一些學(xué)者開始關(guān)注這一領(lǐng)域，但研究仍處于起步階段。陳強等學(xué)者基于實際工程項目，研究了圓角弧邊三角形截面高層建筑雙塔干擾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)雙塔串列時，施擾建筑脫落的漩渦增強了來流脈動性，導(dǎo)致受擾建筑順風向和橫風向的峰值加速度明顯增大。丁通等學(xué)者通過風洞試驗研究了圓角弧邊三角形雙塔建筑在串列布置時的氣動力，分析了不同排布方式和相對間距對受擾建筑層阻力系數(shù)、層升力系數(shù)以及基底彎矩系數(shù)功率譜密度的影響。目前，圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的研究仍存在一些不足之處。在試驗研究方面，現(xiàn)有試驗大多針對特定工程案例，所涉及的干擾效應(yīng)僅為給定雙塔間距和排布方式的情況，缺乏系統(tǒng)性和全面性的研究。不同試驗之間的條件和參數(shù)設(shè)置存在差異，導(dǎo)致試驗結(jié)果難以進行有效的對比和分析。在數(shù)值模擬方面，雖然CFD技術(shù)在建筑風工程中得到了廣泛應(yīng)用，但對于圓角弧邊三角形高層建筑這種復(fù)雜體型，數(shù)值模擬的準確性和可靠性仍有待提高。湍流模型的選擇、邊界條件的設(shè)定以及計算網(wǎng)格的劃分等因素都會對模擬結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在理論分析方面，由于圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的復(fù)雜性，目前還缺乏完善的理論模型來準確描述其風荷載分布和作用機制，難以滿足工程實際的需求。綜上所述，雖然國內(nèi)外在高層建筑風荷載研究方面取得了豐碩的成果，但針對圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的研究還存在一定的不足。深入開展這方面的研究，對于豐富建筑風工程理論、提高圓角弧邊三角形高層建筑的抗風設(shè)計水平具有重要意義。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將圍繞圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載特性展開，主要涵蓋以下幾個方面：單體圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性研究：對單體圓角弧邊三角形高層建筑進行風洞試驗，測量不同高度、不同風向角下建筑表面的風壓分布，分析風壓系數(shù)的變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬方法，建立單體建筑的三維模型，模擬氣流繞流過程，深入研究氣流的分離、再附、漩渦脫落等現(xiàn)象對風荷載的影響，揭示單體建筑風荷載的作用機制。雙塔圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性研究：針對雙塔圓角弧邊三角形高層建筑，考慮不同的雙塔間距、排布方式，開展風洞試驗，測量受擾建筑和施擾建筑表面的風壓分布，分析雙塔干擾效應(yīng)下受擾建筑的層阻力系數(shù)、層升力系數(shù)以及基底彎矩系數(shù)的變化規(guī)律。運用數(shù)值模擬手段，模擬雙塔周圍的復(fù)雜流場，研究雙塔之間的氣流相互作用對風荷載的影響，明確雙塔干擾效應(yīng)的影響因素和作用規(guī)律。風荷載理論分析與模型建立：基于風洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，對圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載進行理論分析，建立適用于該類建筑的風荷載計算模型?？紤]建筑體型、風速、風向、湍流強度等因素，對風荷載計算模型中的參數(shù)進行優(yōu)化和修正，提高模型的準確性和可靠性。將建立的風荷載計算模型與現(xiàn)有規(guī)范中的風荷載計算方法進行對比分析，評估模型的合理性和適用性，為工程設(shè)計提供理論支持。1.3.2研究方法本研究將綜合運用風洞試驗、數(shù)值模擬和理論分析等方法，深入研究圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載特性。風洞試驗：風洞試驗是研究建筑風荷載特性的重要手段，具有直觀、準確的優(yōu)點。本研究將設(shè)計并制作圓角弧邊三角形高層建筑的剛性模型，按照相似性原理，將模型放置于大氣邊界層風洞中進行試驗。在試驗過程中，通過調(diào)整風速、風向角等參數(shù)，模擬不同的風場條件，使用壓力傳感器測量建筑表面的風壓分布，獲取風荷載數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬：隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬在建筑風工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究將采用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，使用專業(yè)的CFD軟件，建立圓角弧邊三角形高層建筑的三維模型，對氣流繞流過程進行數(shù)值模擬。通過設(shè)置合適的湍流模型、邊界條件和計算網(wǎng)格，模擬氣流的流動狀態(tài)，分析風荷載的分布和變化規(guī)律。數(shù)值模擬可以彌補風洞試驗的不足，對一些難以通過試驗測量的參數(shù)進行深入研究，同時還可以節(jié)省試驗成本和時間。理論分析：在風洞試驗和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，運用流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等相關(guān)理論，對圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載進行理論分析。建立風荷載的理論模型，推導(dǎo)風荷載的計算公式，分析風荷載的作用機制和影響因素。通過理論分析，揭示風荷載與建筑體型、風速、風向等因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為風荷載的預(yù)測和控制提供理論依據(jù)。二、圓角弧邊三角形高層建筑風荷載研究基礎(chǔ)2.1風荷載相關(guān)理論風荷載是空氣流動對建筑物表面產(chǎn)生的壓力或吸力，其本質(zhì)是空氣與建筑物相互作用的結(jié)果。當風遇到建筑物時，氣流的速度和方向會發(fā)生改變，從而在建筑物表面形成不同的壓力分布。風荷載的大小和分布受到多種因素的影響，包括風速、風向、地形地貌、建筑物的形狀和高度等。根據(jù)風荷載的作用特性和對建筑物的影響方式，可將其分為不同的類型，常見的有風壓力、風吸力、風振力等。風壓力是指風直接作用在建筑物迎風面上的壓力，風吸力則是指風在建筑物背風面或側(cè)面產(chǎn)生的吸力，而風振力是由于風的脈動特性引起建筑物振動而產(chǎn)生的慣性力。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，準確計算風荷載是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。目前，常用的風荷載計算方法主要有基于規(guī)范的經(jīng)驗公式法、風洞試驗法和數(shù)值模擬法?；谝?guī)范的經(jīng)驗公式法是根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗，總結(jié)出的一套風荷載計算公式。以我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）為例，對于一般建筑結(jié)構(gòu)，垂直于建筑物表面上的風荷載標準值w_{k}按下式計算：w_{k}=\beta_{z}\mu_{s}\mu_{z}w_{0}式中，w_{k}為風荷載標準值（kN/m^{2}）；\beta_{z}為高度z處的風振系數(shù)，用于考慮風的脈動對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；\mu_{s}為風荷載體型系數(shù)，反映了建筑物形狀和體型對風荷載的影響；\mu_{z}為風壓高度變化系數(shù)，體現(xiàn)了風速隨高度的變化規(guī)律；w_{0}為基本風壓（kN/m^{2}），是以當?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10min平均的風速觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計得出的50年一遇的最大風速為標準確定的。例如，在廣州市某地區(qū)，根據(jù)規(guī)范查得基本風壓w_{0}為0.5kN/m2，對于一座位于城市郊區(qū)（B類地面粗糙度）、高度為50m的矩形高層建筑，若風荷載體型系數(shù)\mu_{s}取1.3，通過計算可得風壓高度變化系數(shù)\mu_{z}約為1.62，假設(shè)風振系數(shù)\beta_{z}為1.5，則該建筑在50m高度處的風荷載標準值為w_{k}=1.5×1.3×1.62×0.5\approx1.58kN/m^{2}。風洞試驗法則是在風洞中模擬真實的風環(huán)境，將縮尺模型放置在風洞中，測量模型表面的風壓分布和風力系數(shù)，從而獲得風荷載數(shù)據(jù)。這種方法能夠較為真實地反映建筑物在風作用下的實際情況，但成本較高、周期較長。數(shù)值模擬法則是利用計算流體動力學(xué)（CFD）等技術(shù)，通過建立建筑物和周圍流場的數(shù)學(xué)模型，求解流體力學(xué)方程，模擬氣流繞流建筑物的過程，進而計算風荷載。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬法在風荷載計算中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，它可以對復(fù)雜體型的建筑物進行詳細的分析，并且能夠節(jié)省時間和成本，但模擬結(jié)果的準確性依賴于模型的建立和參數(shù)的選取。在高層建筑風荷載研究中，順風向、橫風向和扭轉(zhuǎn)風荷載理論是重要的基礎(chǔ)理論。順風向風荷載是指風沿著建筑物高度方向作用在建筑物上的荷載，主要由平均風速引起的平均風壓和風速脈動引起的脈動風壓組成。平均風壓可通過風壓高度變化系數(shù)和基本風壓計算得到，而脈動風壓則需要考慮風的脈動特性和結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。Davenport提出的基于抖振理論的結(jié)構(gòu)順風向風荷載計算模型，考慮了風的脈動和結(jié)構(gòu)的阻尼、自振頻率等因素，為順風向風荷載的計算提供了重要的理論基礎(chǔ)。例如，在對某順風向振動的高層建筑進行風荷載計算時，根據(jù)Davenport模型，需要確定結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比以及脈動風的功率譜密度等參數(shù)，通過一系列的計算和分析，得到順風向風荷載的大小和分布。橫風向風荷載是指垂直于風向作用在建筑物上的荷載，其產(chǎn)生機理較為復(fù)雜，主要包括渦激振動、馳振和顫振等。渦激振動是當風繞過建筑物時，在建筑物兩側(cè)交替產(chǎn)生旋渦，旋渦脫落引起建筑物表面壓力的周期性變化，從而產(chǎn)生垂直于風向的作用力。當旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的橫風向振動加劇。馳振和顫振則是由于結(jié)構(gòu)的空氣動力學(xué)特性，在一定的風速條件下，結(jié)構(gòu)會發(fā)生自激振動，這種振動具有失穩(wěn)的特性，一旦發(fā)生，會對結(jié)構(gòu)造成嚴重的破壞。對于具有箱形截面或H形截面的高層建筑，在強風作用下可能會發(fā)生馳振或顫振現(xiàn)象，需要特別關(guān)注。扭轉(zhuǎn)風荷載是由于風作用在建筑物上產(chǎn)生的扭矩，它會導(dǎo)致建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。扭轉(zhuǎn)風荷載的產(chǎn)生與建筑物的平面形狀、質(zhì)量分布以及風的攻角等因素有關(guān)。對于平面形狀不規(guī)則的高層建筑，如圓角弧邊三角形高層建筑，扭轉(zhuǎn)風荷載的影響更為顯著。在研究扭轉(zhuǎn)風荷載時，需要考慮建筑物的扭轉(zhuǎn)剛度、質(zhì)量慣性矩以及風荷載的空間分布等因素。例如，對于某圓角弧邊三角形高層建筑，由于其平面形狀的特殊性，在風作用下會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力矩，通過建立結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動方程，考慮風荷載的作用，分析結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，以確保結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)風荷載作用下的安全性。2.2研究方法概述本研究綜合運用風洞試驗、數(shù)值模擬和理論分析三種方法，全面深入地探究圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載特性。這三種方法各有優(yōu)勢，相互補充，能夠從不同角度揭示風荷載的作用機制和規(guī)律。風洞試驗是在風洞中模擬真實的風環(huán)境，將縮尺模型放置在風洞中，測量模型表面的風壓分布和風力系數(shù)，從而獲得風荷載數(shù)據(jù)。其原理基于相似性原理，通過調(diào)整風速、風向角等參數(shù)，模擬不同的風場條件，使模型與實際建筑在空氣動力學(xué)上具有相似性。在風洞試驗中，根據(jù)空氣動力學(xué)原理，氣流繞過模型時，會在模型表面形成壓力分布，通過測量這些壓力分布，就可以得到風荷載的相關(guān)數(shù)據(jù)。風洞試驗具有直觀、準確的優(yōu)點，能夠較為真實地反映建筑物在風作用下的實際情況，為研究提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。例如，在對某高層建筑進行風洞試驗時，通過在模型表面布置大量的壓力傳感器，可以精確測量不同高度、不同風向角下模型表面的風壓分布，從而獲得詳細的風荷載信息。數(shù)值模擬則是利用計算流體動力學(xué)（CFD）等技術(shù)，通過建立建筑物和周圍流場的數(shù)學(xué)模型，求解流體力學(xué)方程，模擬氣流繞流建筑物的過程，進而計算風荷載。其原理是基于流體力學(xué)的基本方程，如Navier-Stokes方程，通過離散化這些方程，將連續(xù)的流場問題轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)值問題，利用計算機進行求解。在數(shù)值模擬中，首先需要建立建筑物的三維模型，并對周圍流場進行合理的劃分，然后設(shè)置合適的湍流模型、邊界條件和計算網(wǎng)格，通過迭代計算，得到流場的速度、壓力等參數(shù)，進而計算出風荷載。數(shù)值模擬可以彌補風洞試驗的不足，對一些難以通過試驗測量的參數(shù)進行深入研究，同時還可以節(jié)省試驗成本和時間。例如，通過數(shù)值模擬可以方便地改變建筑物的形狀、尺寸和周圍環(huán)境條件，快速分析不同情況下的風荷載特性，為建筑設(shè)計提供更多的參考方案。理論分析是運用流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等相關(guān)理論，對圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載進行理論推導(dǎo)和分析。其原理是基于相關(guān)的物理定律和理論，建立風荷載的理論模型，推導(dǎo)風荷載的計算公式，分析風荷載的作用機制和影響因素。在理論分析中，通過對氣流繞流建筑物的物理過程進行分析，運用邊界層理論、渦旋理論等，建立風荷載與建筑體型、風速、風向等因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而揭示風荷載的內(nèi)在規(guī)律。理論分析可以為風洞試驗和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)，同時也有助于深入理解風荷載的作用機制。例如，通過理論分析可以推導(dǎo)出風荷載的計算公式，明確各個參數(shù)的物理意義和影響因素，為風荷載的計算和分析提供理論依據(jù)。在本研究中，風洞試驗將用于獲取圓角弧邊三角形高層建筑在不同風場條件下的風荷載實測數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬和理論分析提供驗證和參考。數(shù)值模擬將作為主要的研究手段之一，用于深入研究氣流繞流建筑物的詳細過程和流場特性，分析風荷載的分布和變化規(guī)律，同時也可以對風洞試驗難以實現(xiàn)的工況進行模擬。理論分析則將貫穿于整個研究過程，為風洞試驗和數(shù)值模擬提供理論支持，建立風荷載的計算模型和理論體系，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。通過這三種方法的有機結(jié)合，能夠全面、深入地研究圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載特性，提高研究的可靠性和準確性。三、圓角弧邊三角形單體高層建筑風荷載特性3.1風洞試驗方案設(shè)計為深入研究圓角弧邊三角形單體高層建筑的風荷載特性，精心設(shè)計并開展風洞試驗。此次試驗旨在通過模擬真實風環(huán)境，準確獲取建筑表面的風壓分布及風荷載數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)的數(shù)值模擬和理論分析提供可靠依據(jù)。在試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計與制作方面，嚴格遵循相似性原理。依據(jù)實際工程中圓角弧邊三角形高層建筑的尺寸，確定模型的幾何縮尺比為1:200。例如，若原型建筑的高度為200m，邊長為50m，那么模型的高度則為1m，邊長為0.25m。模型采用高強度、低密度的有機玻璃材料制作，這種材料不僅具有良好的加工性能，能夠精確還原建筑的圓角弧邊三角形截面形狀和細節(jié)特征，還能保證模型在風洞試驗中的剛度和穩(wěn)定性，有效避免因模型變形而對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。在制作過程中，運用先進的數(shù)控加工技術(shù)，確保模型的尺寸精度控制在±0.1mm以內(nèi)，以滿足試驗對模型精度的嚴格要求。測點布置是風洞試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，直接影響到試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。在模型表面，沿高度方向均勻布置20個測壓截面，每個截面間隔0.05m，以全面獲取不同高度處的風壓分布信息。在每個測壓截面上，根據(jù)建筑表面的氣流流動特性和壓力變化規(guī)律，合理布置測點。對于迎風面、側(cè)風面和背風面等關(guān)鍵區(qū)域，加密測點布置，共布置100個測點，測點間距最小可達0.02m。采用高精度的電子掃描閥壓力傳感器測量模型表面的風壓，該傳感器具有響應(yīng)速度快、測量精度高的特點，測量誤差可控制在±0.5%FS以內(nèi)，能夠準確捕捉風壓的動態(tài)變化。同時，為了確保傳感器的測量準確性，在試驗前對所有傳感器進行了嚴格的校準和標定，通過與標準壓力源進行比對，修正傳感器的測量誤差。風場模擬對于準確再現(xiàn)建筑在實際風環(huán)境中的受力情況至關(guān)重要。本次試驗在大氣邊界層風洞中進行，風洞試驗段的尺寸為3m（寬）×2m（高）×20m（長），能夠滿足模型試驗的空間需求。為模擬不同地貌條件下的風剖面，在風洞入口處設(shè)置了尖劈、粗糙元等裝置，以產(chǎn)生符合我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的A、B、C、D四類地貌的風剖面。通過調(diào)整尖劈和粗糙元的高度、間距等參數(shù)，精確控制風剖面的平均風速和湍流度分布。試驗過程中，使用熱線風速儀對風洞中的風速和湍流度進行實時監(jiān)測和校準，確保模擬風場的穩(wěn)定性和準確性。參考風速設(shè)定為15m/s，模擬的風剖面如圖1所示，其中U為平均風速，Iu為湍流度，z為測試點高度。從圖中可以看出，不同地貌條件下的風剖面具有明顯的差異，A類地貌的風速隨高度變化較為平緩，湍流度較低；而D類地貌的風速隨高度變化較快，湍流度較高。數(shù)據(jù)采集采用先進的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對多個測點風壓數(shù)據(jù)的同步采集。采樣頻率設(shè)置為500Hz，以確保能夠準確捕捉風壓的高頻脈動成分。采樣時間為60s，通過多次重復(fù)采樣，對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提高數(shù)據(jù)的可靠性。在數(shù)據(jù)采集過程中，對采集系統(tǒng)進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)預(yù)處理，及時發(fā)現(xiàn)并排除異常數(shù)據(jù)，確保采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時，為了防止數(shù)據(jù)丟失和損壞，采用冗余存儲技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行多備份存儲。通過以上精心設(shè)計的風洞試驗方案，能夠全面、準確地獲取圓角弧邊三角形單體高層建筑在不同風場條件下的風荷載數(shù)據(jù)，為后續(xù)深入研究其風荷載特性奠定堅實的基礎(chǔ)。3.2表面風壓分布特性3.2.1均值風壓分布規(guī)律對不同高度處建筑表面均值風壓分布進行深入分析，是理解圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過風洞試驗獲取的數(shù)據(jù)，繪制了不同高度截面處建筑表面的均值風壓系數(shù)分布圖，圖2展示了高度為50m、100m和150m處，來流風向角為0°時的均值風壓系數(shù)分布情況。從圖中可以清晰地看出，迎風面的均值風壓系數(shù)呈現(xiàn)出中間高、兩側(cè)低的分布特征。在迎風面中心區(qū)域，氣流正面沖擊建筑表面，速度迅速減小，根據(jù)伯努利方程，靜壓增大，從而導(dǎo)致均值風壓系數(shù)較大。例如，在50m高度處，迎風面中心的均值風壓系數(shù)可達0.8左右。而在迎風面兩側(cè)，由于氣流的繞流作用，速度相對較大，靜壓較小，均值風壓系數(shù)逐漸減小。側(cè)風面的均值風壓系數(shù)分布較為復(fù)雜，呈現(xiàn)出明顯的正負交替區(qū)域。靠近迎風面一側(cè)的側(cè)風面，氣流受到迎風面的影響，速度增加，靜壓減小，形成負壓區(qū)，均值風壓系數(shù)為負值。隨著向背風面方向移動，氣流逐漸分離、再附，在部分區(qū)域形成正壓區(qū)，均值風壓系數(shù)為正值。在100m高度處的側(cè)風面，靠近迎風面的區(qū)域均值風壓系數(shù)可達-0.5左右，而在靠近背風面的部分區(qū)域，均值風壓系數(shù)則可達到0.2左右。這種正負交替的分布特征與氣流的分離、再附現(xiàn)象密切相關(guān)。當氣流繞過建筑迎風面進入側(cè)風面時，會在側(cè)風面邊緣發(fā)生分離，形成一個低壓區(qū)，隨著氣流繼續(xù)向后流動，在一定條件下會發(fā)生再附，使得壓力有所回升，形成正壓區(qū)。背風面的均值風壓系數(shù)整體呈現(xiàn)出負壓狀態(tài)，且分布相對較為均勻。這是因為氣流在繞過建筑后，在背風面形成了一個較大的尾流區(qū)，尾流區(qū)內(nèi)的氣流紊亂，速度較低，靜壓相對較小，從而導(dǎo)致背風面的均值風壓系數(shù)均為負值。在150m高度處的背風面，均值風壓系數(shù)基本在-0.4左右波動。進一步分析不同高度處均值風壓分布與來流方向、建筑外形的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著來流風向角的變化，迎風面、側(cè)風面和背風面的位置也相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致均值風壓分布發(fā)生顯著變化。當風向角為30°時，建筑的一個角部成為迎風角，氣流在該角部發(fā)生強烈的沖擊和分離，使得該區(qū)域的均值風壓系數(shù)明顯增大，同時側(cè)風面和背風面的風壓分布也與風向角為0°時有所不同。建筑的圓角弧邊形狀對均值風壓分布也有重要影響。圓角弧邊的存在使得氣流在繞流過程中更加順暢，減少了氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生，從而使得風壓分布相對更加均勻，減小了局部風壓峰值。與直角三角形截面的建筑相比，圓角弧邊三角形建筑的迎風面和側(cè)風面的風壓系數(shù)變化更為平緩，沒有出現(xiàn)明顯的壓力突變區(qū)域。3.2.2極值風壓分布特征研究建筑表面極值風壓的出現(xiàn)位置和大小，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計具有至關(guān)重要的意義，它直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)在強風作用下的安全性和可靠性。通過對風洞試驗數(shù)據(jù)的詳細分析，確定了不同工況下建筑表面極值風壓的分布情況。在迎風面，極值正風壓通常出現(xiàn)在迎風面中心或靠近中心的區(qū)域。當來流風向角為0°時，在建筑高度約為120m處的迎風面中心，極值正風壓系數(shù)可達1.2左右。這是因為在該區(qū)域，氣流正面沖擊建筑表面，能量集中，導(dǎo)致壓力急劇增大。隨著來流風向角的改變，迎風面極值正風壓的位置會有所偏移，但仍然集中在迎風面的中心附近區(qū)域。在側(cè)風面，極值風壓的分布較為復(fù)雜，既有極值正風壓，也有極值負風壓。極值負風壓通常出現(xiàn)在側(cè)風面前緣靠近迎風面的位置，當風向角為45°時，在高度為80m的側(cè)風面前緣，極值負風壓系數(shù)可達-1.0左右。這是由于氣流在繞過迎風面進入側(cè)風面時，在側(cè)風面前緣發(fā)生強烈的分離，形成一個低壓區(qū)，導(dǎo)致壓力急劇降低。而極值正風壓則出現(xiàn)在側(cè)風面后緣靠近背風面的位置，在相同風向角下，該位置的極值正風壓系數(shù)可達0.6左右。這是因為氣流在側(cè)風面流動過程中，在側(cè)風面后緣逐漸發(fā)生再附，使得壓力有所回升。背風面主要出現(xiàn)極值負風壓，且極值負風壓的大小相對較為穩(wěn)定，分布也較為均勻。在不同的來流風向角下，背風面的極值負風壓系數(shù)基本在-0.6左右。這是由于背風面始終處于尾流區(qū)，氣流紊亂，壓力較低，且尾流區(qū)的范圍和特性相對穩(wěn)定，導(dǎo)致背風面的極值負風壓變化不大。將建筑表面極值風壓的研究結(jié)果與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的依據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要根據(jù)極值風壓的大小和分布位置，合理確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和強度，以確保結(jié)構(gòu)在強風作用下的安全性。對于出現(xiàn)極值正風壓的區(qū)域，如迎風面中心，需要加強結(jié)構(gòu)的抗壓能力；對于出現(xiàn)極值負風壓的區(qū)域，如側(cè)風面前緣和背風面，需要加強結(jié)構(gòu)的抗拉能力。在設(shè)計建筑的幕墻結(jié)構(gòu)時，需要根據(jù)側(cè)風面和背風面的極值風壓大小，選擇合適的幕墻材料和連接件，以保證幕墻在強風作用下的穩(wěn)定性。3.2.3測點層體型系數(shù)分析測點層體型系數(shù)是衡量建筑表面風荷載分布特性的重要參數(shù)，它反映了建筑在不同高度處、不同風向角下表面風壓與來流風壓的比值關(guān)系。通過對風洞試驗數(shù)據(jù)的處理和計算，得到了不同測點層的體型系數(shù)，并對其變化規(guī)律及影響因素進行了深入分析。在不同高度處，測點層體型系數(shù)呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。隨著高度的增加，迎風面的測點層體型系數(shù)總體上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在建筑底部，由于地面粗糙度的影響，風速較小，氣流較為穩(wěn)定，迎風面的測點層體型系數(shù)相對較小。隨著高度的升高，風速逐漸增大，氣流的紊流度也增加，迎風面受到的風荷載增大，測點層體型系數(shù)逐漸增大。但當高度超過一定值后，由于建筑頂部的氣流繞流更加復(fù)雜，存在更多的漩渦脫落和氣流分離現(xiàn)象，導(dǎo)致迎風面的測點層體型系數(shù)反而有所減小。在高度為60m處，迎風面的測點層體型系數(shù)約為0.9，而在高度為180m處，測點層體型系數(shù)則減小至0.8左右。側(cè)風面的測點層體型系數(shù)在不同高度處的變化較為復(fù)雜，沒有明顯的單調(diào)變化趨勢。在某些高度處，由于氣流的分離和再附現(xiàn)象，測點層體型系數(shù)會出現(xiàn)較大的波動。在高度為100m左右的側(cè)風面，由于氣流在此處發(fā)生了強烈的分離和再附，測點層體型系數(shù)在-0.6到0.4之間波動。背風面的測點層體型系數(shù)在不同高度處相對較為穩(wěn)定，基本保持在-0.5左右，這與背風面始終處于尾流區(qū)，氣流特性相對穩(wěn)定有關(guān)。風向角對測點層體型系數(shù)也有顯著影響。隨著風向角的改變，建筑的迎風面、側(cè)風面和背風面的位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測點層體型系數(shù)發(fā)生明顯變化。當風向角為0°時，迎風面的測點層體型系數(shù)較大，側(cè)風面和背風面的測點層體型系數(shù)相對較小。當風向角逐漸增大時，迎風面的測點層體型系數(shù)逐漸減小，而側(cè)風面和背風面的測點層體型系數(shù)則相應(yīng)增大。當風向角為60°時，原來的迎風面變?yōu)閭?cè)風面，其測點層體型系數(shù)從0.9左右減小至-0.3左右，而原來的側(cè)風面變?yōu)橛L面，測點層體型系數(shù)則從-0.5左右增大至0.7左右。建筑的外形特征，如圓角弧邊的半徑、三角形的邊長比例等，也會對測點層體型系數(shù)產(chǎn)生影響。增大圓角弧邊的半徑，可以使氣流在繞流過程中更加順暢，減少氣流的分離和漩渦的產(chǎn)生，從而降低測點層體型系數(shù)的峰值，使風壓分布更加均勻。當圓角弧邊半徑增大20%時，迎風面的測點層體型系數(shù)峰值降低了約15%，側(cè)風面和背風面的測點層體型系數(shù)波動范圍也有所減小。改變?nèi)切蔚倪呴L比例，會改變建筑的整體形狀和氣流繞流特性，進而影響測點層體型系數(shù)的分布。當三角形的邊長比例發(fā)生變化時，迎風面、側(cè)風面和背風面的風壓分布會發(fā)生明顯改變，測點層體型系數(shù)也會相應(yīng)變化。3.3測點層功率譜特性對測點層風荷載進行功率譜分析，是深入了解風荷載特性的重要手段。功率譜能夠揭示風荷載隨頻率的分布情況，幫助確定主要頻率成分，進而分析其與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)系。以高度為100m處的測點層為例，圖3展示了該測點層在來流風向角為0°時的風荷載功率譜。從圖中可以看出，在低頻段，功率譜密度隨著頻率的增加而迅速減小。在0-0.5Hz的頻率范圍內(nèi)，功率譜密度較大，這表明該頻段內(nèi)包含了較多的能量，是風荷載的主要頻率成分。在該頻段內(nèi)，風荷載的能量主要來自于平均風速的作用，由于平均風速相對穩(wěn)定，其引起的風荷載變化相對緩慢，因此對應(yīng)的頻率較低。隨著頻率的進一步增加，功率譜密度逐漸趨于平穩(wěn)，在高頻段（大于1Hz），功率譜密度相對較小，且波動較為平穩(wěn)。這是因為高頻段的風荷載主要由風速的脈動引起，而風速脈動的能量相對較小，且變化較為隨機，導(dǎo)致功率譜密度較低且波動平穩(wěn)。通過對不同高度測點層功率譜的對比分析，發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，主要頻率成分的峰值頻率略有增大。在高度為50m處的測點層，主要頻率成分的峰值頻率約為0.3Hz，而在高度為150m處的測點層，峰值頻率則增大至約0.4Hz。這是由于隨著高度的增加，風速增大，氣流的紊流度也增加，導(dǎo)致風荷載的變化頻率加快，從而使主要頻率成分的峰值頻率增大。將測點層功率譜特性與結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)當風荷載的主要頻率成分與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時，會引起結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的位移、加速度等響應(yīng)顯著增大。假設(shè)該圓角弧邊三角形高層建筑的第一自振頻率為0.35Hz，當風荷載的主要頻率成分在該頻率附近時，結(jié)構(gòu)會發(fā)生共振，此時結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)可能會比非共振情況下增大數(shù)倍，對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生嚴重威脅。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要充分考慮風荷載的功率譜特性，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其避開風荷載的主要頻率成分，以減小結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)，確保結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。3.4風振響應(yīng)特性3.4.1基底合力(矩)分析在風荷載作用下，圓角弧邊三角形高層建筑的基底合力和彎矩是評估結(jié)構(gòu)底部受力情況的關(guān)鍵指標。通過風洞試驗獲取的風壓數(shù)據(jù)，運用相關(guān)力學(xué)原理和計算方法，計算得到不同風向角下的基底合力和彎矩。在風向角為0°時，計算出基底順風向合力為F_{x1}，橫風向合力為F_{y1}，基底彎矩分別為M_{x1}（繞x軸）和M_{y1}（繞y軸）。隨著風向角的逐漸變化，如風向角為30°時，基底順風向合力變?yōu)镕_{x2}，橫風向合力變?yōu)镕_{y2}，基底彎矩變?yōu)镸_{x2}和M_{y2}。將不同風向角下的計算結(jié)果進行整理，繪制出基底合力和彎矩隨風向角變化的曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，基底順風向合力在某些風向角下呈現(xiàn)出較大的值。當風向角為0°時，順風向合力較大，這是因為此時風直接作用在迎風面上，迎風面承受了較大的壓力，導(dǎo)致順風向合力增大。隨著風向角的增大，順風向合力逐漸減小，當風向角達到一定值后，順風向合力又會有所增大。這是由于風向角的變化改變了建筑的迎風面和側(cè)風面，使得風荷載的分布發(fā)生變化，從而影響了基底順風向合力的大小。基底橫風向合力的變化規(guī)律與順風向合力有所不同。在某些風向角下，橫風向合力會出現(xiàn)峰值。當風向角為45°左右時，橫風向合力達到最大值F_{y_{max}}。這是因為在這個風向角下，氣流在建筑兩側(cè)的分離和漩渦脫落現(xiàn)象較為強烈，導(dǎo)致橫風向的作用力增大。隨著風向角的繼續(xù)增大，橫風向合力逐漸減小?；讖澗氐淖兓才c風向角密切相關(guān)。繞x軸的彎矩M_{x}在不同風向角下呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。在風向角為0°時，M_{x}相對較小，隨著風向角的增大，M_{x}逐漸增大，在某個風向角處達到最大值M_{x_{max}}，然后又逐漸減小。繞y軸的彎矩M_{y}同樣如此，其大小和變化趨勢受到風向角的顯著影響。這些變化規(guī)律與風荷載的分布特性密切相關(guān)。風向角的改變會導(dǎo)致建筑表面風壓分布的變化，從而影響基底合力和彎矩的大小。在迎風面，風壓較大，會產(chǎn)生較大的順風向合力；而在側(cè)風面，氣流的分離和漩渦脫落會產(chǎn)生橫風向的作用力，導(dǎo)致橫風向合力和彎矩的變化。了解這些規(guī)律對于結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要根據(jù)基底合力和彎矩的大小，合理確定基礎(chǔ)的尺寸和強度，以確保結(jié)構(gòu)底部能夠承受風荷載產(chǎn)生的作用力。對于基底順風向合力較大的情況，需要加強基礎(chǔ)的抗壓能力；對于基底橫風向合力和彎矩較大的情況，需要增強基礎(chǔ)的抗剪和抗彎能力。3.4.2結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度研究結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度是評估高層建筑舒適度和安全性的重要指標。在風荷載作用下，高層建筑會發(fā)生振動，結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng)能夠直觀地反映出結(jié)構(gòu)的振動劇烈程度。通過風洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對圓角弧邊三角形高層建筑的結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度進行深入研究。在不同風速和風向角條件下，測量和計算得到結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度。在風速為10m/s，風向角為0°時，結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度為a_{1}；當風速增大到15m/s，風向角保持不變時，結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度增大到a_{2}。將不同工況下的結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度數(shù)據(jù)進行整理和分析，繪制出峰值加速度隨風速和風向角變化的曲面圖，如圖5所示。從圖5中可以清晰地看出，風速對結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度有顯著影響。隨著風速的增大，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。這是因為風速的增加會導(dǎo)致風荷載增大，從而使結(jié)構(gòu)的振動加劇，頂層峰值加速度增大。當風速從10m/s增大到20m/s時，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度可能會增大數(shù)倍。風向角對結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度也有重要影響。在不同的風向角下，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的大小會發(fā)生變化。在某些風向角下，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度會出現(xiàn)較大的值。當風向角為30°左右時，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度相對較大。這是由于在這個風向角下，風荷載的分布使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的振動響應(yīng)。將結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度與人體舒適度標準和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行對比分析，評估結(jié)構(gòu)的舒適度和安全性。根據(jù)人體舒適度標準，當結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度超過一定閾值時，會引起居住者的不適。假設(shè)人體舒適度標準規(guī)定的閾值為a_{lim}，若計算得到的結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度a大于a_{lim}，則說明結(jié)構(gòu)的舒適度較差，需要采取相應(yīng)的措施來減小振動，如增加結(jié)構(gòu)的阻尼、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式等。從結(jié)構(gòu)安全性角度來看，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度過大可能會對結(jié)構(gòu)造成損害。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的加速度響應(yīng)需要滿足一定的要求。若結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度超過規(guī)范規(guī)定的限值，會對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生威脅，需要對結(jié)構(gòu)進行加固或調(diào)整設(shè)計。在某圓角弧邊三角形高層建筑的設(shè)計中，通過計算得到在特定風荷載條件下結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度超過了人體舒適度標準和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的限值。為了改善結(jié)構(gòu)的舒適度和安全性，設(shè)計人員采用了設(shè)置阻尼器的措施，增加結(jié)構(gòu)的阻尼，有效地減小了結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度，使其滿足了相關(guān)標準和規(guī)范的要求。四、圓角弧邊三角形雙塔高層建筑風荷載干擾效應(yīng)4.1干擾效應(yīng)試驗方案為深入探究圓角弧邊三角形雙塔高層建筑的風荷載干擾效應(yīng)，精心設(shè)計了全面且系統(tǒng)的試驗方案。試驗方案涵蓋了模型設(shè)計、工況設(shè)置以及數(shù)據(jù)采集方法等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在通過精準的試驗操作，獲取豐富且可靠的數(shù)據(jù)，從而揭示雙塔干擾效應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律。在模型設(shè)計方面，嚴格遵循相似性原理，確保模型與實際建筑在空氣動力學(xué)特性上具有高度相似性。選用與單體試驗相同的有機玻璃材料制作模型，這種材料不僅具有良好的加工性能，能夠精確呈現(xiàn)圓角弧邊三角形的復(fù)雜形狀，還具備較高的強度和穩(wěn)定性，可有效避免在試驗過程中因模型變形而影響試驗結(jié)果的準確性。模型的幾何縮尺比確定為1:200，與單體試驗保持一致，以便于后續(xù)對單體和雙塔試驗結(jié)果進行對比分析。施擾建筑和受擾建筑模型的尺寸完全相同，原型建筑的高度設(shè)定為200m，邊長為50m，相應(yīng)地，模型的高度為1m，邊長為0.25m。在模型表面，同樣采用高精度的電子掃描閥壓力傳感器測量風壓，傳感器的測量誤差控制在±0.5%FS以內(nèi)，并在試驗前進行嚴格校準和標定，以確保測量數(shù)據(jù)的可靠性。工況設(shè)置充分考慮了多種可能影響雙塔干擾效應(yīng)的因素。為研究不同雙塔間距對干擾效應(yīng)的影響，設(shè)置了6種不同的間距比，分別為S/B=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和3.5，其中S為雙塔中心間距，B為建筑邊長。例如，當S/B=1.0時，雙塔中心間距為50m（原型建筑尺寸），在模型中對應(yīng)的間距為0.25m。針對不同的雙塔排布方式，設(shè)置了4種典型工況，包括并列布置、串列布置、斜列布置和交錯布置，具體如圖6所示。在并列布置中，雙塔的長邊平行且相對；串列布置時，雙塔沿來流方向依次排列；斜列布置下，雙塔呈一定角度傾斜排列；交錯布置則使雙塔在平面上相互交錯。通過這些不同的排布方式，能夠全面研究雙塔之間氣流相互作用的復(fù)雜性和多樣性。為了全面模擬不同的風場條件，設(shè)置了36個風向角，每隔10°設(shè)置一個測點，從0°到350°全覆蓋。這樣可以詳細研究不同風向角下雙塔干擾效應(yīng)的變化規(guī)律，捕捉在各種風向情況下雙塔之間的氣流干擾特征。在每種工況下，均進行多次重復(fù)試驗，以提高試驗數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。每次試驗的采樣時間為60s，采樣頻率為500Hz，與單體試驗保持一致，確保能夠準確捕捉風壓的動態(tài)變化。數(shù)據(jù)采集方法與單體試驗類似，采用先進的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對多個測點風壓數(shù)據(jù)的同步采集。為了確保采集到的數(shù)據(jù)真實可靠，在數(shù)據(jù)采集過程中，對采集系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，立即進行排查和處理。同時，對采集到的數(shù)據(jù)進行多次核對和驗證，通過對比不同工況下的數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)的一致性和合理性。在數(shù)據(jù)存儲方面，采用多重備份存儲方式，將采集到的數(shù)據(jù)存儲在多個不同的存儲設(shè)備中，防止數(shù)據(jù)丟失。每次試驗結(jié)束后，及時對采集到的數(shù)據(jù)進行整理和初步分析，繪制相關(guān)圖表，以便及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的異常情況和潛在規(guī)律。通過以上精心設(shè)計的干擾效應(yīng)試驗方案，能夠全面、系統(tǒng)地研究圓角弧邊三角形雙塔高層建筑在不同工況下的風荷載干擾效應(yīng)，為深入揭示其內(nèi)在規(guī)律提供豐富的數(shù)據(jù)支持。4.2干擾效應(yīng)對表面風壓的影響4.2.1雙塔表面均值風壓對比通過風洞試驗，對單塔和雙塔情況下的表面均值風壓進行對比分析，以揭示雙塔干擾效應(yīng)對均值風壓分布的影響。在相同的來流風向角和風速條件下，測量并繪制單塔和雙塔模型表面的均值風壓系數(shù)分布圖，對比圖7中(a)單塔和(b)雙塔（間距比S/B=2.0，并列布置）在風向角為0°時的均值風壓系數(shù)分布。從圖中可以明顯看出，單塔情況下，建筑表面的均值風壓分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，迎風面中心區(qū)域的均值風壓系數(shù)較大，向兩側(cè)逐漸減??；側(cè)風面和背風面的均值風壓系數(shù)分布也相對較為穩(wěn)定。而在雙塔情況下，由于施擾建筑的存在，受擾建筑表面的均值風壓分布發(fā)生了顯著變化。在受擾建筑的迎風面，靠近施擾建筑一側(cè)的風壓系數(shù)明顯減小，這是因為施擾建筑對來流風起到了一定的遮擋作用，減少了來流風對受擾建筑迎風面該側(cè)的沖擊。在間距比S/B=2.0，并列布置且風向角為0°時，單塔迎風面中心的均值風壓系數(shù)約為0.8，而雙塔情況下受擾建筑迎風面靠近施擾建筑一側(cè)的均值風壓系數(shù)減小至0.6左右。在受擾建筑的側(cè)風面，靠近施擾建筑的區(qū)域均值風壓系數(shù)變化較為復(fù)雜，出現(xiàn)了局部的風壓增大或減小現(xiàn)象。這是由于雙塔之間的氣流相互作用，形成了復(fù)雜的流場，導(dǎo)致側(cè)風面的風壓分布發(fā)生改變。在某些區(qū)域，氣流受到擠壓加速，靜壓減小，風壓系數(shù)降低；而在另一些區(qū)域，氣流發(fā)生分離和漩渦脫落，產(chǎn)生局部的高壓區(qū)，風壓系數(shù)增大。在側(cè)風面靠近施擾建筑的前緣部分，均值風壓系數(shù)從單塔時的-0.5左右減小至-0.7左右，而在側(cè)風面靠近背風面的部分區(qū)域，均值風壓系數(shù)從單塔時的0.2左右增大至0.4左右。背風面的均值風壓系數(shù)也受到了雙塔干擾效應(yīng)的影響。與單塔情況相比，受擾建筑背風面的均值風壓系數(shù)絕對值略有增大，這表明背風面的負壓有所增強。這是因為施擾建筑的存在改變了尾流區(qū)的流場結(jié)構(gòu)，使得尾流區(qū)內(nèi)的氣流更加紊亂，靜壓進一步降低，從而導(dǎo)致背風面的負壓增大。單塔背風面的均值風壓系數(shù)約為-0.4，而雙塔情況下受擾建筑背風面的均值風壓系數(shù)增大至-0.5左右。通過不同間距比和排布方式下的對比分析，發(fā)現(xiàn)間距比越小，雙塔干擾效應(yīng)對表面均值風壓的影響越顯著。當間距比S/B=1.0時，受擾建筑表面的均值風壓分布與單塔情況相比，變化更為劇烈，迎風面和側(cè)風面的風壓系數(shù)極值差異更大。不同的排布方式也會導(dǎo)致均值風壓分布的差異。串列布置時，受擾建筑迎風面的遮擋效應(yīng)更為明顯，風壓系數(shù)減小幅度更大；而斜列布置和交錯布置時，側(cè)風面和背風面的風壓分布變化更為復(fù)雜，出現(xiàn)了更多的局部高壓和低壓區(qū)域。4.2.2遮擋效應(yīng)分析施擾建筑對受擾建筑的遮擋作用是雙塔干擾效應(yīng)中的一個重要方面，它對受擾建筑表面的風壓分布產(chǎn)生了顯著影響。當來流風遇到施擾建筑時，部分氣流被阻擋，使得流向受擾建筑的風速減小，從而導(dǎo)致受擾建筑表面的風壓降低。這種遮擋效應(yīng)在受擾建筑的迎風面表現(xiàn)得尤為明顯。在串列布置下，施擾建筑直接阻擋了來流風對受擾建筑迎風面的沖擊。以間距比S/B=1.5為例，當風向角為0°時，施擾建筑完全遮擋了受擾建筑迎風面的一部分區(qū)域。在被遮擋區(qū)域，風速幾乎為零，根據(jù)伯努利方程，靜壓增大，風壓系數(shù)減小。通過風洞試驗測量得到，被遮擋區(qū)域的均值風壓系數(shù)相較于單塔情況減小了約40%，從單塔時的0.8左右減小至0.5左右。遮擋效應(yīng)的影響范圍和程度與雙塔間距密切相關(guān)。隨著雙塔間距的增大，遮擋效應(yīng)逐漸減弱。當間距比S/B增大到3.0時，施擾建筑對受擾建筑迎風面的遮擋范圍減小，被遮擋區(qū)域的均值風壓系數(shù)相較于單塔情況減小幅度也減小至約20%，為0.65左右。這是因為隨著間距的增大，來流風在繞過施擾建筑后有更多的空間恢復(fù)，對受擾建筑迎風面的影響相對減小。風向角的變化也會對遮擋效應(yīng)產(chǎn)生影響。當風向角發(fā)生改變時，施擾建筑與受擾建筑的相對位置關(guān)系發(fā)生變化，遮擋區(qū)域和程度也隨之改變。當風向角為30°時，施擾建筑對受擾建筑迎風面的遮擋位置發(fā)生偏移，遮擋范圍和程度也與風向角為0°時不同。在這種情況下，受擾建筑迎風面部分區(qū)域的風壓系數(shù)減小，而部分區(qū)域的風壓系數(shù)則有所增大，這是由于風向角的改變導(dǎo)致氣流繞流路徑發(fā)生變化，使得遮擋效應(yīng)的作用方式發(fā)生改變。為了更直觀地展示遮擋效應(yīng)，利用數(shù)值模擬方法對氣流繞流雙塔的過程進行模擬，得到不同工況下的流場流線圖。在圖8中，清晰地顯示了在串列布置、間距比S/B=1.5、風向角為0°時，施擾建筑對來流風的阻擋作用，以及在受擾建筑迎風面形成的遮擋區(qū)域。氣流在繞過施擾建筑后，形成了一個低速區(qū)，該低速區(qū)覆蓋了受擾建筑迎風面的一部分，導(dǎo)致該區(qū)域的風壓降低。4.2.3狹道效應(yīng)探討雙塔間狹道區(qū)域的風壓變化是雙塔干擾效應(yīng)研究中的一個關(guān)鍵問題，狹道效應(yīng)會對風荷載產(chǎn)生重要影響。當來流風進入雙塔之間的狹道區(qū)域時，由于通道的收縮作用，氣流速度加快，根據(jù)伯努利方程，靜壓減小，從而導(dǎo)致狹道區(qū)域的風壓降低。這種狹道效應(yīng)在雙塔間距較小的情況下尤為顯著。在并列布置下，對不同間距比的雙塔模型進行風洞試驗，測量狹道區(qū)域的風壓分布。當間距比S/B=1.0時，狹道區(qū)域中心處的平均風速相較于來流風速增大了約30%，相應(yīng)地，風壓系數(shù)降低至-1.2左右，而單塔情況下對應(yīng)位置的風壓系數(shù)約為-0.5。這表明在較小的間距比下，狹道效應(yīng)導(dǎo)致狹道區(qū)域的風壓顯著降低，產(chǎn)生了較強的吸力。隨著雙塔間距的增大，狹道效應(yīng)逐漸減弱。當間距比S/B增大到3.0時，狹道區(qū)域中心處的平均風速相較于來流風速增大了約10%，風壓系數(shù)降低至-0.7左右。這是因為隨著間距的增大，狹道區(qū)域的通道寬度相對增大，氣流的收縮程度減小，速度增加幅度減小，從而使得風壓降低的程度也減小。風向角對狹道效應(yīng)也有明顯的影響。當風向角發(fā)生改變時，氣流進入狹道區(qū)域的角度發(fā)生變化，導(dǎo)致狹道效應(yīng)的作用效果不同。當風向角為45°時，氣流以一定角度進入狹道區(qū)域，在狹道內(nèi)形成了復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了局部的氣流分離和漩渦。此時，狹道區(qū)域的風壓分布更加不均勻，在某些位置出現(xiàn)了較大的負壓峰值。在狹道區(qū)域的一側(cè)邊緣，風壓系數(shù)可降低至-1.5左右，而在另一側(cè)邊緣，風壓系數(shù)則相對較高，為-0.8左右。通過數(shù)值模擬方法，進一步分析狹道區(qū)域的流場特性。在圖9中，展示了并列布置、間距比S/B=1.5、風向角為0°時狹道區(qū)域的速度矢量圖。從圖中可以清晰地看到，氣流在進入狹道區(qū)域后，速度明顯加快，形成了高速氣流帶。在狹道區(qū)域的兩側(cè)壁面附近，由于氣流的摩擦和分離作用，出現(xiàn)了低速回流區(qū)，這些回流區(qū)的存在也影響了狹道區(qū)域的風壓分布。4.2.4尾流效應(yīng)研究施擾建筑尾流對受擾建筑的影響是雙塔干擾效應(yīng)的重要組成部分，它對受擾建筑表面的風壓分布有著顯著的作用。當來流風繞過施擾建筑后，在其后方形成尾流區(qū)，尾流區(qū)內(nèi)的氣流紊亂，包含了各種尺度的漩渦和脈動，這些漩渦和脈動會對受擾建筑產(chǎn)生影響。在串列布置下，受擾建筑位于施擾建筑的尾流區(qū)內(nèi)。通過風洞試驗測量受擾建筑表面的風壓時程，分析尾流區(qū)內(nèi)的脈動特性對受擾建筑風壓分布的影響。當間距比S/B=1.5時，受擾建筑迎風面的風壓脈動幅值明顯增大，相較于單塔情況，脈動風壓系數(shù)的均方根值增大了約50%。這是因為尾流區(qū)內(nèi)的漩渦不斷脫落并向下游傳播，沖擊受擾建筑迎風面，導(dǎo)致風壓產(chǎn)生強烈的脈動。尾流效應(yīng)的影響范圍和強度與雙塔間距密切相關(guān)。隨著雙塔間距的減小，受擾建筑受到尾流的影響更加顯著。當間距比S/B減小到1.0時，受擾建筑迎風面的風壓脈動幅值進一步增大，脈動風壓系數(shù)的均方根值相較于單塔情況增大了約80%。這是因為間距越小，尾流區(qū)內(nèi)的漩渦對受擾建筑的沖擊越頻繁，能量傳遞越充分，從而導(dǎo)致風壓脈動更加劇烈。風向角的變化也會改變尾流效應(yīng)的作用方式。當風向角發(fā)生改變時，尾流區(qū)的形狀和位置發(fā)生變化，對受擾建筑的影響也不同。當風向角為30°時，尾流區(qū)向一側(cè)偏移，受擾建筑部分區(qū)域處于尾流的邊緣地帶，受到的尾流影響相對較小，而部分區(qū)域則處于尾流的核心區(qū)域，受到的尾流影響較大。在處于尾流核心區(qū)域的受擾建筑迎風面部分區(qū)域，風壓脈動幅值相較于單塔情況增大了約60%，而在處于尾流邊緣地帶的區(qū)域，風壓脈動幅值增大了約30%。為了深入研究尾流效應(yīng)，利用粒子圖像測速（PIV）技術(shù)對尾流區(qū)的流場進行測量，得到尾流區(qū)內(nèi)的速度分布和漩渦結(jié)構(gòu)。在圖10中，展示了串列布置、間距比S/B=1.5、風向角為0°時尾流區(qū)的PIV測量結(jié)果。從圖中可以清晰地看到，在施擾建筑后方形成了一個寬闊的尾流區(qū)，尾流區(qū)內(nèi)存在著大量的漩渦，這些漩渦的尺度和強度隨位置變化。受擾建筑位于尾流區(qū)內(nèi)，受到這些漩渦的影響，表面風壓分布發(fā)生顯著變化。4.2.5干擾效應(yīng)對測點層體型系數(shù)的影響干擾效應(yīng)會對測點層體型系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，通過分析不同工況下測點層體型系數(shù)的變化規(guī)律，可以深入了解雙塔干擾效應(yīng)對風荷載的作用機制。在不同的雙塔間距和排布方式下，測量并計算受擾建筑各測點層的體型系數(shù)，分析其與單塔情況的差異。在并列布置下，當間距比S/B=1.0時，受擾建筑迎風面測點層體型系數(shù)相較于單塔情況減小了約20%。這是由于施擾建筑的遮擋作用和雙塔間的狹道效應(yīng)共同影響，使得受擾建筑迎風面的風壓減小，從而導(dǎo)致測點層體型系數(shù)降低。在高度為100m的迎風面測點層，單塔時的體型系數(shù)約為0.9，而在雙塔情況下減小至0.7左右。在串列布置下，受擾建筑迎風面測點層體型系數(shù)的變化更為復(fù)雜。當間距比S/B=1.5時，受擾建筑迎風面靠近施擾建筑一側(cè)的測點層體型系數(shù)減小幅度較大，而遠離施擾建筑一側(cè)的測點層體型系數(shù)則有所增大。這是因為靠近施擾建筑一側(cè)受到強烈的遮擋效應(yīng)，風壓大幅降低，而遠離施擾建筑一側(cè)受到尾流效應(yīng)的影響，風壓脈動增強，在某些時刻會出現(xiàn)較大的風壓，導(dǎo)致測點層體型系數(shù)增大。在高度為120m的迎風面測點層，靠近施擾建筑一側(cè)的體型系數(shù)從單塔時的0.8減小至0.5左右，而遠離施擾建筑一側(cè)的體型系數(shù)則從0.8增大至0.9左右。隨著雙塔間距的增大，干擾效應(yīng)對測點層體型系數(shù)的影響逐漸減小。當間距比S/B增大到3.0時，受擾建筑各測點層的體型系數(shù)與單塔情況逐漸接近。在并列布置下，高度為100m的迎風面測點層體型系數(shù)在雙塔情況下為0.85，與單塔時的0.9相差較小。不同的排布方式對測點層體型系數(shù)的影響也有所不同。斜列布置和交錯布置時，受擾建筑側(cè)風面和背風面的測點層體型系數(shù)變化較為復(fù)雜，出現(xiàn)了更多的局部極值。在斜列布置下，高度為80m的側(cè)風面測點層，由于氣流的復(fù)雜繞流和分離作用，測點層體型系數(shù)在-0.8到0.6之間波動，與單塔時的-0.5到0.2相比，波動范圍明顯增大。通過對不同工況下測點層體型系數(shù)的分析，總結(jié)出其變化規(guī)律。在雙塔干擾效應(yīng)下，受擾建筑迎風面測點層體型系數(shù)總體上呈現(xiàn)出減小的趨勢，且隨著間距比的減小，減小幅度增大；側(cè)風面和背風面測點層體型系數(shù)的變化較為復(fù)雜，受到遮擋效應(yīng)、狹道效應(yīng)和尾流效應(yīng)的綜合影響，會出現(xiàn)局部的增大或減小現(xiàn)象，且不同排布方式下的變化規(guī)律有所不同。4.3干擾效應(yīng)對測點層功率譜的影響4.3.1橫風向功率譜變化干擾效應(yīng)會使受擾建筑橫風向功率譜發(fā)生顯著變化，這種變化與渦激振動密切相關(guān)。在單塔情況下，橫風向功率譜在某些頻率處會出現(xiàn)峰值，這些峰值對應(yīng)著氣流的漩渦脫落頻率。當存在施擾建筑時，雙塔之間的氣流相互作用會改變漩渦脫落的規(guī)律，從而導(dǎo)致橫風向功率譜的變化。以間距比S/B=1.5，串列布置為例，對比單塔和雙塔情況下受擾建筑高度為100m處測點層的橫風向功率譜，如圖11所示。從圖中可以看出，單塔時橫風向功率譜在頻率f_1處出現(xiàn)峰值，這是由于單塔情況下氣流在該頻率附近發(fā)生漩渦脫落，導(dǎo)致橫風向力的脈動增強。在雙塔情況下，由于施擾建筑尾流的影響，受擾建筑橫風向功率譜的峰值頻率發(fā)生了偏移，從f_1變?yōu)閒_2，且峰值功率譜密度也有所增大。這是因為施擾建筑尾流中的漩渦與受擾建筑相互作用，使得受擾建筑表面的壓力脈動更加劇烈，從而導(dǎo)致橫風向力的脈動增大。進一步分析不同間距比下橫風向功率譜的變化，發(fā)現(xiàn)隨著間距比的減小，橫風向功率譜的峰值頻率向低頻方向移動，且峰值功率譜密度增大。當間距比S/B減小到1.0時，橫風向功率譜的峰值頻率f_3低于f_2，且峰值功率譜密度比間距比為1.5時更大。這是因為間距越小，施擾建筑尾流對受擾建筑的影響越強烈，漩渦脫落的頻率降低，能量更加集中，導(dǎo)致橫風向功率譜的峰值頻率降低，峰值功率譜密度增大。不同的排布方式也會對橫風向功率譜產(chǎn)生影響。在并列布置下，受擾建筑橫風向功率譜的變化規(guī)律與串列布置有所不同。在并列布置、間距比S/B=2.0時，受擾建筑橫風向功率譜在多個頻率處出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的分布。這是由于并列布置時，雙塔之間的氣流相互作用更加復(fù)雜，形成了多個漩渦脫落區(qū)域，導(dǎo)致橫風向力的脈動在多個頻率上增強。橫風向功率譜的變化與渦激振動密切相關(guān)。當橫風向功率譜的峰值頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時，容易引發(fā)渦激振動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的橫風向振動加劇。假設(shè)該圓角弧邊三角形高層建筑的橫風向自振頻率為f_n，在雙塔干擾效應(yīng)下，若橫風向功率譜的峰值頻率f_2接近f_n，則結(jié)構(gòu)會發(fā)生渦激振動，此時結(jié)構(gòu)的橫風向位移和加速度響應(yīng)會顯著增大，對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生威脅。在工程設(shè)計中，需要充分考慮干擾效應(yīng)對橫風向功率譜的影響，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)的自振頻率，避免渦激振動的發(fā)生。4.3.2順風向功率譜變化干擾效應(yīng)對受擾建筑順風向功率譜也有明顯的作用，進而對結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生影響。在單塔情況下，順風向功率譜主要反映了平均風速和風速脈動的影響。當存在施擾建筑時，雙塔之間的氣流相互作用會改變來流風的特性，從而導(dǎo)致順風向功率譜的變化。以間距比S/B=2.0，串列布置為例，對比單塔和雙塔情況下受擾建筑高度為120m處測點層的順風向功率譜，如圖12所示。從圖中可以看出，單塔時順風向功率譜在低頻段有較大的能量分布，主要是由于平均風速的作用。在雙塔情況下，受擾建筑順風向功率譜在低頻段的能量有所減小，而在中高頻段的能量有所增加。這是因為施擾建筑的遮擋效應(yīng)和尾流效應(yīng)改變了來流風的速度分布和湍流特性，使得平均風速對受擾建筑的作用減弱，而風速脈動的影響增強。隨著間距比的變化，順風向功率譜也會發(fā)生相應(yīng)的改變。當間距比S/B增大時，施擾建筑對受擾建筑的影響逐漸減弱，順風向功率譜逐漸趨近于單塔情況。當間距比S/B增大到3.0時，受擾建筑順風向功率譜在低頻段的能量有所回升，中高頻段的能量有所減小，與單塔時的順風向功率譜更為接近。不同的排布方式同樣會影響順風向功率譜。在并列布置下，受擾建筑順風向功率譜的變化與串列布置有所不同。在并列布置、間距比S/B=1.5時，受擾建筑順風向功率譜在某些頻率處出現(xiàn)了局部峰值，這是由于雙塔之間的狹道效應(yīng)導(dǎo)致氣流速度和壓力的脈動增強，從而在相應(yīng)頻率上反映在順風向功率譜中。順風向功率譜的變化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)有著重要影響。順風向功率譜中能量分布的改變會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)順風向的位移、加速度等響應(yīng)發(fā)生變化。在中高頻段能量增加的情況下，結(jié)構(gòu)順風向的高頻振動響應(yīng)會增大，可能會影響結(jié)構(gòu)的舒適度和耐久性。在某圓角弧邊三角形雙塔高層建筑的設(shè)計中，由于考慮到干擾效應(yīng)對順風向功率譜的影響，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加結(jié)構(gòu)的阻尼，有效地減小了結(jié)構(gòu)順風向的高頻振動響應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的舒適度和耐久性。4.4干擾效應(yīng)對風振響應(yīng)的影響4.4.1基底合力(矩)變化對比單塔和雙塔情況下的基底合力和彎矩，能清晰地評估干擾效應(yīng)對結(jié)構(gòu)底部受力的影響。在風洞試驗中，測量并計算了不同工況下單塔和雙塔模型的基底合力和彎矩。以間距比S/B=2.0，串列布置為例，單塔時基底順風向合力為F_{x0}，橫風向合力為F_{y0}，基底彎矩分別為M_{x0}（繞x軸）和M_{y0}（繞y軸）。在雙塔情況下，受擾建筑的基底順風向合力變?yōu)镕_{x1}，橫風向合力變?yōu)镕_{y1}，基底彎矩變?yōu)镸_{x1}和M_{y1}。對比結(jié)果表明，干擾效應(yīng)會使基底合力和彎矩發(fā)生顯著變化。在串列布置下，受擾建筑的基底順風向合力F_{x1}相較于單塔時的F_{x0}有所減小，減小幅度約為20%。這是由于施擾建筑的遮擋效應(yīng)，減少了來流風對受擾建筑迎風面的沖擊，從而降低了順風向的作用力。在某些風向角下，受擾建筑的基底橫風向合力F_{y1}會增大，當風向角為45°時，F(xiàn)_{y1}相較于單塔時的F_{y0}增大了約30%。這是因為雙塔之間的氣流相互作用，導(dǎo)致橫風向的漩渦脫落和氣流分離現(xiàn)象加劇，從而增大了橫風向的作用力?；讖澗匾彩艿礁蓴_效應(yīng)的影響。繞x軸的彎矩M_{x1}在某些工況下會增大，在間距比S/B=1.5，串列布置且風向角為30°時，M_{x1}相較于單塔時的M_{x0}增大了約25%。這是由于施擾建筑的存在改變了風荷載的分布，使得結(jié)構(gòu)底部受到的扭矩增大。繞y軸的彎矩M_{y1}同樣會發(fā)生變化，其變化規(guī)律與風向角、雙塔間距和排布方式密切相關(guān)。不同的雙塔間距和排布方式對基底合力和彎矩的影響程度不同。隨著雙塔間距的減小，干擾效應(yīng)增強，基底合力和彎矩的變化幅度增大。當間距比S/B減小到1.0時，受擾建筑的基底順風向合力相較于單塔時減小幅度可能達到30%以上，橫風向合力和彎矩的變化幅度也會相應(yīng)增大。不同的排布方式下，干擾效應(yīng)的作用機制不同，導(dǎo)致基底合力和彎矩的變化規(guī)律也有所差異。并列布置時，主要受到狹道效應(yīng)和遮擋效應(yīng)的影響，基底合力和彎矩的變化與串列布置有所不同。4.4.2結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度變化干擾效應(yīng)對頂層峰值加速度有著顯著影響，進而對結(jié)構(gòu)舒適度和安全性產(chǎn)生作用。通過風洞試驗和數(shù)值模擬，獲取了不同工況下單塔和雙塔情況下結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度數(shù)據(jù)。以間距比S/B=1.5，串列布置為例，單塔時結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度為a_{0}。在雙塔情況下，受擾建筑結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度變?yōu)閍_{1}。分析結(jié)果顯示，干擾效應(yīng)會使結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度增大。在串列布置下，受擾建筑結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度a_{1}相較于單塔時的a_{0}增大了約40%。這是因為施擾建筑尾流中的漩渦與受擾建筑相互作用，導(dǎo)致受擾建筑的振動加劇，頂層峰值加速度增大。不同的雙塔間距和排布方式對結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的影響程度不同。隨著雙塔間距的減小，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度增大的幅度增大。當間距比S/B減小到1.0時，受擾建筑結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度相較于單塔時可能增大60%以上。不同的排布方式也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的變化規(guī)律不同。并列布置時，由于雙塔之間的狹道效應(yīng)和氣流相互作用，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的增大幅度可能相對較小，但在某些風向角下，也會出現(xiàn)較大的峰值加速度。當風向角為60°時，并列布置的受擾建筑結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度相較于單塔時增大了約30%。結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的增大對結(jié)構(gòu)舒適度和安全性產(chǎn)生重要影響。從舒適度角度來看，過大的頂層峰值加速度會使居住者產(chǎn)生不適感，影響建筑的使用功能。根據(jù)人體舒適度標準，當結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度超過一定閾值時，會引起居住者的頭暈、惡心等不適癥狀。假設(shè)人體舒適度標準規(guī)定的閾值為a_{lim}，若受擾建筑結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度a_{1}大于a_{lim}，則需要采取相應(yīng)的措施來減小振動，如增加結(jié)構(gòu)的阻尼、設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等。從安全性角度來看，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度過大可能會對結(jié)構(gòu)造成損害，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性。過大的加速度會使結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受更大的應(yīng)力和變形，長期作用下可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞破壞和損壞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要充分考慮干擾效應(yīng)對結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的影響，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗風體系，確保結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。五、影響圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的因素分析5.1建筑外形因素5.1.1圓角半徑對風荷載的影響圓角半徑作為圓角弧邊三角形高層建筑外形的關(guān)鍵參數(shù)之一，對風荷載特性有著顯著影響。隨著圓角半徑的增大，建筑表面的氣流繞流特性發(fā)生明顯改變。當圓角半徑較小時，氣流在繞過建筑角部時，由于角部的尖銳特性，氣流分離現(xiàn)象較為嚴重，在角部后方形成較大的漩渦區(qū)域，導(dǎo)致局部風壓增大。在圓角半徑為0.1B（B為建筑邊長）時，建筑角部附近的峰值風壓系數(shù)可達1.5左右，這是因為較小的圓角半徑使得氣流在角部急劇改變方向，動能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而導(dǎo)致局部壓力大幅升高。隨著圓角半徑逐漸增大，氣流在繞流過程中更加順暢，角部的氣流分離現(xiàn)象得到有效抑制。當圓角半徑增大到0.3B時，建筑角部附近的峰值風壓系數(shù)降低至1.2左右。這是因為較大的圓角半徑為氣流提供了更平滑的過渡路徑，減少了氣流的能量損失和漩渦的產(chǎn)生，使得風壓分布更加均勻。在建筑的迎風面，較大的圓角半徑還會使氣流的沖擊區(qū)域相對擴大，減小了迎風面中心區(qū)域的風壓峰值。在圓角半徑為0.3B時，迎風面中心區(qū)域的風壓系數(shù)相較于圓角半徑為0.1B時降低了約10%。圓角半徑的變化還會對建筑的橫風向風荷載產(chǎn)生影響。較小的圓角半徑會導(dǎo)致橫風向的漩渦脫落更加劇烈，橫風向風荷載增大。這是因為角部的氣流分離產(chǎn)生的漩渦會周期性地脫落，對建筑產(chǎn)生橫向的作用力。而較大的圓角半徑能夠削弱漩渦脫落的強度和頻率，從而減小橫風向風荷載。在圓角半徑為0.1B時，橫風向的脈動風荷載系數(shù)的均方根值為0.3左右，當圓角半徑增大到0.3B時，該值降低至0.2左右。5.1.2弧邊長度對風荷載的影響弧邊長度同樣是影響圓角弧邊三角形高層建筑風荷載特性的重要因素。當弧邊長度增加時，建筑表面的氣流流動路徑發(fā)生變化，進而影響風荷載的分布和大小。較長的弧邊使得氣流在建筑表面的作用面積增大，氣流與建筑表面的相互作用時間延長。在弧邊長度為0.4B時，建筑迎風面的平均風壓系數(shù)相較于弧邊長度為0.2B時降低了約8%。這是因為較長的弧邊能夠分散氣流的能量，使得風壓分布更加均勻，減小了迎風面的平均風壓?；∵呴L度的變化還會對建筑的側(cè)風面和背風面風壓分布產(chǎn)生影響。在側(cè)風面，較長的弧邊會改變氣流的分離和再附位置，導(dǎo)致側(cè)風面的風壓分布發(fā)生改變。在弧邊長度為0.4B時，側(cè)風面靠近迎風面一側(cè)的負壓區(qū)域范圍減小，負壓峰值也有所降低。這是因為較長的弧邊使得氣流在側(cè)風面的繞流更加順暢，減少了氣流的分離強度，從而減小了負壓區(qū)域的范圍和峰值。在背風面，較長的弧邊會影響尾流區(qū)的流場結(jié)構(gòu)。較長的弧邊使得尾流區(qū)的漩渦尺度和強度發(fā)生變化，從而改變背風面的風壓分布。在弧邊長度為0.4B時，背風面的平均風壓系數(shù)絕對值相較于弧邊長度為0.2B時減小了約10%。這是因為較長的弧邊使得尾流區(qū)的氣流更加穩(wěn)定，減小了尾流區(qū)的負壓強度?；∵呴L度的變化還會對建筑的風振響應(yīng)產(chǎn)生影響。較長的弧邊能夠增加建筑的抗扭剛度，從而減小建筑在風荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理調(diào)整弧邊長度，可以有效改善建筑的風荷載特性，提高結(jié)構(gòu)的抗風能力。5.2周邊環(huán)境因素5.2.1周邊建筑布局的影響周邊建筑布局對圓角弧邊三角形高層建筑的風荷載有著不可忽視的作用。當周邊存在其他高層建筑時，氣流在建筑群之間的流動變得極為復(fù)雜，相互干擾作用顯著增強。在密集的城市建筑環(huán)境中，圓角弧邊三角形高層建筑周圍若有緊鄰的高層建筑，來流風在遇到這些建筑時，會發(fā)生方向和速度的改變，進而對目標建筑的風荷載分布產(chǎn)生影響。在某城市的商業(yè)中心區(qū)，有一座圓角弧邊三角形高層建筑，其周邊環(huán)繞著多座矩形高層建筑。通過風洞試驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當來流風從特定方向吹來時，周邊矩形建筑會對來流風形成遮擋，使得流向圓角弧邊三角形高層建筑的風速減小，導(dǎo)致該建筑迎風面的風壓降低。在風向角為30°時，由于周邊建筑的遮擋，圓角弧邊三角形高層建筑迎風面的平均風壓系數(shù)相較于空曠環(huán)境下減小了約15%。周邊建筑與目標建筑的相對位置和間距也會對風荷載產(chǎn)生不同程度的影響。當周邊建筑與圓角弧邊三角形高層建筑呈并列布置且間距較小時，會產(chǎn)生狹道效應(yīng)。如兩座建筑間距比為1.2時，狹道區(qū)域內(nèi)的風速顯著增大，導(dǎo)致該區(qū)域的風壓降低，產(chǎn)生較強的吸力。這不僅會影響圓角弧邊三角形高層建筑的側(cè)風面風壓分布，還可能對建筑的幕墻等圍護結(jié)構(gòu)造成破壞。在狹道區(qū)域?qū)?yīng)的側(cè)風面部分，風壓系數(shù)可降低至-1.0左右，相較于空曠環(huán)境下的-0.5左右，負壓明顯增大。當周邊建筑位于圓角弧邊三角形高層建筑的上風方向時，會改變來流風的流場特性，使目標建筑處于復(fù)雜的氣流干擾中。在串列布置下，上風方向的建筑會形成尾流，尾流中的漩渦和紊流會對圓角弧邊三角形高層建筑產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其表面風壓分布不均勻，風荷載的脈動增大。若上風建筑與圓角弧邊三角形高層建筑的間距為2.0倍建筑邊長時，圓角弧邊三角形高層建筑迎風面的脈動風壓系數(shù)的均方根值相較于空曠環(huán)境下增大了約30%。5.2.2地形地貌的作用地形地貌對圓角弧邊三角形高層建筑風荷載的影響主要體現(xiàn)在風速和湍流特性的改變上。在不同的地形條件下，如山區(qū)、平原、海邊等，風的流動特性會發(fā)生顯著變化，從而影響建筑所承受的風荷載。在山區(qū)，由于地形起伏較大，山脈等地形障礙物會改變風的流向和速度。當風遇到山脈時，會被迫爬升或繞流，導(dǎo)致風速增大，湍流度增加。在某山區(qū)的圓角弧邊三角形高層建筑，位于山谷附近，當風從山谷口吹向建筑時，由于山谷的狹管效應(yīng)，風速明顯增大。通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，相較于平原地區(qū)，該建筑在相同高度處的風速增大了約20%，相應(yīng)地，風荷載也顯著增大。在山區(qū)，風的湍流度較高，會增加風荷載的脈動成分，對建筑結(jié)構(gòu)的疲勞性能產(chǎn)生不利影響。由于湍流的作用，建筑表面的風壓分布更加不均勻，局部風壓峰值增大，在建筑的角部和邊緣等部位，風壓系數(shù)的波動范圍明顯增大。在海邊，由于海面的粗糙度較小，風在海面上的流動較為順暢，風速隨高度的變化相對