圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)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(jìn)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(biāo)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(lái)，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(dú)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(dú)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(dú)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(dú)特幾何特征，又通過(guò)圓角弧邊的處理，使其在視覺(jué)上更加柔和流暢，同時(shí)還可能在一定程度上改善建筑的空氣動(dòng)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(jì)，不僅在外觀上給人以強(qiáng)烈的視覺(jué)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，高層建筑的發(fā)展也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)，其中風(fēng)荷載問(wèn)題是影響高層建筑設(shè)計(jì)與安全的關(guān)鍵因素之一。風(fēng)荷載是指空氣流動(dòng)對(duì)建筑物表面產(chǎn)生的壓力和剪切力，它是一種隨機(jī)的動(dòng)力荷載，其大小和方向會(huì)隨著風(fēng)速、風(fēng)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(duì)于高層建筑而言，由于其高度較高、體型較大且相對(duì)柔性，風(fēng)荷載往往成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載之一。在強(qiáng)風(fēng)作用下，高層建筑可能會(huì)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(guó)紐約世界貿(mào)易中心雙塔，在1978年受到一場(chǎng)風(fēng)速約為120km/h的大風(fēng)襲擊時(shí)，建筑頂部的最大位移達(dá)到了約0.6m，樓內(nèi)部分人員甚至感到頭暈不適，這充分說(shuō)明了風(fēng)荷載對(duì)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(fēng)荷載特性更為復(fù)雜。由于其獨(dú)特的平面形狀和幾何特征，氣流在繞過(guò)這類建筑時(shí)會(huì)產(chǎn)生更加復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，如分離、再附、漩渦脫落等，這些流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致建筑表面的風(fēng)壓分布不均勻，風(fēng)荷載的大小和方向也會(huì)發(fā)生顯著變化。此外，圓角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)致響應(yīng)還可能受到氣動(dòng)干擾效應(yīng)的影響，當(dāng)周圍存在其他建筑物時(shí)，氣流在建筑物之間相互作用，會(huì)進(jìn)一步改變風(fēng)荷載的分布和大小，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)荷載特性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，通過(guò)對(duì)這類建筑風(fēng)荷載特性的研究，可以進(jìn)一步豐富和完善建筑風(fēng)工程的理論體系，揭示復(fù)雜體型高層建筑與風(fēng)相互作用的內(nèi)在機(jī)理，為其他新型建筑體型的風(fēng)荷載研究提供參考和借鑒。在工程應(yīng)用方面，準(zhǔn)確掌握?qǐng)A角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)荷載特性，能夠?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)能力和安全性，同時(shí)還可以降低工程造價(jià)，避免因風(fēng)荷載估計(jì)不足而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞或因過(guò)度保守設(shè)計(jì)而造成的資源浪費(fèi)。例如，在廣州東塔的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)其風(fēng)荷載特性的深入研究，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保了建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下的安全性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了建筑的經(jīng)濟(jì)性和功能性。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在建筑風(fēng)工程領(lǐng)域，高層建筑風(fēng)荷載的研究一直是熱點(diǎn)話題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種手段，對(duì)不同體型高層建筑的風(fēng)荷載特性展開了深入研究，取得了一系列有價(jià)值的成果。國(guó)外對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的研究起步較早。早在20世紀(jì)中葉，隨著高層建筑在歐美地區(qū)的大量興建，風(fēng)荷載問(wèn)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(fēng)向風(fēng)荷載計(jì)算模型，為后續(xù)的風(fēng)荷載研究奠定了理論基礎(chǔ)，該模型也成為各國(guó)制定風(fēng)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(fēng)荷載的各個(gè)方面展開了深入研究。在風(fēng)洞試驗(yàn)方面，加拿大國(guó)家研究院的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對(duì)多種建筑模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)研究了不同建筑體型、風(fēng)場(chǎng)條件下的風(fēng)壓分布和風(fēng)力系數(shù)，為風(fēng)荷載的研究提供了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在數(shù)值模擬領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法逐漸應(yīng)用于建筑風(fēng)工程研究。歐洲的一些研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)復(fù)雜體型高層建筑進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了氣流繞流特性和表面風(fēng)壓分布，取得了較好的模擬結(jié)果。國(guó)內(nèi)對(duì)高層建筑風(fēng)荷載的研究始于20世紀(jì)80年代，隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)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(guó)建筑科學(xué)研究院等科研機(jī)構(gòu)通過(guò)大量的風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了不同地區(qū)、不同類型高層建筑的風(fēng)荷載特性，為我國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范的制定和完善提供了重要參考。同時(shí)，國(guó)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(jìn)展。同濟(jì)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的理論研究方面做出了突出貢獻(xiàn)，提出了一系列風(fēng)致響應(yīng)計(jì)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(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)高層建筑風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，深入分析了氣流與建筑的相互作用機(jī)制，為高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了理論支持。然而，針對(duì)圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)荷載特性的研究相對(duì)較少。雖然近年來(lái)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(qiáng)等學(xué)者基于實(shí)際工程項(xiàng)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(shí)，施擾建筑脫落的漩渦增強(qiáng)了來(lái)流脈動(dòng)性，導(dǎo)致受擾建筑順風(fēng)向和橫風(fēng)向的峰值加速度明顯增大。丁通等學(xué)者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了圓角弧邊三角形雙塔建筑在串列布置時(shí)的氣動(dòng)力，分析了不同排布方式和相對(duì)間距對(duì)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(fēng)荷載特性的研究仍存在一些不足之處。在試驗(yàn)研究方面，現(xiàn)有試驗(yàn)大多針對(duì)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(yàn)之間的條件和參數(shù)設(shè)置存在差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果難以進(jìn)行有效的對(duì)比和分析。在數(shù)值模擬方面，雖然CFD技術(shù)在建筑風(fēng)工程中得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)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(zhǔn)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(jì)算網(wǎng)格的劃分等因素都會(huì)對(duì)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(fēng)荷載特性的復(fù)雜性，目前還缺乏完善的理論模型來(lái)準(zhǔn)確描述其風(fēng)荷載分布和作用機(jī)制，難以滿足工程實(shí)際的需求。綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外在高層建筑風(fēng)荷載研究方面取得了豐碩的成果，但針對(duì)圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)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(duì)于豐富建筑風(fēng)工程理論、提高圓角弧邊三角形高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)水平具有重要意義。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將圍繞圓角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)荷載特性展開，主要涵蓋以下幾個(gè)方面：?jiǎn)误w圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)荷載特性研究：對(duì)單體圓角弧邊三角形高層建筑進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)量不同高度、不同風(fēng)向角下建筑表面的風(fēng)壓分布，分析風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律。通過(guò)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(guò)程，深入研究氣流的分離、再附、漩渦脫落等現(xiàn)象對(duì)風(fēng)荷載的影響，揭示單體建筑風(fēng)荷載的作用機(jī)制。雙塔圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)荷載特性研究：針對(duì)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(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)量受擾建筑和施擾建筑表面的風(fēng)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(yùn)用數(shù)值模擬手段，模擬雙塔周圍的復(fù)雜流場(chǎng)，研究雙塔之間的氣流相互作用對(duì)風(fēng)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(fēng)荷載理論分析與模型建立：基于風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)圓角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)荷載進(jìn)行理論分析，建立適用于該類建筑的風(fēng)荷載計(jì)算模型。考慮建筑體型、風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度等因素，對(duì)風(fēng)荷載計(jì)算模型中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和修正，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。將建立的風(fēng)荷載計(jì)算模型與現(xiàn)有規(guī)范中的風(fēng)荷載計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估模型的合理性和適用性，為工程設(shè)計(jì)提供理論支持。1.3.2研究方法本研究將綜合運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)、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(fēng)荷載特性。風(fēng)洞試驗(yàn)：風(fēng)洞試驗(yàn)是研究建筑風(fēng)荷載特性的重要手段，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。本研究將設(shè)計(jì)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(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整風(fēng)速、風(fēng)向角等參數(shù)，模擬不同的風(fēng)場(chǎng)條件，使用壓力傳感器測(cè)量建筑表面的風(fēng)壓分布，獲取風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬在建筑風(fēng)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究將采用計(jì)算流體動(dòng)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(duì)氣流繞流過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)設(shè)置合適的湍流模型、邊界條件和計(jì)算網(wǎng)格，模擬氣流的流動(dòng)狀態(tài)，分析風(fēng)荷載的分布和變化規(guī)律。數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)風(fēng)洞試驗(yàn)的不足，對(duì)一些難以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行深入研究，同時(shí)還可以節(jié)省試驗(yàn)成本和時(shí)間。理論分析：在風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，運(yùn)用流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)圓角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)荷載進(jìn)行理論分析。建立風(fēng)荷載的理論模型，推導(dǎo)風(fēng)荷載的計(jì)算公式，分析風(fēng)荷載的作用機(jī)制和影響因素。通過(guò)理論分析，揭示風(fēng)荷載與建筑體型、風(fēng)速、風(fēng)向等因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為風(fēng)荷載的預(yù)測(cè)和控制提供理論依據(jù)。二、圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)荷載研究基礎(chǔ)2.1風(fēng)荷載相關(guān)理論風(fēng)荷載是空氣流動(dòng)對(duì)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(dāng)風(fēng)遇到建筑物時(shí)，氣流的速度和方向會(huì)發(fā)生改變，從而在建筑物表面形成不同的壓力分布。風(fēng)荷載的大小和分布受到多種因素的影響，包括風(fēng)速、風(fēng)向、地形地貌、建筑物的形狀和高度等。根據(jù)風(fēng)荷載的作用特性和對(duì)建筑物的影響方式，可將其分為不同的類型，常見的有風(fēng)壓力、風(fēng)吸力、風(fēng)振力等。風(fēng)壓力是指風(fēng)直接作用在建筑物迎風(fēng)面上的壓力，風(fēng)吸力則是指風(fēng)在建筑物背風(fēng)面或側(cè)面產(chǎn)生的吸力，而風(fēng)振力是由于風(fēng)的脈動(dòng)特性引起建筑物振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)荷載是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。目前，常用的風(fēng)荷載計(jì)算方法主要有基于規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式法、風(fēng)洞試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法?；谝?guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式法是根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出的一套風(fēng)荷載計(jì)算公式。以我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）為例，對(duì)于一般建筑結(jié)構(gòu)，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值w_{k}按下式計(jì)算：w_{k}=\beta_{z}\mu_{s}\mu_{z}w_{0}式中，w_{k}為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m^{2}）；\beta_{z}為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，用于考慮風(fēng)的脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；\mu_{s}為風(fēng)荷載體型系數(shù)，反映了建筑物形狀和體型對(duì)風(fēng)荷載的影響；\mu_{z}為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，體現(xiàn)了風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律；w_{0}為基本風(fēng)壓（kN/m^{2}），是以當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10min平均的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出的50年一遇的最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)確定的。例如，在廣州市某地區(qū)，根據(jù)規(guī)范查得基本風(fēng)壓w_{0}為0.5kN/m2，對(duì)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(fēng)荷載體型系數(shù)\mu_{s}取1.3，通過(guò)計(jì)算可得風(fēng)壓高度變化系數(shù)\mu_{z}約為1.62，假設(shè)風(fēng)振系數(shù)\beta_{z}為1.5，則該建筑在50m高度處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為w_{k}=1.5×1.3×1.62×0.5\approx1.58kN/m^{2}。風(fēng)洞試驗(yàn)法則是在風(fēng)洞中模擬真實(shí)的風(fēng)環(huán)境，將縮尺模型放置在風(fēng)洞中，測(cè)量模型表面的風(fēng)壓分布和風(fēng)力系數(shù)，從而獲得風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。這種方法能夠較為真實(shí)地反映建筑物在風(fēng)作用下的實(shí)際情況，但成本較高、周期較長(zhǎng)。數(shù)值模擬法則是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等技術(shù)，通過(guò)建立建筑物和周圍流場(chǎng)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(guò)程，進(jìn)而計(jì)算風(fēng)荷載。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬法在風(fēng)荷載計(jì)算中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它可以對(duì)復(fù)雜體型的建筑物進(jìn)行詳細(xì)的分析，并且能夠節(jié)省時(shí)間和成本，但模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的建立和參數(shù)的選取。在高層建筑風(fēng)荷載研究中，順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載理論是重要的基礎(chǔ)理論。順風(fēng)向風(fēng)荷載是指風(fēng)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(fēng)速引起的平均風(fēng)壓和風(fēng)速脈動(dòng)引起的脈動(dòng)風(fēng)壓組成。平均風(fēng)壓可通過(guò)風(fēng)壓高度變化系數(shù)和基本風(fēng)壓計(jì)算得到，而脈動(dòng)風(fēng)壓則需要考慮風(fēng)的脈動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。Davenport提出的基于抖振理論的結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)荷載計(jì)算模型，考慮了風(fēng)的脈動(dòng)和結(jié)構(gòu)的阻尼、自振頻率等因素，為順風(fēng)向風(fēng)荷載的計(jì)算提供了重要的理論基礎(chǔ)。例如，在對(duì)某順風(fēng)向振動(dòng)的高層建筑進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，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(dòng)風(fēng)的功率譜密度等參數(shù)，通過(guò)一系列的計(jì)算和分析，得到順風(fēng)向風(fēng)荷載的大小和分布。橫風(fēng)向風(fēng)荷載是指垂直于風(fēng)向作用在建筑物上的荷載，其產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，主要包括渦激振動(dòng)、馳振和顫振等。渦激振動(dòng)是當(dāng)風(fēng)繞過(guò)建筑物時(shí)，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(fēng)向的作用力。當(dāng)旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向振動(dòng)加劇。馳振和顫振則是由于結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，在一定的風(fēng)速條件下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生自激振動(dòng)，這種振動(dòng)具有失穩(wěn)的特性，一旦發(fā)生，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。對(duì)于具有箱形截面或H形截面的高層建筑，在強(qiáng)風(fēng)作用下可能會(huì)發(fā)生馳振或顫振現(xiàn)象，需要特別關(guān)注。扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載是由于風(fēng)作用在建筑物上產(chǎn)生的扭矩，它會(huì)導(dǎo)致建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載的產(chǎn)生與建筑物的平面形狀、質(zhì)量分布以及風(fēng)的攻角等因素有關(guān)。對(duì)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(fēng)荷載的影響更為顯著。在研究扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載時(shí)，需要考慮建筑物的扭轉(zhuǎn)剛度、質(zhì)量慣性矩以及風(fēng)荷載的空間分布等因素。例如，對(duì)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(fēng)作用下會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力矩，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方程，考慮風(fēng)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(fēng)荷載作用下的安全性。2.2研究方法概述本研究綜合運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)、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(fēng)荷載特性。這三種方法各有優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，能夠從不同角度揭示風(fēng)荷載的作用機(jī)制和規(guī)律。風(fēng)洞試驗(yàn)是在風(fēng)洞中模擬真實(shí)的風(fēng)環(huán)境，將縮尺模型放置在風(fēng)洞中，測(cè)量模型表面的風(fēng)壓分布和風(fēng)力系數(shù)，從而獲得風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。其原理基于相似性原理，通過(guò)調(diào)整風(fēng)速、風(fēng)向角等參數(shù)，模擬不同的風(fēng)場(chǎng)條件，使模型與實(shí)際建筑在空氣動(dòng)力學(xué)上具有相似性。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，氣流繞過(guò)模型時(shí)，會(huì)在模型表面形成壓力分布，通過(guò)測(cè)量這些壓力分布，就可以得到風(fēng)荷載的相關(guān)數(shù)據(jù)。風(fēng)洞試驗(yàn)具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，能夠較為真實(shí)地反映建筑物在風(fēng)作用下的實(shí)際情況，為研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，在對(duì)某高層建筑進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)在模型表面布置大量的壓力傳感器，可以精確測(cè)量不同高度、不同風(fēng)向角下模型表面的風(fēng)壓分布，從而獲得詳細(xì)的風(fēng)荷載信息。數(shù)值模擬則是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等技術(shù)，通過(guò)建立建筑物和周圍流場(chǎng)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(guò)程，進(jìn)而計(jì)算風(fēng)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(guò)離散化這些方程，將連續(xù)的流場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)值問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(duì)周圍流場(chǎng)進(jìn)行合理的劃分，然后設(shè)置合適的湍流模型、邊界條件和計(jì)算網(wǎng)格，通過(guò)迭代計(jì)算，得到流場(chǎng)的速度、壓力等參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)荷載。數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)風(fēng)洞試驗(yàn)的不足，對(duì)一些難以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行深入研究，同時(shí)還可以節(jié)省試驗(yàn)成本和時(shí)間。例如，通過(guò)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(fēng)荷載特性，為建筑設(shè)計(jì)提供更多的參考方案。理論分析是運(yùn)用流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)圓角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)荷載進(jìn)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(fēng)荷載的理論模型，推導(dǎo)風(fēng)荷載的計(jì)算公式，分析風(fēng)荷載的作用機(jī)制和影響因素。在理論分析中，通過(guò)對(duì)氣流繞流建筑物的物理過(guò)程進(jìn)行分析，運(yùn)用邊界層理論、渦旋理論等，建立風(fēng)荷載與建筑體型、風(fēng)速、風(fēng)向等因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而揭示風(fēng)荷載的內(nèi)在規(guī)律。理論分析可以為風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)，同時(shí)也有助于深入理解風(fēng)荷載的作用機(jī)制。例如，通過(guò)理論分析可以推導(dǎo)出風(fēng)荷載的計(jì)算公式，明確各個(gè)參數(shù)的物理意義和影響因素，為風(fēng)荷載的計(jì)算和分析提供理論依據(jù)。在本研究中，風(fēng)洞試驗(yàn)將用于獲取圓角弧邊三角形高層建筑在不同風(fēng)場(chǎng)條件下的風(fēng)荷載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬和理論分析提供驗(yàn)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(xì)過(guò)程和流場(chǎng)特性，分析風(fēng)荷載的分布和變化規(guī)律，同時(shí)也可以對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的工況進(jìn)行模擬。理論分析則將貫穿于整個(gè)研究過(guò)程，為風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬提供理論支持，建立風(fēng)荷載的計(jì)算模型和理論體系，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)這三種方法的有機(jī)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(fēng)荷載特性，提高研究的可靠性和準(zhǔn)確性。三、圓角弧邊三角形單體高層建筑風(fēng)荷載特性3.1風(fēng)洞試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為深入研究圓角弧邊三角形單體高層建筑的風(fēng)荷載特性，精心設(shè)計(jì)并開展風(fēng)洞試驗(yàn)。此次試驗(yàn)旨在通過(guò)模擬真實(shí)風(fēng)環(huán)境，準(zhǔn)確獲取建筑表面的風(fēng)壓分布及風(fēng)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(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作方面，嚴(yán)格遵循相似性原理。依據(jù)實(shí)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(zhǎng)為50m，那么模型的高度則為1m，邊長(zhǎng)為0.25m。模型采用高強(qiáng)度、低密度的有機(jī)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(xì)節(jié)特征，還能保證模型在風(fēng)洞試驗(yàn)中的剛度和穩(wěn)定性，有效避免因模型變形而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。在制作過(guò)程中，運(yùn)用先進(jìn)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(yàn)對(duì)模型精度的嚴(yán)格要求。測(cè)點(diǎn)布置是風(fēng)洞試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，直接影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在模型表面，沿高度方向均勻布置20個(gè)測(cè)壓截面，每個(gè)截面間隔0.05m，以全面獲取不同高度處的風(fēng)壓分布信息。在每個(gè)測(cè)壓截面上，根據(jù)建筑表面的氣流流動(dòng)特性和壓力變化規(guī)律，合理布置測(cè)點(diǎn)。對(duì)于迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面等關(guān)鍵區(qū)域，加密測(cè)點(diǎn)布置，共布置100個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距最小可達(dá)0.02m。采用高精度的電子掃描閥壓力傳感器測(cè)量模型表面的風(fēng)壓，該傳感器具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，測(cè)量誤差可控制在±0.5%FS以內(nèi)，能夠準(zhǔn)確捕捉風(fēng)壓的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，為了確保傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)前對(duì)所有傳感器進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)和標(biāo)定，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)壓力源進(jìn)行比對(duì)，修正傳感器的測(cè)量誤差。風(fēng)場(chǎng)模擬對(duì)于準(zhǔn)確再現(xiàn)建筑在實(shí)際風(fēng)環(huán)境中的受力情況至關(guān)重要。本次試驗(yàn)在大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)段的尺寸為3m（寬）×2m（高）×20m（長(zhǎng)），能夠滿足模型試驗(yàn)的空間需求。為模擬不同地貌條件下的風(fēng)剖面，在風(fēng)洞入口處設(shè)置了尖劈、粗糙元等裝置，以產(chǎn)生符合我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的A、B、C、D四類地貌的風(fēng)剖面。通過(guò)調(diào)整尖劈和粗糙元的高度、間距等參數(shù)，精確控制風(fēng)剖面的平均風(fēng)速和湍流度分布。試驗(yàn)過(guò)程中，使用熱線風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)洞中的風(fēng)速和湍流度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)，確保模擬風(fēng)場(chǎng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。參考風(fēng)速設(shè)定為15m/s，模擬的風(fēng)剖面如圖1所示，其中U為平均風(fēng)速，Iu為湍流度，z為測(cè)試點(diǎn)高度。從圖中可以看出，不同地貌條件下的風(fēng)剖面具有明顯的差異，A類地貌的風(fēng)速隨高度變化較為平緩，湍流度較低；而D類地貌的風(fēng)速隨高度變化較快，湍流度較高。數(shù)據(jù)采集采用先進(jìn)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)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(zhǔn)確捕捉風(fēng)壓的高頻脈動(dòng)成分。采樣時(shí)間為60s，通過(guò)多次重復(fù)采樣，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提高數(shù)據(jù)的可靠性。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)預(yù)處理，及時(shí)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(shí)，為了防止數(shù)據(jù)丟失和損壞，采用冗余存儲(chǔ)技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多備份存儲(chǔ)。通過(guò)以上精心設(shè)計(jì)的風(fēng)洞試驗(yàn)方案，能夠全面、準(zhǔn)確地獲取圓角弧邊三角形單體高層建筑在不同風(fēng)場(chǎng)條件下的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，為后續(xù)深入研究其風(fēng)荷載特性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.2表面風(fēng)壓分布特性3.2.1均值風(fēng)壓分布規(guī)律對(duì)不同高度處建筑表面均值風(fēng)壓分布進(jìn)行深入分析，是理解圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)荷載特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)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(fēng)壓系數(shù)分布圖，圖2展示了高度為50m、100m和150m處，來(lái)流風(fēng)向角為0°時(shí)的均值風(fēng)壓系數(shù)分布情況。從圖中可以清晰地看出，迎風(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)呈現(xiàn)出中間高、兩側(cè)低的分布特征。在迎風(fēng)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(fēng)壓系數(shù)較大。例如，在50m高度處，迎風(fēng)面中心的均值風(fēng)壓系數(shù)可達(dá)0.8左右。而在迎風(fēng)面兩側(cè)，由于氣流的繞流作用，速度相對(duì)較大，靜壓較小，均值風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小。側(cè)風(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)分布較為復(fù)雜，呈現(xiàn)出明顯的正負(fù)交替區(qū)域?？拷L(fēng)面一側(cè)的側(cè)風(fēng)面，氣流受到迎風(fēng)面的影響，速度增加，靜壓減小，形成負(fù)壓區(qū)，均值風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值。隨著向背風(fēng)面方向移動(dòng)，氣流逐漸分離、再附，在部分區(qū)域形成正壓區(qū)，均值風(fēng)壓系數(shù)為正值。在100m高度處的側(cè)風(fēng)面，靠近迎風(fēng)面的區(qū)域均值風(fēng)壓系數(shù)可達(dá)-0.5左右，而在靠近背風(fēng)面的部分區(qū)域，均值風(fēng)壓系數(shù)則可達(dá)到0.2左右。這種正負(fù)交替的分布特征與氣流的分離、再附現(xiàn)象密切相關(guān)。當(dāng)氣流繞過(guò)建筑迎風(fēng)面進(jìn)入側(cè)風(fēng)面時(shí)，會(huì)在側(cè)風(fēng)面邊緣發(fā)生分離，形成一個(gè)低壓區(qū)，隨著氣流繼續(xù)向后流動(dòng)，在一定條件下會(huì)發(fā)生再附，使得壓力有所回升，形成正壓區(qū)。背風(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)整體呈現(xiàn)出負(fù)壓狀態(tài)，且分布相對(duì)較為均勻。這是因?yàn)闅饬髟诶@過(guò)建筑后，在背風(fēng)面形成了一個(gè)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(duì)較小，從而導(dǎo)致背風(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值。在150m高度處的背風(fēng)面，均值風(fēng)壓系數(shù)基本在-0.4左右波動(dòng)。進(jìn)一步分析不同高度處均值風(fēng)壓分布與來(lái)流方向、建筑外形的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著來(lái)流風(fēng)向角的變化，迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的位置也相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致均值風(fēng)壓分布發(fā)生顯著變化。當(dāng)風(fēng)向角為30°時(shí)，建筑的一個(gè)角部成為迎風(fēng)角，氣流在該角部發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊和分離，使得該區(qū)域的均值風(fēng)壓系數(shù)明顯增大，同時(shí)側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓分布也與風(fēng)向角為0°時(shí)有所不同。建筑的圓角弧邊形狀對(duì)均值風(fēng)壓分布也有重要影響。圓角弧邊的存在使得氣流在繞流過(guò)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(fēng)壓分布相對(duì)更加均勻，減小了局部風(fēng)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(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)變化更為平緩，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的壓力突變區(qū)域。3.2.2極值風(fēng)壓分布特征研究建筑表面極值風(fēng)壓的出現(xiàn)位置和大小，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)風(fēng)作用下的安全性和可靠性。通過(guò)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，確定了不同工況下建筑表面極值風(fēng)壓的分布情況。在迎風(fēng)面，極值正風(fēng)壓通常出現(xiàn)在迎風(fēng)面中心或靠近中心的區(qū)域。當(dāng)來(lái)流風(fēng)向角為0°時(shí)，在建筑高度約為120m處的迎風(fēng)面中心，極值正風(fēng)壓系數(shù)可達(dá)1.2左右。這是因?yàn)樵谠搮^(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(lái)流風(fēng)向角的改變，迎風(fēng)面極值正風(fēng)壓的位置會(huì)有所偏移，但仍然集中在迎風(fēng)面的中心附近區(qū)域。在側(cè)風(fēng)面，極值風(fēng)壓的分布較為復(fù)雜，既有極值正風(fēng)壓，也有極值負(fù)風(fēng)壓。極值負(fù)風(fēng)壓通常出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)面前緣靠近迎風(fēng)面的位置，當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，在高度為80m的側(cè)風(fēng)面前緣，極值負(fù)風(fēng)壓系數(shù)可達(dá)-1.0左右。這是由于氣流在繞過(guò)迎風(fēng)面進(jìn)入側(cè)風(fēng)面時(shí)，在側(cè)風(fēng)面前緣發(fā)生強(qiáng)烈的分離，形成一個(gè)低壓區(qū)，導(dǎo)致壓力急劇降低。而極值正風(fēng)壓則出現(xiàn)在側(cè)風(fēng)面后緣靠近背風(fēng)面的位置，在相同風(fēng)向角下，該位置的極值正風(fēng)壓系數(shù)可達(dá)0.6左右。這是因?yàn)闅饬髟趥?cè)風(fēng)面流動(dòng)過(guò)程中，在側(cè)風(fēng)面后緣逐漸發(fā)生再附，使得壓力有所回升。背風(fēng)面主要出現(xiàn)極值負(fù)風(fēng)壓，且極值負(fù)風(fēng)壓的大小相對(duì)較為穩(wěn)定，分布也較為均勻。在不同的來(lái)流風(fēng)向角下，背風(fēng)面的極值負(fù)風(fēng)壓系數(shù)基本在-0.6左右。這是由于背風(fēng)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(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)致背風(fēng)面的極值負(fù)風(fēng)壓變化不大。將建筑表面極值風(fēng)壓的研究結(jié)果與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)極值風(fēng)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(qiáng)度，以確保結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下的安全性。對(duì)于出現(xiàn)極值正風(fēng)壓的區(qū)域，如迎風(fēng)面中心，需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗壓能力；對(duì)于出現(xiàn)極值負(fù)風(fēng)壓的區(qū)域，如側(cè)風(fēng)面前緣和背風(fēng)面，需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗拉能力。在設(shè)計(jì)建筑的幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的極值風(fēng)壓大小，選擇合適的幕墻材料和連接件，以保證幕墻在強(qiáng)風(fēng)作用下的穩(wěn)定性。3.2.3測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)分析測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)是衡量建筑表面風(fēng)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(fēng)向角下表面風(fēng)壓與來(lái)流風(fēng)壓的比值關(guān)系。通過(guò)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，得到了不同測(cè)點(diǎn)層的體型系數(shù)，并對(duì)其變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行了深入分析。在不同高度處，測(cè)點(diǎn)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(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)總體上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在建筑底部，由于地面粗糙度的影響，風(fēng)速較小，氣流較為穩(wěn)定，迎風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)相對(duì)較小。隨著高度的升高，風(fēng)速逐漸增大，氣流的紊流度也增加，迎風(fēng)面受到的風(fēng)荷載增大，測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)逐漸增大。但當(dāng)高度超過(guò)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(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)反而有所減小。在高度為60m處，迎風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)約為0.9，而在高度為180m處，測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)則減小至0.8左右。側(cè)風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)在不同高度處的變化較為復(fù)雜，沒(méi)有明顯的單調(diào)變化趨勢(shì)。在某些高度處，由于氣流的分離和再附現(xiàn)象，測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。在高度為100m左右的側(cè)風(fēng)面，由于氣流在此處發(fā)生了強(qiáng)烈的分離和再附，測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)在-0.6到0.4之間波動(dòng)。背風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)在不同高度處相對(duì)較為穩(wěn)定，基本保持在-0.5左右，這與背風(fēng)面始終處于尾流區(qū)，氣流特性相對(duì)穩(wěn)定有關(guān)。風(fēng)向角對(duì)測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)也有顯著影響。隨著風(fēng)向角的改變，建筑的迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)發(fā)生明顯變化。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，迎風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)較大，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)相對(duì)較小。當(dāng)風(fēng)向角逐漸增大時(shí)，迎風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)逐漸減小，而側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)則相應(yīng)增大。當(dāng)風(fēng)向角為60°時(shí)，原來(lái)的迎風(fēng)面變?yōu)閭?cè)風(fēng)面，其測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)從0.9左右減小至-0.3左右，而原來(lái)的側(cè)風(fēng)面變?yōu)橛L(fēng)面，測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)比例等，也會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)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(guò)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(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)的峰值，使風(fēng)壓分布更加均勻。當(dāng)圓角弧邊半徑增大20%時(shí)，迎風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)峰值降低了約15%，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)波動(dòng)范圍也有所減小。改變?nèi)切蔚倪呴L(zhǎng)比例，會(huì)改變建筑的整體形狀和氣流繞流特性，進(jìn)而影響測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)的分布。當(dāng)三角形的邊長(zhǎng)比例發(fā)生變化時(shí)，迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)壓分布會(huì)發(fā)生明顯改變，測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化。3.3測(cè)點(diǎn)層功率譜特性對(duì)測(cè)點(diǎn)層風(fēng)荷載進(jìn)行功率譜分析，是深入了解風(fēng)荷載特性的重要手段。功率譜能夠揭示風(fēng)荷載隨頻率的分布情況，幫助確定主要頻率成分，進(jìn)而分析其與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)系。以高度為100m處的測(cè)點(diǎn)層為例，圖3展示了該測(cè)點(diǎn)層在來(lái)流風(fēng)向角為0°時(shí)的風(fēng)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(fēng)荷載的主要頻率成分。在該頻段內(nèi)，風(fēng)荷載的能量主要來(lái)自于平均風(fēng)速的作用，由于平均風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定，其引起的風(fēng)荷載變化相對(duì)緩慢，因此對(duì)應(yīng)的頻率較低。隨著頻率的進(jìn)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(duì)較小，且波動(dòng)較為平穩(wěn)。這是因?yàn)楦哳l段的風(fēng)荷載主要由風(fēng)速的脈動(dòng)引起，而風(fēng)速脈動(dòng)的能量相對(duì)較小，且變化較為隨機(jī)，導(dǎo)致功率譜密度較低且波動(dòng)平穩(wěn)。通過(guò)對(duì)不同高度測(cè)點(diǎn)層功率譜的對(duì)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)層，峰值頻率則增大至約0.4Hz。這是由于隨著高度的增加，風(fēng)速增大，氣流的紊流度也增加，導(dǎo)致風(fēng)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(cè)點(diǎn)層功率譜特性與結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)荷載的主要頻率成分與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時(shí)，會(huì)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(dāng)風(fēng)荷載的主要頻率成分在該頻率附近時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振，此時(shí)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)可能會(huì)比非共振情況下增大數(shù)倍，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮風(fēng)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(fēng)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(fēng)荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。3.4風(fēng)振響應(yīng)特性3.4.1基底合力(矩)分析在風(fēng)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(píng)估結(jié)構(gòu)底部受力情況的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲取的風(fēng)壓數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)力學(xué)原理和計(jì)算方法，計(jì)算得到不同風(fēng)向角下的基底合力和彎矩。在風(fēng)向角為0°時(shí)，計(jì)算出基底順風(fēng)向合力為F_{x1}，橫風(fēng)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(fēng)向角的逐漸變化，如風(fēng)向角為30°時(shí)，基底順風(fēng)向合力變?yōu)镕_{x2}，橫風(fēng)向合力變?yōu)镕_{y2}，基底彎矩變?yōu)镸_{x2}和M_{y2}。將不同風(fēng)向角下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，繪制出基底合力和彎矩隨風(fēng)向角變化的曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，基底順風(fēng)向合力在某些風(fēng)向角下呈現(xiàn)出較大的值。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，順風(fēng)向合力較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)直接作用在迎風(fēng)面上，迎風(fēng)面承受了較大的壓力，導(dǎo)致順風(fēng)向合力增大。隨著風(fēng)向角的增大，順風(fēng)向合力逐漸減小，當(dāng)風(fēng)向角達(dá)到一定值后，順風(fēng)向合力又會(huì)有所增大。這是由于風(fēng)向角的變化改變了建筑的迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面，使得風(fēng)荷載的分布發(fā)生變化，從而影響了基底順風(fēng)向合力的大小?；讬M風(fēng)向合力的變化規(guī)律與順風(fēng)向合力有所不同。在某些風(fēng)向角下，橫風(fēng)向合力會(huì)出現(xiàn)峰值。當(dāng)風(fēng)向角為45°左右時(shí)，橫風(fēng)向合力達(dá)到最大值F_{y_{max}}。這是因?yàn)樵谶@個(gè)風(fēng)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(qiáng)烈，導(dǎo)致橫風(fēng)向的作用力增大。隨著風(fēng)向角的繼續(xù)增大，橫風(fēng)向合力逐漸減小。基底彎矩的變化也與風(fēng)向角密切相關(guān)。繞x軸的彎矩M_{x}在不同風(fēng)向角下呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。在風(fēng)向角為0°時(shí)，M_{x}相對(duì)較小，隨著風(fēng)向角的增大，M_{x}逐漸增大，在某個(gè)風(fēng)向角處達(dá)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(shì)受到風(fēng)向角的顯著影響。這些變化規(guī)律與風(fēng)荷載的分布特性密切相關(guān)。風(fēng)向角的改變會(huì)導(dǎo)致建筑表面風(fēng)壓分布的變化，從而影響基底合力和彎矩的大小。在迎風(fēng)面，風(fēng)壓較大，會(huì)產(chǎn)生較大的順風(fēng)向合力；而在側(cè)風(fēng)面，氣流的分離和漩渦脫落會(huì)產(chǎn)生橫風(fēng)向的作用力，導(dǎo)致橫風(fēng)向合力和彎矩的變化。了解這些規(guī)律對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度，以確保結(jié)構(gòu)底部能夠承受風(fēng)荷載產(chǎn)生的作用力。對(duì)于基底順風(fēng)向合力較大的情況，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)的抗壓能力；對(duì)于基底橫風(fēng)向合力和彎矩較大的情況，需要增強(qiáng)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(píng)估高層建筑舒適度和安全性的重要指標(biāo)。在風(fēng)荷載作用下，高層建筑會(huì)發(fā)生振動(dòng)，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(dòng)劇烈程度。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)圓角弧邊三角形高層建筑的結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度進(jìn)行深入研究。在不同風(fēng)速和風(fēng)向角條件下，測(cè)量和計(jì)算得到結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度。在風(fēng)速為10m/s，風(fēng)向角為0°時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度為a_{1}；當(dāng)風(fēng)速增大到15m/s，風(fēng)向角保持不變時(shí)，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(jìn)行整理和分析，繪制出峰值加速度隨風(fēng)速和風(fēng)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(fēng)速對(duì)結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度有顯著影響。隨著風(fēng)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(shì)。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致風(fēng)荷載增大，從而使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加劇，頂層峰值加速度增大。當(dāng)風(fēng)速?gòu)?0m/s增大到20m/s時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度可能會(huì)增大數(shù)倍。風(fēng)向角對(duì)結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度也有重要影響。在不同的風(fēng)向角下，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的大小會(huì)發(fā)生變化。在某些風(fēng)向角下，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度會(huì)出現(xiàn)較大的值。當(dāng)風(fēng)向角為30°左右時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度相對(duì)較大。這是由于在這個(gè)風(fēng)向角下，風(fēng)荷載的分布使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的振動(dòng)響應(yīng)。將結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度與人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)的舒適度和安全性。根據(jù)人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度超過(guò)一定閾值時(shí)，會(huì)引起居住者的不適。假設(shè)人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閾值為a_{lim}，若計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度a大于a_{lim}，則說(shuō)明結(jié)構(gòu)的舒適度較差，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)減小振動(dòng)，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(lái)看，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度過(guò)大可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損害。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)在風(fēng)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(guò)規(guī)范規(guī)定的限值，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生威脅，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固或調(diào)整設(shè)計(jì)。在某圓角弧邊三角形高層建筑的設(shè)計(jì)中，通過(guò)計(jì)算得到在特定風(fēng)荷載條件下結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度超過(guò)了人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。四、圓角弧邊三角形雙塔高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)4.1干擾效應(yīng)試驗(yàn)方案為深入探究圓角弧邊三角形雙塔高層建筑的風(fēng)荷載干擾效應(yīng)，精心設(shè)計(jì)了全面且系統(tǒng)的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)方案涵蓋了模型設(shè)計(jì)、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(guò)精準(zhǔn)的試驗(yàn)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(jì)方面，嚴(yán)格遵循相似性原理，確保模型與實(shí)際建筑在空氣動(dòng)力學(xué)特性上具有高度相似性。選用與單體試驗(yàn)相同的有機(jī)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(qiáng)度和穩(wěn)定性，可有效避免在試驗(yàn)過(guò)程中因模型變形而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型的幾何縮尺比確定為1:200，與單體試驗(yàn)保持一致，以便于后續(xù)對(duì)單體和雙塔試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)為50m，相應(yīng)地，模型的高度為1m，邊長(zhǎng)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(cè)量風(fēng)壓，傳感器的測(cè)量誤差控制在±0.5%FS以內(nèi)，并在試驗(yàn)前進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)和標(biāo)定，以確保測(cè)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(duì)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(zhǎng)。例如，當(dāng)S/B=1.0時(shí)，雙塔中心間距為50m（原型建筑尺寸），在模型中對(duì)應(yīng)的間距為0.25m。針對(duì)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(cuò)布置，具體如圖6所示。在并列布置中，雙塔的長(zhǎng)邊平行且相對(duì)；串列布置時(shí)，雙塔沿來(lái)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(cuò)布置則使雙塔在平面上相互交錯(cuò)。通過(guò)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(fēng)場(chǎng)條件，設(shè)置了36個(gè)風(fēng)向角，每隔10°設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，從0°到350°全覆蓋。這樣可以詳細(xì)研究不同風(fēng)向角下雙塔干擾效應(yīng)的變化規(guī)律，捕捉在各種風(fēng)向情況下雙塔之間的氣流干擾特征。在每種工況下，均進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。每次試驗(yàn)的采樣時(shí)間為60s，采樣頻率為500Hz，與單體試驗(yàn)保持一致，確保能夠準(zhǔn)確捕捉風(fēng)壓的動(dòng)態(tài)變化。數(shù)據(jù)采集方法與單體試驗(yàn)類似，采用先進(jìn)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓數(shù)據(jù)的同步采集。為了確保采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，立即進(jìn)行排查和處理。同時(shí)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次核對(duì)和驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)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(chǔ)方面，采用多重備份存儲(chǔ)方式，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)不同的存儲(chǔ)設(shè)備中，防止數(shù)據(jù)丟失。每次試驗(yàn)結(jié)束后，及時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和初步分析，繪制相關(guān)圖表，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的異常情況和潛在規(guī)律。通過(guò)以上精心設(shè)計(jì)的干擾效應(yīng)試驗(yàn)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(fēng)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(duì)表面風(fēng)壓的影響4.2.1雙塔表面均值風(fēng)壓對(duì)比通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)單塔和雙塔情況下的表面均值風(fēng)壓進(jìn)行對(duì)比分析，以揭示雙塔干擾效應(yīng)對(duì)均值風(fēng)壓分布的影響。在相同的來(lái)流風(fēng)向角和風(fēng)速條件下，測(cè)量并繪制單塔和雙塔模型表面的均值風(fēng)壓系數(shù)分布圖，對(duì)比圖7中(a)單塔和(b)雙塔（間距比S/B=2.0，并列布置）在風(fēng)向角為0°時(shí)的均值風(fēng)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(fēng)壓分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，迎風(fēng)面中心區(qū)域的均值風(fēng)壓系數(shù)較大，向兩側(cè)逐漸減??；側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)分布也相對(duì)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(fēng)壓分布發(fā)生了顯著變化。在受擾建筑的迎風(fēng)面，靠近施擾建筑一側(cè)的風(fēng)壓系數(shù)明顯減小，這是因?yàn)槭_建筑對(duì)來(lái)流風(fēng)起到了一定的遮擋作用，減少了來(lái)流風(fēng)對(duì)受擾建筑迎風(fēng)面該側(cè)的沖擊。在間距比S/B=2.0，并列布置且風(fēng)向角為0°時(shí)，單塔迎風(fēng)面中心的均值風(fēng)壓系數(shù)約為0.8，而雙塔情況下受擾建筑迎風(fēng)面靠近施擾建筑一側(cè)的均值風(fēng)壓系數(shù)減小至0.6左右。在受擾建筑的側(cè)風(fēng)面，靠近施擾建筑的區(qū)域均值風(fēng)壓系數(shù)變化較為復(fù)雜，出現(xiàn)了局部的風(fēng)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(chǎng)，導(dǎo)致側(cè)風(fēng)面的風(fēng)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(fēng)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(fēng)壓系數(shù)增大。在側(cè)風(fēng)面靠近施擾建筑的前緣部分，均值風(fēng)壓系數(shù)從單塔時(shí)的-0.5左右減小至-0.7左右，而在側(cè)風(fēng)面靠近背風(fēng)面的部分區(qū)域，均值風(fēng)壓系數(shù)從單塔時(shí)的0.2左右增大至0.4左右。背風(fēng)面的均值風(fēng)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(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值略有增大，這表明背風(fēng)面的負(fù)壓有所增強(qiáng)。這是因?yàn)槭_建筑的存在改變了尾流區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使得尾流區(qū)內(nèi)的氣流更加紊亂，靜壓進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致背風(fēng)面的負(fù)壓增大。單塔背風(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)約為-0.4，而雙塔情況下受擾建筑背風(fēng)面的均值風(fēng)壓系數(shù)增大至-0.5左右。通過(guò)不同間距比和排布方式下的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)間距比越小，雙塔干擾效應(yīng)對(duì)表面均值風(fēng)壓的影響越顯著。當(dāng)間距比S/B=1.0時(shí)，受擾建筑表面的均值風(fēng)壓分布與單塔情況相比，變化更為劇烈，迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)極值差異更大。不同的排布方式也會(huì)導(dǎo)致均值風(fēng)壓分布的差異。串列布置時(shí)，受擾建筑迎風(fēng)面的遮擋效應(yīng)更為明顯，風(fēng)壓系數(shù)減小幅度更大；而斜列布置和交錯(cuò)布置時(shí)，側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)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(duì)受擾建筑的遮擋作用是雙塔干擾效應(yīng)中的一個(gè)重要方面，它對(duì)受擾建筑表面的風(fēng)壓分布產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)來(lái)流風(fēng)遇到施擾建筑時(shí)，部分氣流被阻擋，使得流向受擾建筑的風(fēng)速減小，從而導(dǎo)致受擾建筑表面的風(fēng)壓降低。這種遮擋效應(yīng)在受擾建筑的迎風(fēng)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(lái)流風(fēng)對(duì)受擾建筑迎風(fēng)面的沖擊。以間距比S/B=1.5為例，當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，施擾建筑完全遮擋了受擾建筑迎風(fēng)面的一部分區(qū)域。在被遮擋區(qū)域，風(fēng)速幾乎為零，根據(jù)伯努利方程，靜壓增大，風(fēng)壓系數(shù)減小。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量得到，被遮擋區(qū)域的均值風(fēng)壓系數(shù)相較于單塔情況減小了約40%，從單塔時(shí)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(dāng)間距比S/B增大到3.0時(shí)，施擾建筑對(duì)受擾建筑迎風(fēng)面的遮擋范圍減小，被遮擋區(qū)域的均值風(fēng)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?yàn)殡S著間距的增大，來(lái)流風(fēng)在繞過(guò)施擾建筑后有更多的空間恢復(fù)，對(duì)受擾建筑迎風(fēng)面的影響相對(duì)減小。風(fēng)向角的變化也會(huì)對(duì)遮擋效應(yīng)產(chǎn)生影響。當(dāng)風(fēng)向角發(fā)生改變時(shí)，施擾建筑與受擾建筑的相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生變化，遮擋區(qū)域和程度也隨之改變。當(dāng)風(fēng)向角為30°時(shí)，施擾建筑對(duì)受擾建筑迎風(fēng)面的遮擋位置發(fā)生偏移，遮擋范圍和程度也與風(fēng)向角為0°時(shí)不同。在這種情況下，受擾建筑迎風(fēng)面部分區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)減小，而部分區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)則有所增大，這是由于風(fēng)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(duì)氣流繞流雙塔的過(guò)程進(jìn)行模擬，得到不同工況下的流場(chǎng)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(fēng)向角為0°時(shí)，施擾建筑對(duì)來(lái)流風(fēng)的阻擋作用，以及在受擾建筑迎風(fēng)面形成的遮擋區(qū)域。氣流在繞過(guò)施擾建筑后，形成了一個(gè)低速區(qū)，該低速區(qū)覆蓋了受擾建筑迎風(fēng)面的一部分，導(dǎo)致該區(qū)域的風(fēng)壓降低。4.2.3狹道效應(yīng)探討雙塔間狹道區(qū)域的風(fēng)壓變化是雙塔干擾效應(yīng)研究中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，狹道效應(yīng)會(huì)對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生重要影響。當(dāng)來(lái)流風(fēng)進(jìn)入雙塔之間的狹道區(qū)域時(shí)，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(fēng)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(duì)不同間距比的雙塔模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)量狹道區(qū)域的風(fēng)壓分布。當(dāng)間距比S/B=1.0時(shí)，狹道區(qū)域中心處的平均風(fēng)速相較于來(lái)流風(fēng)速增大了約30%，相應(yīng)地，風(fēng)壓系數(shù)降低至-1.2左右，而單塔情況下對(duì)應(yīng)位置的風(fēng)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(fēng)壓顯著降低，產(chǎn)生了較強(qiáng)的吸力。隨著雙塔間距的增大，狹道效應(yīng)逐漸減弱。當(dāng)間距比S/B增大到3.0時(shí)，狹道區(qū)域中心處的平均風(fēng)速相較于來(lái)流風(fēng)速增大了約10%，風(fēng)壓系數(shù)降低至-0.7左右。這是因?yàn)殡S著間距的增大，狹道區(qū)域的通道寬度相對(duì)增大，氣流的收縮程度減小，速度增加幅度減小，從而使得風(fēng)壓降低的程度也減小。風(fēng)向角對(duì)狹道效應(yīng)也有明顯的影響。當(dāng)風(fēng)向角發(fā)生改變時(shí)，氣流進(jìn)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(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，氣流以一定角度進(jìn)入狹道區(qū)域，在狹道內(nèi)形成了復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了局部的氣流分離和漩渦。此時(shí)，狹道區(qū)域的風(fēng)壓分布更加不均勻，在某些位置出現(xiàn)了較大的負(fù)壓峰值。在狹道區(qū)域的一側(cè)邊緣，風(fēng)壓系數(shù)可降低至-1.5左右，而在另一側(cè)邊緣，風(fēng)壓系數(shù)則相對(duì)較高，為-0.8左右。通過(guò)數(shù)值模擬方法，進(jìn)一步分析狹道區(qū)域的流場(chǎng)特性。在圖9中，展示了并列布置、間距比S/B=1.5、風(fēng)向角為0°時(shí)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(jìn)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(fēng)壓分布。4.2.4尾流效應(yīng)研究施擾建筑尾流對(duì)受擾建筑的影響是雙塔干擾效應(yīng)的重要組成部分，它對(duì)受擾建筑表面的風(fēng)壓分布有著顯著的作用。當(dāng)來(lái)流風(fēng)繞過(guò)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(dòng)，這些漩渦和脈動(dòng)會(huì)對(duì)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(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量受擾建筑表面的風(fēng)壓時(shí)程，分析尾流區(qū)內(nèi)的脈動(dòng)特性對(duì)受擾建筑風(fēng)壓分布的影響。當(dāng)間距比S/B=1.5時(shí)，受擾建筑迎風(fēng)面的風(fēng)壓脈動(dòng)幅值明顯增大，相較于單塔情況，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的均方根值增大了約50%。這是因?yàn)槲擦鲄^(qū)內(nèi)的漩渦不斷脫落并向下游傳播，沖擊受擾建筑迎風(fēng)面，導(dǎo)致風(fēng)壓產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動(dòng)。尾流效應(yīng)的影響范圍和強(qiáng)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(dāng)間距比S/B減小到1.0時(shí)，受擾建筑迎風(fēng)面的風(fēng)壓脈動(dòng)幅值進(jìn)一步增大，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的均方根值相較于單塔情況增大了約80%。這是因?yàn)殚g距越小，尾流區(qū)內(nèi)的漩渦對(duì)受擾建筑的沖擊越頻繁，能量傳遞越充分，從而導(dǎo)致風(fēng)壓脈動(dòng)更加劇烈。風(fēng)向角的變化也會(huì)改變尾流效應(yīng)的作用方式。當(dāng)風(fēng)向角發(fā)生改變時(shí)，尾流區(qū)的形狀和位置發(fā)生變化，對(duì)受擾建筑的影響也不同。當(dāng)風(fēng)向角為30°時(shí)，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(duì)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(fēng)面部分區(qū)域，風(fēng)壓脈動(dòng)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(fēng)壓脈動(dòng)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(cè)速（PIV）技術(shù)對(duì)尾流區(qū)的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)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(fēng)向角為0°時(shí)尾流區(qū)的PIV測(cè)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(gè)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(qiáng)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(fēng)壓分布發(fā)生顯著變化。4.2.5干擾效應(yīng)對(duì)測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)的影響干擾效應(yīng)會(huì)對(duì)測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，通過(guò)分析不同工況下測(cè)點(diǎn)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(duì)風(fēng)荷載的作用機(jī)制。在不同的雙塔間距和排布方式下，測(cè)量并計(jì)算受擾建筑各測(cè)點(diǎn)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(dāng)間距比S/B=1.0時(shí)，受擾建筑迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)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(fēng)面的風(fēng)壓減小，從而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)降低。在高度為100m的迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)層，單塔時(shí)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(fēng)面測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)的變化更為復(fù)雜。當(dāng)間距比S/B=1.5時(shí)，受擾建筑迎風(fēng)面靠近施擾建筑一側(cè)的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)減小幅度較大，而遠(yuǎn)離施擾建筑一側(cè)的測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)則有所增大。這是因?yàn)榭拷_建筑一側(cè)受到強(qiáng)烈的遮擋效應(yīng)，風(fēng)壓大幅降低，而遠(yuǎn)離施擾建筑一側(cè)受到尾流效應(yīng)的影響，風(fēng)壓脈動(dòng)增強(qiáng)，在某些時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)較大的風(fēng)壓，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)增大。在高度為120m的迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)層，靠近施擾建筑一側(cè)的體型系數(shù)從單塔時(shí)的0.8減小至0.5左右，而遠(yuǎn)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(duì)測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)的影響逐漸減小。當(dāng)間距比S/B增大到3.0時(shí)，受擾建筑各測(cè)點(diǎn)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(fēng)面測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)在雙塔情況下為0.85，與單塔時(shí)的0.9相差較小。不同的排布方式對(duì)測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)的影響也有所不同。斜列布置和交錯(cuò)布置時(shí)，受擾建筑側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的測(cè)點(diǎn)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(fēng)面測(cè)點(diǎn)層，由于氣流的復(fù)雜繞流和分離作用，測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)在-0.8到0.6之間波動(dòng)，與單塔時(shí)的-0.5到0.2相比，波動(dòng)范圍明顯增大。通過(guò)對(duì)不同工況下測(cè)點(diǎn)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(fēng)面測(cè)點(diǎn)層體型系數(shù)總體上呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，且隨著間距比的減小，減小幅度增大；側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)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(huì)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(duì)測(cè)點(diǎn)層功率譜的影響4.3.1橫風(fēng)向功率譜變化干擾效應(yīng)會(huì)使受擾建筑橫風(fēng)向功率譜發(fā)生顯著變化，這種變化與渦激振動(dòng)密切相關(guān)。在單塔情況下，橫風(fēng)向功率譜在某些頻率處會(huì)出現(xiàn)峰值，這些峰值對(duì)應(yīng)著氣流的漩渦脫落頻率。當(dāng)存在施擾建筑時(shí)，雙塔之間的氣流相互作用會(huì)改變漩渦脫落的規(guī)律，從而導(dǎo)致橫風(fēng)向功率譜的變化。以間距比S/B=1.5，串列布置為例，對(duì)比單塔和雙塔情況下受擾建筑高度為100m處測(cè)點(diǎn)層的橫風(fēng)向功率譜，如圖11所示。從圖中可以看出，單塔時(shí)橫風(fēng)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(fēng)向力的脈動(dòng)增強(qiáng)。在雙塔情況下，由于施擾建筑尾流的影響，受擾建筑橫風(fēng)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?yàn)槭_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(dòng)更加劇烈，從而導(dǎo)致橫風(fēng)向力的脈動(dòng)增大。進(jìn)一步分析不同間距比下橫風(fēng)向功率譜的變化，發(fā)現(xiàn)隨著間距比的減小，橫風(fēng)向功率譜的峰值頻率向低頻方向移動(dòng)，且峰值功率譜密度增大。當(dāng)間距比S/B減小到1.0時(shí)，橫風(fēng)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(shí)更大。這是因?yàn)殚g距越小，施擾建筑尾流對(duì)受擾建筑的影響越強(qiáng)烈，漩渦脫落的頻率降低，能量更加集中，導(dǎo)致橫風(fēng)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(huì)對(duì)橫風(fēng)向功率譜產(chǎn)生影響。在并列布置下，受擾建筑橫風(fēng)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(shí)，受擾建筑橫風(fēng)向功率譜在多個(gè)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(shí)，雙塔之間的氣流相互作用更加復(fù)雜，形成了多個(gè)漩渦脫落區(qū)域，導(dǎo)致橫風(fēng)向力的脈動(dòng)在多個(gè)頻率上增強(qiáng)。橫風(fēng)向功率譜的變化與渦激振動(dòng)密切相關(guān)。當(dāng)橫風(fēng)向功率譜的峰值頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時(shí)，容易引發(fā)渦激振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向振動(dòng)加劇。假設(shè)該圓角弧邊三角形高層建筑的橫風(fēng)向自振頻率為f_n，在雙塔干擾效應(yīng)下，若橫風(fēng)向功率譜的峰值頻率f_2接近f_n，則結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)，此時(shí)結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向位移和加速度響應(yīng)會(huì)顯著增大，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生威脅。在工程設(shè)計(jì)中，需要充分考慮干擾效應(yīng)對(duì)橫風(fēng)向功率譜的影響，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的自振頻率，避免渦激振動(dòng)的發(fā)生。4.3.2順風(fēng)向功率譜變化干擾效應(yīng)對(duì)受擾建筑順風(fēng)向功率譜也有明顯的作用，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生影響。在單塔情況下，順風(fēng)向功率譜主要反映了平均風(fēng)速和風(fēng)速脈動(dòng)的影響。當(dāng)存在施擾建筑時(shí)，雙塔之間的氣流相互作用會(huì)改變來(lái)流風(fēng)的特性，從而導(dǎo)致順風(fēng)向功率譜的變化。以間距比S/B=2.0，串列布置為例，對(duì)比單塔和雙塔情況下受擾建筑高度為120m處測(cè)點(diǎn)層的順風(fēng)向功率譜，如圖12所示。從圖中可以看出，單塔時(shí)順風(fēng)向功率譜在低頻段有較大的能量分布，主要是由于平均風(fēng)速的作用。在雙塔情況下，受擾建筑順風(fēng)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?yàn)槭_建筑的遮擋效應(yīng)和尾流效應(yīng)改變了來(lái)流風(fēng)的速度分布和湍流特性，使得平均風(fēng)速對(duì)受擾建筑的作用減弱，而風(fēng)速脈動(dòng)的影響增強(qiáng)。隨著間距比的變化，順風(fēng)向功率譜也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)間距比S/B增大時(shí)，施擾建筑對(duì)受擾建筑的影響逐漸減弱，順風(fēng)向功率譜逐漸趨近于單塔情況。當(dāng)間距比S/B增大到3.0時(shí)，受擾建筑順風(fēng)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(shí)的順風(fēng)向功率譜更為接近。不同的排布方式同樣會(huì)影響順風(fēng)向功率譜。在并列布置下，受擾建筑順風(fēng)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(shí)，受擾建筑順風(fēng)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(dòng)增強(qiáng)，從而在相應(yīng)頻率上反映在順風(fēng)向功率譜中。順風(fēng)向功率譜的變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)有著重要影響。順風(fēng)向功率譜中能量分布的改變會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)順風(fēng)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(fēng)向的高頻振動(dòng)響應(yīng)會(huì)增大，可能會(huì)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(jì)中，由于考慮到干擾效應(yīng)對(duì)順風(fēng)向功率譜的影響，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加結(jié)構(gòu)的阻尼，有效地減小了結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的高頻振動(dòng)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(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響4.4.1基底合力(矩)變化對(duì)比單塔和雙塔情況下的基底合力和彎矩，能清晰地評(píng)估干擾效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)底部受力的影響。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，測(cè)量并計(jì)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(shí)基底順風(fēng)向合力為F_{x0}，橫風(fēng)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(fēng)向合力變?yōu)镕_{x1}，橫風(fēng)向合力變?yōu)镕_{y1}，基底彎矩變?yōu)镸_{x1}和M_{y1}。對(duì)比結(jié)果表明，干擾效應(yīng)會(huì)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(fēng)向合力F_{x1}相較于單塔時(shí)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(lái)流風(fēng)對(duì)受擾建筑迎風(fēng)面的沖擊，從而降低了順風(fēng)向的作用力。在某些風(fēng)向角下，受擾建筑的基底橫風(fēng)向合力F_{y1}會(huì)增大，當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，F(xiàn)_{y1}相較于單塔時(shí)的F_{y0}增大了約30%。這是因?yàn)殡p塔之間的氣流相互作用，導(dǎo)致橫風(fēng)向的漩渦脫落和氣流分離現(xiàn)象加劇，從而增大了橫風(fēng)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(huì)增大，在間距比S/B=1.5，串列布置且風(fēng)向角為30°時(shí)，M_{x1}相較于單塔時(shí)的M_{x0}增大了約25%。這是由于施擾建筑的存在改變了風(fēng)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(huì)發(fā)生變化，其變化規(guī)律與風(fēng)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(duì)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(qiáng)，基底合力和彎矩的變化幅度增大。當(dāng)間距比S/B減小到1.0時(shí)，受擾建筑的基底順風(fēng)向合力相較于單塔時(shí)減小幅度可能達(dá)到30%以上，橫風(fēng)向合力和彎矩的變化幅度也會(huì)相應(yīng)增大。不同的排布方式下，干擾效應(yīng)的作用機(jī)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(shí)，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(duì)頂層峰值加速度有著顯著影響，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)舒適度和安全性產(chǎn)生作用。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)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(shí)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(huì)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(shí)的a_{0}增大了約40%。這是因?yàn)槭_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(dòng)加劇，頂層峰值加速度增大。不同的雙塔間距和排布方式對(duì)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(dāng)間距比S/B減小到1.0時(shí)，受擾建筑結(jié)構(gòu)頂層的峰值加速度相較于單塔時(shí)可能增大60%以上。不同的排布方式也會(huì)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(shí)，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(duì)較小，但在某些風(fēng)向角下，也會(huì)出現(xiàn)較大的峰值加速度。當(dāng)風(fēng)向角為60°時(shí)，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(shí)增大了約30%。結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的增大對(duì)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(lái)看，過(guò)大的頂層峰值加速度會(huì)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度超過(guò)一定閾值時(shí)，會(huì)引起居住者的頭暈、惡心等不適癥狀。假設(shè)人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)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(lái)減小振動(dòng)，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(lái)看，結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度過(guò)大可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損害，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性。過(guò)大的加速度會(huì)使結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受更大的應(yīng)力和變形，長(zhǎng)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(jì)中，需要充分考慮干擾效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)頂層峰值加速度的影響，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)體系，確保結(jié)構(gòu)在風(fēng)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(fēng)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(duì)風(fēng)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(duì)風(fēng)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(dāng)圓角半徑較小時(shí)，氣流在繞過(guò)建筑角部時(shí)，由于角部的尖銳特性，氣流分離現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在角部后方形成較大的漩渦區(qū)域，導(dǎo)致局部風(fēng)壓增大。在圓角半徑為0.1B（B為建筑邊長(zhǎng)）時(shí)，建筑角部附近的峰值風(fēng)壓系數(shù)可達(dá)1.5左右，這是因?yàn)檩^小的圓角半徑使得氣流在角部急劇改變方向，動(dòng)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(guò)程中更加順暢，角部的氣流分離現(xiàn)象得到有效抑制。當(dāng)圓角半徑增大到0.3B時(shí)，建筑角部附近的峰值風(fēng)壓系數(shù)降低至1.2左右。這是因?yàn)檩^大的圓角半徑為氣流提供了更平滑的過(guò)渡路徑，減少了氣流的能量損失和漩渦的產(chǎn)生，使得風(fēng)壓分布更加均勻。在建筑的迎風(fēng)面，較大的圓角半徑還會(huì)使氣流的沖擊區(qū)域相對(duì)擴(kuò)大，減小了迎風(fēng)面中心區(qū)域的風(fēng)壓峰值。在圓角半徑為0.3B時(shí)，迎風(fēng)面中心區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)相較于圓角半徑為0.1B時(shí)降低了約10%。圓角半徑的變化還會(huì)對(duì)建筑的橫風(fēng)向風(fēng)荷載產(chǎn)生影響。較小的圓角半徑會(huì)導(dǎo)致橫風(fēng)向的漩渦脫落更加劇烈，橫風(fēng)向風(fēng)荷載增大。這是因?yàn)榻遣康臍饬鞣蛛x產(chǎn)生的漩渦會(huì)周期性地脫落，對(duì)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(qiáng)度和頻率，從而減小橫風(fēng)向風(fēng)荷載。在圓角半徑為0.1B時(shí)，橫風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)荷載系數(shù)的均方根值為0.3左右，當(dāng)圓角半徑增大到0.3B時(shí)，該值降低至0.2左右。5.1.2弧邊長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)荷載的影響弧邊長(zhǎng)度同樣是影響圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)荷載特性的重要因素。當(dāng)弧邊長(zhǎng)度增加時(shí)，建筑表面的氣流流動(dòng)路徑發(fā)生變化，進(jìn)而影響風(fēng)荷載的分布和大小。較長(zhǎng)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(shí)間延長(zhǎng)。在弧邊長(zhǎng)度為0.4B時(shí)，建筑迎風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)相較于弧邊長(zhǎng)度為0.2B時(shí)降低了約8%。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的弧邊能夠分散氣流的能量，使得風(fēng)壓分布更加均勻，減小了迎風(fēng)面的平均風(fēng)壓?；∵呴L(zhǎng)度的變化還會(huì)對(duì)建筑的側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓分布產(chǎn)生影響。在側(cè)風(fēng)面，較長(zhǎng)的弧邊會(huì)改變氣流的分離和再附位置，導(dǎo)致側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓分布發(fā)生改變。在弧邊長(zhǎng)度為0.4B時(shí)，側(cè)風(fēng)面靠近迎風(fēng)面一側(cè)的負(fù)壓區(qū)域范圍減小，負(fù)壓峰值也有所降低。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的弧邊使得氣流在側(cè)風(fēng)面的繞流更加順暢，減少了氣流的分離強(qiáng)度，從而減小了負(fù)壓區(qū)域的范圍和峰值。在背風(fēng)面，較長(zhǎng)的弧邊會(huì)影響尾流區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。較長(zhǎng)的弧邊使得尾流區(qū)的漩渦尺度和強(qiáng)度發(fā)生變化，從而改變背風(fēng)面的風(fēng)壓分布。在弧邊長(zhǎng)度為0.4B時(shí)，背風(fēng)面的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值相較于弧邊長(zhǎng)度為0.2B時(shí)減小了約10%。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)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(fù)壓強(qiáng)度?；∵呴L(zhǎng)度的變化還會(huì)對(duì)建筑的風(fēng)振響應(yīng)產(chǎn)生影響。較長(zhǎng)的弧邊能夠增加建筑的抗扭剛度，從而減小建筑在風(fēng)荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理調(diào)整弧邊長(zhǎng)度，可以有效改善建筑的風(fēng)荷載特性，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)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(duì)圓角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)荷載有著不可忽視的作用。當(dāng)周邊存在其他高層建筑時(shí)，氣流在建筑群之間的流動(dòng)變得極為復(fù)雜，相互干擾作用顯著增強(qiáng)。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(lái)流風(fēng)在遇到這些建筑時(shí)，會(huì)發(fā)生方向和速度的改變，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)建筑的風(fēng)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(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來(lái)流風(fēng)從特定方向吹來(lái)時(shí)，周邊矩形建筑會(huì)對(duì)來(lái)流風(fēng)形成遮擋，使得流向圓角弧邊三角形高層建筑的風(fēng)速減小，導(dǎo)致該建筑迎風(fēng)面的風(fēng)壓降低。在風(fēng)向角為30°時(shí)，由于周邊建筑的遮擋，圓角弧邊三角形高層建筑迎風(fēng)面的平均風(fēng)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(biāo)建筑的相對(duì)位置和間距也會(huì)對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生不同程度的影響。當(dāng)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生狹道效應(yīng)。如兩座建筑間距比為1.2時(shí)，狹道區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速顯著增大，導(dǎo)致該區(qū)域的風(fēng)壓降低，產(chǎn)生較強(qiáng)的吸力。這不僅會(huì)影響圓角弧邊三角形高層建筑的側(cè)風(fēng)面風(fēng)壓分布，還可能對(duì)建筑的幕墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。在狹道區(qū)域?qū)?yīng)的側(cè)風(fēng)面部分，風(fēng)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(fù)壓明顯增大。當(dāng)周邊建筑位于圓角弧邊三角形高層建筑的上風(fēng)方向時(shí)，會(huì)改變來(lái)流風(fēng)的流場(chǎng)特性，使目標(biāo)建筑處于復(fù)雜的氣流干擾中。在串列布置下，上風(fēng)方向的建筑會(huì)形成尾流，尾流中的漩渦和紊流會(huì)對(duì)圓角弧邊三角形高層建筑產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其表面風(fēng)壓分布不均勻，風(fēng)荷載的脈動(dòng)增大。若上風(fēng)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(zhǎng)時(shí)，圓角弧邊三角形高層建筑迎風(fēng)面的脈動(dòng)風(fēng)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(duì)圓角弧邊三角形高層建筑風(fēng)荷載的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)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(fēng)的流動(dòng)特性會(huì)發(fā)生顯著變化，從而影響建筑所承受的風(fēng)荷載。在山區(qū)，由于地形起伏較大，山脈等地形障礙物會(huì)改變風(fēng)的流向和速度。當(dāng)風(fēng)遇到山脈時(shí)，會(huì)被迫爬升或繞流，導(dǎo)致風(fēng)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(dāng)風(fēng)從山谷口吹向建筑時(shí)，由于山谷的狹管效應(yīng)，風(fēng)速明顯增大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(fēng)速增大了約20%，相應(yīng)地，風(fēng)荷載也顯著增大。在山區(qū)，風(fēng)的湍流度較高，會(huì)增加風(fēng)荷載的脈動(dòng)成分，對(duì)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(fēng)壓分布更加不均勻，局部風(fēng)壓峰值增大，在建筑的角部和邊緣等部位，風(fēng)壓系數(shù)的波動(dòng)范圍明顯增大。在海邊，由于海面的粗糙度較小，風(fēng)在海面上的流動(dòng)較為順暢，風(fēng)速隨高度的變化相對(duì)