1、首屆中國空氣動力學(xué)大會2018.08.綿陽密集建筑群對高層建筑整體氣動力的影響陳嘉路 1，全涌 1，顧明 1（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）摘要：對于高樓林立的城市中心，建筑間的氣動干擾效應(yīng)非常復(fù)雜，就城市中某一超高層建筑而言，周邊不同高度的高層建筑均會對目標(biāo)建筑的風(fēng)荷載產(chǎn)生不可忽略的影響，但在實(shí)際工程中建設(shè)一座高大的建筑時(shí),往往僅重視鄰近的低矮建筑對它的影響，而忽視它對相對低矮的鄰近建筑的影響。本文基于一實(shí)際超高層建筑的剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了擬建的鄰近更高大超高層建筑（簡稱“擬建大高樓”）和其他相對低矮的周邊建筑群（簡稱“低矮建筑群”）對目標(biāo)建筑整體氣動力

2、的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，擬建大高樓處在上游時(shí)，其遮擋效應(yīng)會減小目標(biāo)建筑的順風(fēng)向平均氣動力，但其尾流旋渦脫落現(xiàn)象會顯著增大目標(biāo)建筑的順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動氣動力，最終可導(dǎo)致目標(biāo)建筑順風(fēng)向及橫風(fēng)向的峰值氣動力均增大；上游密集的低矮建筑群對下游目標(biāo)建筑主要起遮擋來流的作用，大量低矮建筑群的出現(xiàn)雖能削弱擬建大高樓對目標(biāo)建筑的干擾效應(yīng)，但大高樓的影響仍然不可忽略。故在建設(shè)一座高大建筑時(shí)，它對臨近低矮建筑的影響應(yīng)該得到重視。關(guān)鍵詞：超高層建筑，旋渦脫落，低矮建筑群，整體氣動力，干擾效應(yīng)1引言隨著城市化的不斷推進(jìn)，建筑向著更高更柔更密集的方向發(fā)展，風(fēng)荷載逐漸變成高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要荷載之一，甚至?xí)蔀?/p>

3、控制性荷載。在大城市中，高層建筑之間的距離一般不會很大，氣動干擾效應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜。早在 20 世紀(jì) 8、90 年代，Sakamotoet al（1988）、Taniikeet al（1992）和 Khanduriet al（1998）等最早對高層建筑間的氣動干擾效應(yīng)開展研究。在此后三十多年里，越來越多的學(xué)者投身到建筑間氣動干擾領(lǐng)域的研究中，并作出了一系列研究貢獻(xiàn)。Xie et al（2004）以及 Gu et al（2005）通過一系列詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)， 研究了兩棟以及三棟不同的高層建筑物之間的風(fēng)致干擾效應(yīng)，并分別定性討論了遮擋效應(yīng)和狹縫效應(yīng)的影響。Xie et al（2007）對三幢高層建筑的平均

4、干擾效應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出了描述動態(tài)干擾效應(yīng)的包絡(luò)干擾因子(EIF)。Quanet al（2012）對兩座復(fù)雜體型超高層建筑的綜合體型系數(shù)、脈動響應(yīng)系數(shù)、峰值響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行了研究，并討論了兩建筑間的氣動干擾機(jī)理。Kim et al（2015）研究了兩幢建筑物之間的風(fēng)致干擾對整體風(fēng)荷載的影響。還有很多學(xué)者對不同形狀及布置形式的兩棟高層建筑之間的各類氣動干擾做過研究。雖然人們對建筑間氣動干擾效應(yīng)的研究已經(jīng)有很多，但現(xiàn)有研究成果一般僅考慮相對簡單的情況，如施擾建筑和受擾建筑均為規(guī)則的方形截面，周邊建筑排布規(guī)律整齊（如直線排列、斜向排列、L 形排列等），施擾建筑的橫截面大小與受擾建筑相當(dāng)。而大城市隨

5、集城區(qū)對目標(biāo)建筑的影響，尚未得到深入的研究。在設(shè)計(jì)一座高大建筑的過程中，周邊建筑對擬建建筑的影響往往能夠得到人們的足夠重視，但擬建高大建筑對鄰近相對低矮的建筑的影響可能更加嚴(yán)重。基金項(xiàng)目：項(xiàng)目名稱（基金編號）首屆中國空氣動力學(xué)大會2018.08.綿陽本文基于一棟高 150 米左右的實(shí)際超高層建筑的剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了其鄰近更加高大的擬建大型超高層建筑和其它相對低矮的建筑群對其整體氣動力的影響。2目標(biāo)建筑及周邊建筑概況本研究的目標(biāo)建筑為一棟高 150 米的實(shí)際超高層建筑，如圖 1 所示，模型外表面共布置了 200 多個(gè)測點(diǎn)，分 10 層布置。圖 2 中給出了一個(gè)代表性測點(diǎn)層（三分之二高度

6、處）的測點(diǎn)信息，其寬度和厚度分別為 38 米和 23 米左右，橫截面形狀沿高度無變化。第1層第2層第3層0D第4層第5層N18181818150150150第6層63751820758563156612第7層18181275181881245024Y第8層420801512 1812X4515012第9708060 6051 506042541554 54第10層155450 7242151536363635 35275421333324333330304818圖 1 測點(diǎn)層位置示意圖3327121212248100 5850 10300 5850 81003651

7、51 515148 36 5438200圖 2 建筑橫截面測點(diǎn)布置圖圖 3 周邊建筑及風(fēng)向角信息圖周邊干擾建筑情況如圖 3 所示，有一座高度與目標(biāo)建筑相同，橫截面形狀與目標(biāo)建筑相似的姊妹建筑，稱為姊妹樓（2 號樓），它位于目標(biāo)建筑東面（東偏北 23 度方向），兩樓平行布置，間隔 23m。擬建大高樓（3 號樓）為高度達(dá)到 400m 的大型超高層建筑，位于目標(biāo)建筑北面（北偏西 12 度方向）約 170m，橫截面基本形狀為邊長 57m 的正方形，面四角都有切角處理，且沿高度存在較為復(fù)雜的變化。其他周邊建筑都比目標(biāo)建筑低矮，分布情況總體表現(xiàn)為東半側(cè)稀疏西半側(cè)密集。且相對偏高的周邊建筑多集中在目標(biāo)建筑的

8、北側(cè)及西側(cè)， 高度多數(shù)集中在 20 米到 50 米之間，個(gè)別建筑高度也達(dá)到了 100 米，在北偏西 20 度方向附近較遠(yuǎn)的地方，還有 3 棟樓與目標(biāo)建筑等高。風(fēng)洞試驗(yàn)以正北方向定義為 0 度風(fēng)向角，且以每 10 度取一個(gè)試驗(yàn)工況，共計(jì) 36 個(gè)試驗(yàn)風(fēng)向工況，目標(biāo)建筑體軸 y 方向與地理北方向呈 23 度夾角。3試驗(yàn)概況本研究在同濟(jì)大學(xué) TJ-2 大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。該風(fēng)洞試驗(yàn)段高 2.5 米，90D185503450 1000270D首屆中國空氣動力學(xué)大會2018.08.綿陽寬 3.0 米。風(fēng)洞試驗(yàn)在模擬 D 類風(fēng)場中進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比設(shè)置為 1/500，目標(biāo)建筑和周邊建筑

9、模型對風(fēng)洞橫截面的阻塞比在 5%左右。模型頂部高度處的試驗(yàn)風(fēng)速為11.20m/s。相對于目標(biāo)建筑建設(shè)場地的 50 年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓 0.75Kpa，該試驗(yàn)的風(fēng)速和時(shí)間縮尺比分別為 1:3.6 和 1:140。為了更好地研究周邊對目標(biāo)建筑的影響，試驗(yàn)設(shè)置了 3 個(gè)工況，如表 1 所示。同時(shí)，為了方便理解，錯(cuò)誤!未找到引用源。給出了各工況的平面示意圖。表 1 工況說明NNNYYYXXX23o23o 23o case 1case 2圖 4 各工況平面示意圖case 34數(shù)據(jù)處理以剛性模型的測壓風(fēng)洞試驗(yàn)得出的原始風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行空間積分后可得到每個(gè)風(fēng)向角下基底氣動力六個(gè)分量（Qx、Qy、Qz、Mx、My

10、和 Tz）的時(shí)程信息。本文選擇具有代表性的x 軸方向和 y 軸方向的側(cè)彎模態(tài)廣義氣動力系數(shù) CFx 和 CFy（與繞建筑 y 軸和 x 軸的基底彎矩系數(shù)相當(dāng)）分析建筑整體結(jié)構(gòu)的受力狀況。q,t) = M (C (廣義氣動系數(shù)定義為q ,t) / (0.5r22，其中，H、Ba 和 UH 分別為建筑的高度、迎U B H )FH a風(fēng)寬度和建筑高度處的來流平均風(fēng)速。x 軸向和y 軸向的廣義氣動力系數(shù)的均值和均方根值分別用 CFx_ mea 、 CFx _ rms 、 CFy _ mean 和 CFy _ rms 表示。氣動力系數(shù)功率譜無量綱化為S* (q , f )= fS (q , f ) /

11、(0 .r2，其中SM (q, f ) 為風(fēng)向角為q 下的基底彎矩功率譜。5U BH22FMH5試驗(yàn)結(jié)果基于各工況的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，即可得到目標(biāo)建筑氣動力系數(shù)，從而獲得周邊建筑對目標(biāo)建筑氣動力的影響信息。5.1 擬建大高樓的影響圖 5 和圖 6 分別給出目標(biāo)建筑在Case1 和 Case2 下沿x 軸和y 軸的峰值氣動力隨風(fēng)向角變化的情況。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在 350 度附近風(fēng)向角，目標(biāo)建筑受擬建大高樓的影響最為突出。相比于“既沒有大高樓也沒有其他周邊低矮建筑群”的 Case1 工況，Case2 中新增的大高樓使得目標(biāo)建筑 x 軸向和 y 軸向的峰值氣動力都顯著增大，且 x 軸向峰

12、值氣動力增大的幅度更加顯著。工況編號目標(biāo)建筑的周邊建筑情況大高樓低矮建筑群工況描述Case 1無無無擬建大高樓、無低矮建筑群Case 2有無有擬建大高樓、無低矮建筑群Case 3有有有擬建大高樓、有低矮建筑群首屆中國空氣動力學(xué)大會2018.08.綿陽2.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.02.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0 case1,C case1,C Fx,Maxcase2,CFx,Max case1,CFx,Mean case2,CFx,Mean Fy,Maxcase2,CFy,Max case1,CFy,Mean case2,CFy,M

13、ean case1,CFx,Min case2,CFx,Min300360 case1,CFy,Min case2,CFy,Min120180240300360風(fēng)向角()060120180240風(fēng)向角()060圖5 Case1和Case2的x軸向峰值氣動力系數(shù)對比圖圖6Case1和Case2的y軸向峰值氣動力系數(shù)對比圖為了解釋這種現(xiàn)象，圖 7 和圖 8 分別給出了目標(biāo)建筑在 Case1 和 Case2 下其CFx _ rms 和CFy _ rms 隨風(fēng)向角變化的曲線圖?？梢杂^察到在 350 度風(fēng)向角，目標(biāo)建筑的CFy _ rms 受擬建大高樓影響增大了約 41%，而其CFx _ rms 的增幅

14、甚至達(dá)到了 105%，增幅是CFy _ rms 的 2 倍多。這也是導(dǎo)致目標(biāo)建筑 x 軸向和 y 軸向峰值氣動力計(jì)算結(jié)果增大的主要原因。究其根本，350 度風(fēng)向角附近目標(biāo)建筑脈動氣動力的增大其實(shí)是與上游擬建大高樓的尾流旋渦脫落有關(guān)。因?yàn)樵?350 度風(fēng)向角附近，大高樓如建成則正好處于目標(biāo)建筑上游，來流經(jīng)過后會發(fā)生旋渦脫落現(xiàn)象，尾流中相互交替的旋渦會極大地激勵(lì)下游建筑的橫風(fēng)向氣動力， 使其橫風(fēng)向氣動力脈動值顯著增大。順風(fēng)向氣動力的脈動值也會受到上游大高樓的干擾，但不會有橫風(fēng)向顯著，這與圖 7 和圖 8 中的分析結(jié)果也是相一致的。0.200.20case1 case2case1 case2CC0.

15、15Fx_rms0.15Fy_rms0.100.100.050.0500.00901802703600.00 090180270360Wind direction()Wind direction()圖 7Case1 和 Case2 中CFx _ rms 隨風(fēng)向角變化圖圖 8Case1 和 Case2 中CFy _ rms 隨風(fēng)向角變化圖圖 9 給出目標(biāo)建筑在 350 度風(fēng)向角下 x 軸向和y 軸向的氣動力系數(shù)功率譜，其中 Case2為有擬建大高樓干擾的工況。觀察發(fā)現(xiàn)，Case2率譜的能量在絕大多數(shù)頻率段都比 Case1中要大很多，甚至在某些頻率出現(xiàn)了 Case1 里沒有的譜峰，這與擬建大高樓尾

16、流旋渦脫落頻率有一定關(guān)系。相比于 Case1 中的情況，Case2 中不論是 x 軸向還是 y 軸向的氣動力系數(shù)均方根值（即氣動力系數(shù)功率譜曲線的面積積分值）顯然都要大很多。0.1S*Fx and S Fy for 350 S for case1FxSFx for case2 SFy for case10.01 SFy for case21E-31E-40.010.111E-5fB/Uh圖9 350度風(fēng)向角下Case1和Case2的氣動力系數(shù)功率譜CFx_rmsCFx22 2fS /(0.5pU BH )MhCFyCFy_rms首屆中國空氣動力學(xué)大會2018.08.綿陽此外，反觀圖 5圖 6，

17、可以發(fā)現(xiàn)在 350 度附近風(fēng)向角，由于大高樓的尾流旋渦脫落的影響，目標(biāo)建筑 x 軸向的平均氣動力絕對值也會明顯增大。但其 y 軸向的平均氣動力絕對值卻有所降低，這主要是大高樓對來流的遮擋效應(yīng)導(dǎo)致。綜上，擬建大高樓的影響總結(jié)為：當(dāng)大高樓處在目標(biāo)建筑上游時(shí)，其遮擋效應(yīng)會減小目標(biāo)建筑的順風(fēng)向平均氣動力。同時(shí)，由于尾流旋渦脫落的影響，它不但會增大目標(biāo)建筑順風(fēng)向脈動氣動力，同時(shí)也會使橫風(fēng)向的氣動力平均值和脈動值均顯著增大，最終可導(dǎo)致目標(biāo)建筑橫風(fēng)向以及順風(fēng)向的峰值氣動力都增大。5.2 周邊相對低矮建筑群的影響圖 10 和圖 11 分別為目標(biāo)建筑在Case1Case3 下x 軸及y 軸向的峰值氣動力隨風(fēng)向角

18、變化情況，其中 Case3 相比 Case2 新增了周邊的低矮建筑群。通過比較 Case3 與 Case2 的平均氣動力差異，可以看出 Case3 中目標(biāo)建筑CFx _ mean 的絕對值，在風(fēng)向角處于 210300 度之間時(shí)顯著降低。同時(shí)，觀察到在 300340 度風(fēng)向角，Case3 中目標(biāo)建筑CFy _ mean 的絕對值相比 Case2 也降低很多。這主要是由于在 210340 度方向有密集的低矮建筑群，它們雖然相對于擬建大高樓較低矮，但也不乏與目標(biāo)建筑高度相當(dāng)?shù)慕ㄖ嬖?，它們對來流的遮擋作用不可忽視。比較圖 10 和圖 11 中 Case3 和 Case2 的峰值氣動力差異，還可以發(fā)現(xiàn)

19、，在擬建大高樓影響最為突出的 350 度風(fēng)向角附近，周邊其他低矮建筑群的存在會使目標(biāo)建筑 x 軸向及 y 軸向的峰值氣動力都有略微的降低。但與 Case1 相比，擬建大高樓的影響依然顯著。1.82.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0 case1,CFx,Max case1,C1.5 case2,CFx,Max Fy,Maxcase2,CFy,Max1.2 case3,C0.9Fx,Max case3,C case1,C0.6 Fy,Max0.3case1,CFx,Mean0.0 case2,C Fy,Mean case2,CFy,Meancase3,CFy,Mean-0

20、.3 Fx,Meancase3,C-0.6Fx,Mean-0.9 case1,C -1.2 Fx,Mincase1,C-1.5Fy,Mincase2,CFx,Min case2,C-1.8 case3,CFy,Min060120180240300360風(fēng)向角()-2.1Fx,Mincase3,CFy,Min060120180240300360風(fēng)向角()圖10 Case1Case3的x軸向峰值氣動力對比圖圖11 Case1Case3的y軸向峰值氣動力對比圖同樣的情況也出現(xiàn)在目標(biāo)建筑的脈動氣動力上。在圖 12 和圖 13 中，通過比較 350 度風(fēng)向角附近 Case3 和 Case2 的CFx _

21、 rms 的差異，可以發(fā)現(xiàn)在有其他低矮建筑群的影響時(shí)，目標(biāo)建筑的CFx _ rms 有略微降低，但仍然很高?？梢姡M管周邊其他低矮建筑群的存在的確可略微削弱擬建大高樓對目標(biāo)建筑的脈動氣動力的干擾作用，但擬建大高樓對目標(biāo)建筑的影響任然十分顯著。0.200.20case1 case2 case3case1 case2 case3CC0.15Fx_rms0.15Fy_rms0.100.100.050.0500.00901802703600.00 090180270360Wind direction()Wind direction()圖 12Case1Case3 中CFx _ rms 隨風(fēng)向角變化圖圖

22、 13Case1Case3 中CFy _ rms 隨風(fēng)向角變化圖CFx_rmsCFxCFyCFy_rms首屆中國空氣動力學(xué)大會2018.08.綿陽圖 14 給出各工況下目標(biāo)建筑在 350 度風(fēng)向角時(shí) x 軸向和 y 軸向的氣動力系數(shù)功率譜， 其中Case2 為有擬建大高樓干擾的工況。圖中可以清楚的看到，相比于Case2 中的情況，Case3中由于周邊低矮建筑群的出現(xiàn)，目標(biāo)建筑的氣動力系數(shù)均方根值不論是 x 軸向還是y 軸向都有所削弱，但還是顯然要比沒擬建大高樓的 Case1 要大很多。0.1S*and S*for 350 SFx for case1FxFyS for case2FxSFx fo

23、r case3 SFy for case1 SFy for case2 SFy for case30.011E-31E-40.010.111E-5fB/Uh圖14 350度風(fēng)向角下Case1Case3的氣動力系數(shù)功率譜綜上，低矮建筑群的影響總結(jié)為：來流沿途中密集的低矮建筑群，會顯著減小目標(biāo)建筑順風(fēng)向平均氣動力；同時(shí)，盡管低矮建筑群的存在會削弱擬建大高樓對目標(biāo)建筑的干擾，但大高樓對目標(biāo)建筑的影響還是很顯著。6結(jié)論本文主要通過觀察不同工況下目標(biāo)建筑 x 軸向及 y 軸向的峰值氣動力變化情況，并結(jié)合氣動力脈動值以及氣動力功率譜曲線，分析得出如下結(jié)論：（1）當(dāng)大高樓處在目標(biāo)建筑上游時(shí)，其遮擋效應(yīng)會減小

24、目標(biāo)建筑的順風(fēng)向平均氣動力。同時(shí)，由于尾流旋渦脫落的影響，它不但會增大目標(biāo)建筑順風(fēng)向脈動氣動力，同時(shí)也會使橫風(fēng)向的氣動力平均值和脈動值均顯著增大，最終可導(dǎo)致目標(biāo)建筑橫風(fēng)向以及順風(fēng)向的峰值氣動力都增大；（2）其他低矮建筑群主要起遮擋來流的作用，在周邊建筑密集的風(fēng)向角下，目標(biāo)建筑順風(fēng)向的氣動力系數(shù)會顯著降低。同時(shí)，相對低矮的周邊建筑群能削弱大高樓對目標(biāo)建筑的干擾效應(yīng)，但削弱后的大高樓干擾效應(yīng)仍然十分顯著。（3）在實(shí)際工程中建設(shè)一座高大的建筑時(shí)，它可能對周圍鄰近建筑會有不利影響,在關(guān)注鄰近的低矮建筑對它的影響的同時(shí)，它對相對低矮的鄰近建筑的影響也應(yīng)該得到重視。22 2fS /(0.5pU BH )M

25、h首屆中國空氣動力學(xué)大會2018.08.綿陽參考文獻(xiàn)1Sakamoto H, Haniu H. Aerodynamic forces acting on twosquare prisms placed vertically in a turbulentboundary layer. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 1988; 31:41-66.2Taniike Y. Interference mechanism for enhanced wind forces onneighbouring tall buildings.JournalofWind Engineering andIndustrial Aerodynamics 1992; 41:1073-83.3Khanduri AC, Stathopoulos T, Bedard C. W