超高层建筑周围风场特性实测研究

2021-08-06何浩博熊春宝

地震工程学报 2021年4期

郁雯,何浩博,熊春宝

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室,河北张家口 075000; 2.河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;3.中国铁路设计集团有限公司,天津 300142;4.天津大学建筑工程学院,天津 300072)

0 引言

随着经济的发展,城镇化进程不断加快,人口集中趋势不断加大。为了提高土地面积利用率,超高层建筑逐渐兴起[1-2]。相比于低层建筑,超高层建筑通常具有低阻尼的高柔特性,对于风荷载的作用十分敏感[3-4],因此关于超高层建筑周围风场特性的研究对于结构安全性评估具有重要意义。

国内外学者对此均进行了大量的探索:Kaimal等[5]基于一高32 m的高塔,通过在2～32 m范围内划分梯度等级,进行关于风荷载湍流尺度与建筑高度关系的探究,结果表明风荷载湍流尺度随着建筑高度的增加而减小;Shiau等[6]采用超声风速仪对脉动风速进行探究分析,结果表明在低空范围内脉动风速符合高斯分布。徐扬等[7]、季俊[8]分别采用有限容积法及风洞模拟技术对不同类型建筑物周围的风场特性进行了模拟分析,结果表明风洞试验与数值模拟技术的结合可以更精确地反映高层建筑实际风致响应特性;戎操等[9]同样基于风洞试验与有限元结合的分析方法对不同湍流强度下的大型风机叶片进行动态监测,结果表明湍流强度越大,平均风压越小,位移极差越大;王建烁等[10]以黄骅港VTS塔为研究对象,采用CFD方法对其进行风载模拟,探究建筑顶点凸起承载结构周围风场分布规律,结果表明建筑凸起结构对周围风场及风压分布影响较大;武占科等[11]以上海环球金融中心为研究对象,探究了中强度脉动风荷载作用机理,结果表明平均风速越大,湍流度越小;许伟[12]以CAARC标模为研究对象,通过HFPI计算方法研究了施扰建筑对顺风及横风向基底弯矩谱的影响,结果表明施扰建筑高度越高,对横风向基底弯矩谱削弱程度越大;姚永革等[13]通过对超高层建筑布置竖向阻尼器,探究风载作用下建筑顶点不同位置测点处的加速度及位移变形情况,以评价阻尼器的减风振效果,结果表明黏滞阻尼器的布置具有较好的降低风振效果。

综上所述,目前对于超高层建筑高空周围风场特性的研究相对较少,且多数停留于理论分析。基于此,本文以天津117大厦为研究对象,探究风载作用下该大厦高空周围的平均风速、脉动风速、湍流强度、湍流积分尺度、Von Karman谱等相关风场特性。

1 试验概况

天津117大厦建筑属于典型的框架-核心筒复合结构,其地上建造117层,建筑高度达596.5 m,其主体结构首层建筑面积为4 200 m2,并以0.88°渐变角度向上逐层递减,直至顶层减为2 100 m2。本试验综合现场环境影响,将试验测点布在核心筒西北角处进行分析。

如图1所示,试验采用DZZ2型采集系统,风速及风向传感器分别采用EL15-1型(测量范围:0.3～0.6 m/s;测量误差:±0.3 m/s)和EL15-2型(测量范围:0°～360°;最大允许误差:±3°),试验采集频率设为1 Hz。将卫星接收机分别设置在地面基准站与监测点位置处的移动站,使其协同工作,同时实时监测测点处动态信息,以分析该超高层建筑周围风场特性。

图1 试验相关设备图Fig.1 Test related equipment

2 试验结果

为探究该超高层建筑高空周围的风场特性,本文以2 000 min为采样节点,对标高596.5 m处高空周围的平均风速、脉动风速、湍流强度、湍流积分尺度、Von Karman谱等相关风场特性进行分析。

2.1 平均风速

为确定该超高层建筑周围平均风速,本试验通过现场实测采集实际风速序列Uz(t)及风速方向与正北方向夹角α(t)(记顺时针方向为正方向),并由式(1)～(4)计算求得平均风速Uz和平均风向角φz。由文献[14—15]可知,试验中规定时距为10 min。

(1)

(3)

(4)

由实测数据计算出平均风速及平均风向角随时间变化规律,并将其绘于图2。

图2 平均风速及平均风向角随时间变化规律Fig.2 Variation of average wind speed and average wind direction angle with time

由图2可得,2 000 min时间节点范围内,平均风速值随时间变化呈先增大后减小的变化规律,且有两个明显的峰值点,瞬时风速最大为17.5 m/s,平均风速最大为12.1 m/s;平均风向角随时间变化规律曲线类似于正弦波变化曲线,最大瞬时风向角为67°,最大平均风向角为63°。

2.2 脉动风速

瞬时风速对平均风速的偏差形成脉动风速,由式(5)、(6)确定顺风向脉动风速u(t)及横风向脉动风速v(t)。顺风向及横风向脉动风速随时间变化规律试验结果如图3所示。

图3 顺风向及横风向脉动风速随时间变化规律Fig.3 Variation of the longitudinal and lateral fluctuating wind speed with time

u(t)=ux(t)cosφz+uy(t)sinφz-Uz

(5)

v(t)=-ux(t)sinφz+uy(t)cosφz

(6)

高斯分布是具有两个参数μ(均值)和σ2(方差)的连续型随机变量的分布。服从高斯分布的概率规律为临近均值μ的值对应概率大,离均值μ越远的值对应概率越小。概率密度函数表示随机变量的输出值在某个确定取值点附近的可能性函数,高斯分布是通过概率密度函数来定义的。将脉动风假设为高斯分布可以更方便地研究其对超高层建筑结构的作用特性,因此对117大厦实测脉动概率分布进行理论分析,试验结果如图4所示。

图4 顺风向及横风向概率密度分布Fig.4 Longitudinal and lateral probability density distribution

当峰度系数为3、偏度系数为0时即满足标准高斯分布。由图3(a)可知,顺风向脉动风速峰度系数>3,且存在负方向峰值;由图4(a)可知,峰度系数为5.71,偏度系数为-0.31<0。由此可知,顺风向概率密度分布向左偏移,即出现左拖尾现象,且在均值附近大于标准正太分布。由图3(b)可知,横风向脉动风速峰度系数>3,且存在正方向峰值;由图4(b)可知,峰度系数为7.73,偏度系数为0.07>0。由此可知,横风向概率密度分布向右偏移,即出现右拖尾现象,且在均值附近大于标准正太分布。

综上所述,顺风向及横风向脉动风速均不服从标准高斯分布,且由7.73>5.71可知,相比顺风向,横风向脉动风速更集中。这是由于117大厦周围环境复杂,高空湍流容易受到影响,从而使得大气中存在较长漩涡脱落尾迹,使脉动风速概率分布偏移,违背高斯分布。

2.3 湍流强度

湍流强度是反映脉动风速强弱的物理量,其表达式为:

(7)

式中:σu(z)为z高度处脉动风速的标准差;Uz为z高度处平均风速。

由实测数据结合式(7)计算得出顺风向及横风向湍流强度随时间变化规律(图5)。

由图5分析可知,顺风向及横风向湍流强度与平均风速呈负相关。当平均风速大于10 m/s时,湍流强度随时间变化曲线基本保持水平;当平均风速在小于10 m/s范围内变化时,湍流强度变化较为显著。由此可知,湍流强度变化程度与平均风速范围有关,当平均风速较大时湍流强度几乎不发生变化。

图5 顺风向及横风向湍流强度随时间变化规律Fig.5 Variation of longitudinal and lateral turbulence intensity with time

2.4 湍流积分尺度

湍流是由大小不一的漩涡组合而成,且不同组合具有不同程度的诱导流场能力及影响范围。湍流积分尺度即表征不同尺度漩涡的影响机理,其表达式为:

(8)

式中:ui、uj为空间i、j两点处的脉动风速;Ruiuj(x)为i、j两点相距x时的互相关函数:

(9)

由泰勒假设,式(9)可以化为具有相应时间差的同一点脉动速度的自相关,即:

(10)

式中:τ=x/U,U为主流流速。

将式(10)代入到式(9)中,并且结合式(8),则可以转化为:

(11)

根据实测数据,并结合式(11)进行计算,得出如图6所示的顺风向及横风向湍流积分尺度变化图。

由图6可知,顺风向及横风向湍流积分尺度随时间变化趋势相同,均呈先增大后减小的变化规律,其中顺风向湍流积分尺度随时间变化幅度较横风向更大。与图2(a)对比发现,顺风向及横风向湍流积分尺度随时间变化规律与平均风速有关,平均风速越大,其湍流积分尺度越大;平均风速越小,其湍流积分尺度越小,即湍流中旋涡对流场诱导能力越强,影响范围越大。