1、第 51 卷 第 4 期2023 年 4 月华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）Vol.51 No.4April 2023粗糙条对某超高层建筑风荷载影响的风洞试验研究杨易 王鑫 季长慧（华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640）摘要：超高层建筑外幕墙围护结构的骨架等粗糙条构件，会改变建筑表面绕流形态，从而对风效应产生影响，但目前我国建筑结构荷载规范中尚缺乏相关规定。文中以某典型超高层建筑项目为研究对象，对建筑
2、模型表面设置粗糙条与去除粗糙条两种工况进行刚性模型同步测压试验对比研究，通过分析建筑模型表面风压系数、基底倾覆弯矩和体型系数等风荷载特性的变化，以研究建筑表面粗糙条对超高层建筑结构风荷载的影响规律。研究表明：设置粗糙条对建筑表面极值正压影响不大，但会显著降低建筑表面极值负压绝对值、最大降幅约39.8%，将显著影响建筑角区及侧风面，使建筑侧风面的平均和脉动风压系数显著减小、最大减幅分别为24%和30%，整体上，设置粗糙条有利于建筑围护结构的抗风设计。设置粗糙条会影响结构整体风荷载，在0正吹风向角下，粗糙条会使建筑沿层高分段风荷载体型系数略微增大、最大增幅约为8%，使塔楼基底绕X轴的倾覆剪力和倾覆
3、弯矩略微增大、增幅分别为4.9%和6.0%；设置粗糙条对建筑顶部峰值加速度极值出现的风向角有影响，且可降低峰值加速度幅值，降幅约为7.91%。关键词：超高层建筑；粗糙条；风洞试验；风荷载；风压分布；建筑结构风荷载设计中图分类号：TU312.1文章编号：1000-565X（2023）04-0001-08诸多超高层建筑表面设计有檩条、装饰条、幕墙骨架等粗糙条构件，这些粗糙条构件会对建筑本身的风效应产生影响，但目前我国建筑结构荷载规范中1只对体型相对简单的建筑给出设计规定，尚缺乏与粗糙条相关的规定。目前国内外学者针对粗糙条对建筑物或构筑物风荷载的影响开展了一些研究。例如，Jafari等2和杨肖悦等3
4、分别通过CFD和风洞试验的方法研究了双层幕墙对高层建筑结构风荷载的影响，结果表明双层幕墙结构可以显著降低建筑的风荷载，当约化风速大于10.5时，风振加速度和结构风荷载可以降低45%。邹云峰等4和黄东梅等5分别通过在双曲冷却塔和高层建筑模型表面设置粗糙纸以改变表面粗糙度进行风洞试验，发现在特定范围内建筑的风荷载随表面粗糙度的增大而减小。Stathopoulos等6、Quan等7和王磊等8对带竖向粗糙条的建筑模型进行了研究，研究表明竖向粗糙条可以显著降低建筑的涡振反应和建筑表面最大极值负压。Yuan等9和全涌等10研究了水平构件的风压分布规律及遮阳板对建筑立面风压的影响，结果表明水平构件可以较大程
5、度削弱建筑立面的极值负压。另有研究表明，阳台等突出建筑表面的结构对建筑表面风压分布也有明显的影响11-15。艾辉林等16-17采用数值模拟方法研究超高层建筑表面复杂装饰条和可移动doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220290收稿日期：20220516基金项目：国家自然科学基金资助项目（52178480）；广东省基础与应用基础研究基金资助项目（2022A1515010350）Foundation item：Supported by the National Natural Science Foundation of China（52178480）作者简介：杨易（1975
6、-），男，博士，研究员，主要从事风工程研究。E-mail：第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）式装饰条在不同风向角下的风荷载特性，得出装饰条所受风荷载表现为明显的建筑拐角区域大而建筑平顺区域小的分布规律。张正维18分析了国内外规范中有关外立面装饰构件荷载取值的相关规定，并给出相对应的设计建议。严志威等19对一外附网架的复杂高层建筑进行了风荷载风洞试验研究，通过分析典型测点的风压系数，发现外附网架会使建筑绕流的分离点向下游方向移动，而去掉外附网架后气流分离点明显前移，在建筑尾部形成旋涡。程旭20基于风洞试验和LES数值模拟研究了不同类型粗糙条对高层建筑表面风压和主体结
7、构风荷载的影响，获得了不同类型粗糙条对高层建筑风荷载的影响规律，结果表明水平粗糙条对表面风压系数影响较小而竖直粗糙条会显著降低表面风压系数。截止目前，尽管风工程界对建筑表面粗糙条对围护结构或主体结构风荷载的影响开展了一些研究，但结合超高层建筑工程案例，针对粗糙条对围护结构和主体结构风荷载的系统对比研究仍较少。文中以佛山某典型方形截面超高层建筑项目为工程背景和研究对象，专门设计了建筑模型表面设置网格状粗糙条与去除粗糙条两种不同研究工况，进行了详细的风洞测压对比试验，通过分析建筑模型表面风压系数分布、基底荷载变化、结构顶部峰值加速度以及体型系数变化，详细研究了这一类典型体型建筑表面粗糙条对围护结构
8、和主体结构风荷载的影响，以供类似的结构风荷载设计和建筑方案优化研究参考。1试验1.1试验模型某超高层建筑位于佛山市南海区，高度为350 m，结构高度329 m，高宽比约为7.4，属于风敏感建筑。主塔办公楼采用混凝土核心筒、钢骨混凝土柱、钢梁等组成的混合结构形式。建筑幕墙原设计覆盖大量网状粗糙条，粗糙条网格尺寸为1.5 m2.85 m，突出建筑幕墙表面约0.32 m，粗糙条宽度约0.15 m。为了研究粗糙条对结构风荷载的影响，专门进行两组工况单体建筑的对比风洞试验，分别为有粗糙条的刚性模型测压试验和不带粗糙条的刚性模型测压试验，如图1所示。1.2风洞试验试验在华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实
9、验室风洞实验室进行，如图2所示。风洞试验模型依据建筑设计资料制作，模型缩尺比为1400，具体参数如表1所示。根据试验要求在模型上布置24个测点层共670个风压测点，风向角及坐标系定义以及测点层分布如图3所示，风向角间隔取10，共进行了36个风向的试验。该建筑所在区域地貌为建筑荷载规范1中C类地貌。风洞试验的大气边界层风场模拟结果如图4所示。图中U为高度Z处的风速，Ur为参考高度H处风速，Iu为湍流强度，f为脉动风频率，Su为风速自谱，u为风速的标准差值，Lu为湍流积分尺度。风场模拟结果显示，平均风速剖面、湍流强度剖面以及高度处的来流脉动风速功率谱和理论曲线相符，满足试验要求。图2风洞试验照片F
10、ig.2Photo of the wind tunnel test图1两种风洞试验模型照片Fig.1Pictures of two wind tunnel test models表1刚性模型测压试验中相关参数Table 1Parameters in the wind tunnel test参数雷诺数风场类型缩尺比参考高度H/cm取值8104C类1 40087.5参考风速/（m s-1）采样频率/Hz采样长度阻塞率/%参数取值9.3633020 4800.632第 4 期杨易 等：粗糙条对某超高层建筑风荷载影响的风洞试验研究1.3风压系数定义定义模型表面风压平均值P与未受干扰的建筑模型顶部高度处
11、的参考速度压qH的比值为该点的平均风压系数Cp，模型表面风压的标准差值p与未受干扰的建筑模型顶部高度处的参考速度压qH的比值为脉动风压系数Cp，表达式为|Cp=PqHCp=pqH（1）其中：P=1Ni=1NPi；p=1N-1i=1N(Pi-P)2，N为采样数。2粗糙条对围护结构风荷载的影响为分析粗糙条对围护结构风荷载的影响，选取建筑3个典型高度测点层（50、100及250 m）进行分析。采用式（1）对风洞试验得到的建筑模型表面风0XY90ABCDEFGHLJKMPNQRSTUVWXYZ4.2 m13.5 m50.0 m100.0 m131.75 m140.75 m149.75 m163.25
12、m172.25 m185.75 m194.75 m203.75 m235.25 m250.0 m275.75 m284.75 m294.5 m304.25 m308.75 m317.75 m326.75 m335.75 m345.5 m20.0 m（b）测点层分布图（a）风向角以及结构坐标系定义图3风洞试验风向角、坐标系及测点层分布图Fig3Wind azimuths，the coordinate system and the arrangement of the measuring point layers0.000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
13、 1.150100150200250300350400450Z/mU/UrGB 500092012,C类,=0.22 风洞试验(缩尺比1 400)51015202530354045505560（a）平均风速和湍流强度剖面Iu/%图4风洞试验中大气边界层风场模拟结果Fig.4Simulated atmospheric boundary layer in the wind tunnel test3第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）压进行无量纲化分析。建筑在正吹角度0风向角下不同特征高度处的平均风压系数 Cp和脉动风压系数Cp曲线如图 5所示。由图5可知，粗糙条对建筑模
14、型表面平均风压系数的影响主要在角区及侧风面，对于迎风面和背风面影响较小。主要表现在：粗糙条会增大迎风面角区的平均风压系数（如100 m和50 m处的测点8和测点14），而对于背风面角区测点，粗糙条反而会降低其平均风压系数；粗糙条会减小侧风面的平均风压系数；在迎风面和背风面平均风压系数受粗糙条影响虽然较小，但从总体趋势上，粗糙条会略微增大迎风面和背风面的平均风压系数的绝对值。粗糙条对脉动风压系数的影响也主要集中于建筑的侧风面和背风面。粗糙条使得建筑侧风面脉动风压系数明显减小，最值减幅超过30%，使得背风面脉动风压系数也略微减小。这可能是因为粗糙条会使得结构侧风面的涡激脱落产生的漩涡强度降低21。
15、围护结构的风荷载设计依据是建筑表面极值风压，虽然粗糙条会略微增大迎风面和背风面的平均风压系数绝对值，但同时也会减小两个侧风面的平均风压系数绝对值和脉动风压，侧风面降低的幅度要大于迎风面和背风面。图6给出36个风向角下250 m处测点层带粗糙02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280.00.10.20.30.40.5测点编号脉动风压系数 表面不带粗糙条 表面带粗糙条（d）100 m处脉动风压系数0 2 4 6 8 101214161820222426283032-1.0-0.50.00.51.0测点编号平均风压系数 表面不带粗糙条 表面带粗糙条（e）250 m处平均
16、风压0 2 4 6 8 1012141618202224262830320.00.10.20.30.40.5测点编号脉动风压系数 表面不带粗糙条 表面带粗糙条（f）250 m处脉动风压系数图50风向角下3个典型高度风压系数分布图Fig.5Distributions of the wind pressure coefficients at three heights at azimuth 002468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1.0-0.50.00.51.0测点编号平均风压系数 表面不带粗糙条 表面带粗糙条（a）50 m处平均风压系数02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 280.00.10.20.30.40.5测点编号脉动风压系数 表面不带粗糙条 表面带粗糙条（b）50 m处脉动风压系数02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28-1.0-0.50.00.51.0测点编号平均风压系数 表面不带粗糙条 表面带粗糙条（c）100 m处平均风压系数4第 4 期杨易 等：粗糙条对某超高层建筑风荷载影响的风洞
