非等高连体双塔高层建筑风致效应研究.pdf
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1、15第 49 卷 第 5 期2023 年10月四川建筑科学研究Sichuan Building Science非等高连体双塔高层建筑风致效应研究胡希光1,黄 橙1,刘玉石2,张宗岭2,涂佳黄3(1.中交城乡开发建设有限公司,北京 101300;2.湖北中城乡香樾房地产开发有限公司,湖北 武汉 430056;3.湘潭大学土木工程学院,湖南 湘潭 411105)摘 要:基于风洞试验,对某非等高连体双塔高层建筑的风致效应特性进行了研究,得到了各塔楼的平均风压分布及测点的风压时程。然后,对该高层结构的风荷载及其风致动力响应进行了研究,为该类双塔结构抗风设计提供了设计依据。结果表明,风向角、结构高度与重
2、现期风速对结构表面风压分布与动力响应的影响较大。双塔之间的相互影响导致临近表面风场发生变化,从而引起风压发生显著变化。1#塔楼结构的风致动力响应最大值满足中国相关规范的要求。关键词:高层建筑;非等高连体双塔结构;风洞试验;风压分布;动力响应DOI:10.19794 ki.1008-1933.2023.0055中图分类号:TU312+.1 文献标志码:A 文章编号:1008-1933(2023)05-0015-08Studyonwind-inducedeffectofunequalheighttwintowerhigh-risebuildingHU Xiguang1,HUANG Cheng1,L
3、IU Yushi2,ZHANG Zongling2,TU Jiahuang3(1.CCCC Urban-Rural Development Construction Co.,Ltd.,Beijing 101300,China;2.Hubei Zhongchengxiang Xiangyue Real Estate Development Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China;3.College of Civil Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)Abstract:Based on the wind tu
4、nnel experiment,the wind-induced effect of an unequal height twin tower high-rise building was investigated.The average wind pressure distribution of each tower and the wind pressure time history of the measuring points were obtained.Then,the wind load and wind-induced dynamic response of the high-r
5、ise structure were investigated to provide the basis for wind resistance design of this type of twin tower structure.The results show that the three key parameters of wind direction angle,structure height and wind speed for recurrence intervals have great influence on the wind pressure distribution
6、and dynamic response of the structure surface.Due to the interaction of the twin towers,the wind field on the adjacent surface changes,resulting in significant changes in wind pressure.The maximum wind-induced dynamic response of 1#tower structure meets the requirements of chinese relevant codes.Key
7、 words:high-rise building;unequal height twin tower structure;wind tunnel experiment;wind pressure distribution;dynamic response收稿日期:2022-12-08基金项目:湖南省自然科学基金项目(2021JJ50027)第一作者:胡希光(1978),男,硕士,高级工程师,主要从事工程项目管理与结构分析等工作。E-mail:huxg 16第 49 卷四川建筑科学研究0 引 言现阶段,风荷载作为高层建筑设计中重要的水平荷载之一,如何合理、准确获取其大小对高层建筑的结构设计而言
8、,具有非常重要的作用。力求新颖别致的现代高楼,外形越来越独特,复杂连体双塔高层建筑就是其中的一种。目前,国内外学者主要通过风洞试验与数值模拟 2 种方法对 双 多塔高层建筑的风荷载进行研究1-2。中国现行荷载规范3中所提供的基本风速选取的是年最大风速统计样本数据中各方向的年最大风速,忽略了风向变化的影响。胡卫法等4对不同风向下高层建筑的风致动力响应特征进行了细致分析。冯永伟等5对双塔楼超高层建筑风致效应进行了风洞试验研究,研究表明,该结构在某些特定风向角工况下会出现较为强烈的动力响应,这是由于塔楼间的气动互扰而引发的。王腾飞等6对某非对称连体方形双塔建筑进行了风洞试验研究,得出了与常规不同的结
9、论:结构迎风面局部会出现负压区,而在背风面会出现正压区。侯家健等7对截面复杂的连体双塔高层建筑的风荷载特性进行了风洞试验研究。涂佳黄等8采用风洞试验与数值模拟相结合的方法对多塔建筑结构群的风压分布及其风场特性进行了分析,并阐明了塔楼之间风场的互扰机理。王浩等9对复杂环境作用下复杂体型超高层多塔连体建筑的风致响应和等效风荷载进行了研究,得到了结构顶部的动力响应、基底内力和风振系数。吴泽达等10 对复杂周边环境中的非对称双塔高层建筑的风荷载进行了试验研究,得到了该结构的风荷载分布特性。目前,在中国相关规范中没有记载该类复杂双塔高层结构风荷载方面的内容。为了准确获取结构表面风荷载特性,本文运用风洞试
10、验动态风压数据对双塔高层结构风致效应进行分析。本文基于风洞试验,首先,对某非等高复杂连体双塔高层建筑模型的风压分布进行研究;然后,利用风洞试验数据进行耦合风致响应计算,研究非等高连体双塔高层建筑在不同风向角下风致效应的变化情况,并分析不同风向角、结构高度与重现期风速 3 个参数对结构表面风压分布与动力响应的影响。1 风洞试验和数据分析方法1.1 风场模拟在武汉大学 WD-1 风洞实验室中完成本文所有的风洞试验。试验风场参数为:参考处试验风速约为 9.0 m s,B 类地貌(粗糙度系数为 0.15)。通过在试验段内设置挡板、尖塔及粗糙元获得该风场中的平均湍流强度剖面和平均风速剖面,如图 1 所示
11、。同时,将本文模拟风场的风速谱(试验风速谱)与 Von-Karman 谱(目标谱)进行了对比验证,二者的归一化风速功率谱如图 2 所示。由图 2 可知,试验风速谱与目标谱吻合较好,验证了本文中风洞试验所采用风场的正确性。图 1 平均湍流强度剖面和平均风速剖面Fig.1 Averageturbulenceintensityprofileandaveragewindspeedprofile1.2 模型概况本文的研究对象为某非等高连体双塔高层建筑,由 1#、2#塔楼与连廊组成,塔楼层数分别为 33 层和25层,其高度分别为178.0 m和120.8 m(含172023 第 5 期胡希光,等:非等高连
12、体双塔高层建筑风致效应研究图 2 归一化风速功率谱Fig.2 Normalizedwindspeedpowerspectrum和脉动风压。同时,在典型高度处的双塔楼结构表面布置测点,尤其是在连廊部位布置测点。风洞试验中测量模型表面风压的设备选用了美国 PSI 公司生产的 DTCnet 电子扫描阀,依次扫描所有测点的压力信号,采样频率与采样时间分别为331 Hz 与 62 s。图 4 参考坐标系及测点位置Fig.4 Referencecoordinatesystemandmeasuringpoints2 结构风致效应特性分析风洞试验中考虑的测点层数及风向角工况较 多,限于篇幅,下文仅分析部分代表
13、性楼层的数据。塔冠高度)。各单塔平面呈矩形,连廊共 3 层,在1#塔楼高度中部与 2#塔楼相连。另外,1#、2#塔楼的平面尺寸分别为 59.7 m34.1 m 和 35.9 m 34.1 m。风洞试验建筑模型由 ABS 塑料板制作,其缩尺比为 1 250。由于周边建筑的存在会对结构风荷载产生一定的干扰,因此本试验模拟了该双塔高层建筑周边约 400 m 半径内的主要建筑结构,按照规划图中的位置摆放于风洞中,如图 3 所示。为了满足阻塞比小于 5的要求,本文风洞试验的最大阻塞比控制为 3.10。图 3 风洞试验模型Fig.3 Windtunnelexperimentalmodel图 4 给出了本文
14、试验中风压测试的参考坐标系及测点位置。本文研究的风向角每隔 15 取 1 个,共计获得 24 个工况下建筑物表面的平均风压18第 49 卷四川建筑科学研究2.1 双塔楼平均风压系数分析该建筑测点平均风压系数分布如图 5 所示。图 5 双塔高层建筑测点平均风压系数分布Fig.5 Distributionofaveragewindpressurecoefficientatmeasuringpointsoftwintowerhigh-risebuilding从图 5 中可以发现:迎风面以正压为主,沿结构底部向上,塔楼(除塔冠部位)各测点层测点平均风压系数分布大体相同,由于结构受迎风面正压及背风面负压
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