錐形超高層建筑脈動風(fēng)荷載特性

1、錐形超高層建筑脈動風(fēng)荷載特性111 , 23李波 , 楊慶山 , 田玉基, 陳新中( 1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 , 北京 100044;2. 華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室 , 廣東廣州 510640;3. 德克薩斯理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程系風(fēng)科學(xué)與工程研究中心 , 德克薩斯州拉伯克 TX9409 )摘要 :采用同步測壓技術(shù) ,進行了具有不同錐率的超高層建筑剛性模型風(fēng)洞試驗 ,對該類建筑物的脈動風(fēng)荷載特性進行了研究 。結(jié)果表明 :超高層建筑采用錐形輪廓后 ,延長了來流在建筑物側(cè)風(fēng)面漩渦脫落的卓越頻率 ,橫風(fēng)向升力系數(shù)功率譜譜峰小幅下降 ,有利于緩解風(fēng)荷載作用下建筑物橫風(fēng)

2、向風(fēng)荷載及其風(fēng)致效應(yīng) ,這對橫向風(fēng)風(fēng)致效應(yīng)起控制性作用的超高層建筑十分重要 。對比分析表明 :隨著建筑物錐率的增加 ,橫風(fēng)向升力系數(shù)歸一化功率譜譜峰下降 ,功率譜帶寬增大 ,升力系數(shù)根方差減小 。但是 ,超高層建筑錐率的變化對順風(fēng)向阻力及扭轉(zhuǎn)向扭矩影響較小 。錐形超高層建筑的相關(guān)系數(shù) 、相干函數(shù)的變化規(guī)律與普通棱柱形超高層建筑基本一致 ,但其升力以及升力與扭矩之間的相關(guān)性有所減弱 ,相干系數(shù)小幅增加 。關(guān)鍵詞 :超高層建筑 ; 錐形 ; 風(fēng)洞試驗 ; 風(fēng)荷載 ; 功率譜 ; 相關(guān)性中圖分類號 : TU 9731213 TU 31711文獻標志碼 : ACharacteristics of tu

3、 rbu len t w ind load of tap e redsup e r2tall bu ild ingL I Bo1 , YAN G Q ingshan1 , T IAN Yu ji1 , 2 , CH EN X inzhong3( 1. Schoo l of C ivil Enginee ring, B e ijing J iao tong U n ive rsity, B e ijing 100044 , Ch ina;2. Sta te Key L abo ra to ry of Sub trop ica l B u ild ing Sc ience, Sou th Ch i

4、na U n ive rsity of Techno logy, Guangzhou 510640 , Ch ina;3. W ind Sc ience and Enginee ring R ea sea rch Cen te r, D ep a rtm en t of C ivil and Envio rm en ta l Enginee ring, Texa s Tech U n ive rsity, L ubbock TX9409 , U SA )A b stra ct: H igh frequency p re ssu re in tegra tion tests we re carr

5、ied ou t in a w ind tunne l to inve stigate tu rbu len t w ind loadcharacteristics of the tap ered sup er2tall bu ild ings u sing rigid models. Test resu lts show that a tap e red sup er2ta ll bu ild ing sp read the vo rtex2shedd ing ove r a b road range of frequencies and m ake them mo re effec tiv

6、e in reduc ing vo rtex2 induced vib ra tion in acro ss2w ind d irection. W ith the increase of tap e r ra tio, the powe r sp ectra of the roo t m ean squa re lift coeffic ien t decrea ses, powe r sp ectra band w id th of the lift coefficien t inc rease s, bu t d rag and to rsion coeffic ien t a lmo

7、st keep the sam e. Mo reove r, lift co rrelation and co rrelation be tween lift and to rsion of the tap e red sup er2ta ll bu ild ings seem to dec rease, and cohe rence coefficien t increa se.Keyword s: sup er2tall bu ild ing; tap ered; w ind tunnel test; w ind load; powe r sp ectra; co rre la tion基

8、金項目 :國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目 ( 50808014 ) ,國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項目 ( 50725826 ) ,華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)重點實驗室開放基金項目 ( 2009 KB19 ) 。作者簡介 :李波 ( 1978 ) ,男 ,湖北武漢人 ,工學(xué)博士 ,講師 。 E2m ail: libo_77 1631com收稿日期 : 2010 年 1 月80 引言用以減小超高層建筑風(fēng)荷載及其風(fēng)致效應(yīng) (尤其是橫風(fēng)向 ) 的抗風(fēng)措施是該類結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重 1 要內(nèi)容。超高層建筑抗風(fēng)措施主要包括氣動抗風(fēng)措施和阻尼器抗風(fēng)措施兩種 ,其中 , 氣動抗風(fēng)措施主 要通過調(diào)整建筑物幾

9、何外形或設(shè)置導(dǎo)流裝置 (如挑檐 、遮陽板 、透風(fēng)性避難層等 ) 來改變建筑物周圍分離流中旋渦的形成與脫落 , 用以減小作用其上的風(fēng) 2 荷載 ,尤其是橫風(fēng)向風(fēng)荷載。將超高層建筑外形設(shè)計為沿高度逐漸減小的錐 3 形是氣動抗風(fēng)措施的一種 。D avenpo rt 最早指出截面沿高度變化的錐形建筑物 , 可延長來流漩渦脫落 4 頻率 , 減 小 結(jié) 構(gòu) 橫 風(fēng) 向 風(fēng) 致 效 應(yīng) 。 N akayam a 和 5 Tanagi等通過氣彈試驗證明錐形建筑物能有效地 6 減小其橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng) 。 Kim 等通過底座天平試驗研究了錐率對順風(fēng)向 、橫風(fēng)向氣動力的影響 , 研究 表明錐形效應(yīng)對減小橫風(fēng)向氣動力

10、更為有效 。 You 7 等基于天平試驗結(jié)果 , 分析了錐形高層建筑物風(fēng)致效應(yīng) ,分析結(jié)果表明建筑物橫風(fēng)向位移響應(yīng)減小 較大 。但上述研究均集中于證明截面沿高度逐漸縮小的錐形建筑有利于減小作用其上的橫風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng) ,而針對錐形超高層建筑風(fēng)荷載特性的專門研究 則相對匱乏 。本文采用同步測壓技術(shù)進行了不同錐率的超高層建筑剛性模型風(fēng)洞試驗 。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到了不 同高度處建筑物順風(fēng)向阻力 、橫風(fēng)向升力及扭轉(zhuǎn)向扭矩系數(shù)的頻域特性和相關(guān)性指標 ,通過分析錐率 、 風(fēng)場等因素對氣動力的影響 , 得到了不同風(fēng)場環(huán)境 下 ,錐形超高層建筑脈動風(fēng)荷載特性 。圖 1 試驗?zāi)Ｐ蛶缀纬叽鏔 ig. 1 D im en

11、 sion s of te st mode ls層測點高 度 分 別 為 550mm、500mm、450mm、400mm、350mm、250mm、150mm、50mm。模型每個測點層的 4個面均布置 5 個測點 , 共有 20 個測點 。測點處設(shè)置 測壓 管 , 用 來 測 量 各 點 的 瞬 時 風(fēng) 壓 。采 用 美 國Scan iva lve公 司 電 子 掃 描 閥 測 壓 系 統(tǒng) , 采 樣 頻 率31215Hz,每 個 通 道 采 樣 點 數(shù) 為 9000 , 采 樣 時 間2818 s。風(fēng)洞試驗中 ,風(fēng)向角記為 , 本文定義垂直于模 型立面的風(fēng)向角為 0 °風(fēng)向角 (圖

12、1 ) 。考慮到模型的對稱性 , 取 0 °45 °,每轉(zhuǎn)動 15 °測試 1 次 。112 風(fēng)場模擬試驗在長安大學(xué)風(fēng)洞 實 驗室 CA 201 風(fēng) 洞 進 行 ,該風(fēng)洞試驗段高 215m , 寬 310m , 長 1510m。風(fēng)速連 續(xù)可調(diào) ,最大風(fēng)速可達 45m / s。在正式試驗前 , 首先通過尖塔和立方體粗糙元的組合 , 按照 GB 50009 2001建筑結(jié) 構(gòu) 荷 載規(guī) 范 中 的規(guī) 定 , 模 擬 了 1 /400的 B、D 類風(fēng)場 ,兩類風(fēng)場平均風(fēng)剖面如圖 2 所示 ,圖 中 z、Hg、U、U g、分別為 高 度 、梯 度 風(fēng)高 度 、風(fēng) 速 、梯

13、 度風(fēng)高度處風(fēng)速 和 風(fēng)速 剖 面冪 指 數(shù) 。在模 型 頂 部 ,B、D 類風(fēng)場縱向湍流度分別為 716 %和 1418 % 。1 風(fēng)洞試驗概況1 11 試驗?zāi)Ｐ驮囼災(zāi)Ｐ筒捎糜袡C玻璃板制作 , 縮尺比 1 /400。 模型高度均為 600mm (相當于 240m 高的建筑物 ) ,底邊長 、寬均為 100mm (相當于 40m ) 。試驗中制作了 3 個錐形超高層建筑模型 ,錐率 (底截面與頂截面寬度 差 和 高 度 的 比 值 ) 分 別 為 41167 % 、81333 % 、121500 % ,模型編 號 為 T1、T2、T3; 為 了 進 行 對 比 分 析 ,還制作了一個截面沿高度

14、無變化的標準模型 T0(圖 1 ) 。每個模型從上至下布置 8 層測點 ,依次記為 1 8 層 ?？紤]到脈動風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的影響隨 高度顯著增加 ,布置測點層采用上密下疏的原則 ,各9圖 2 平均風(fēng)速剖面F ig. 2 M ean w ind sp eed p rofile s2 脈動風(fēng)荷載頻域特性分析在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域 , 通常將作用于超高 層 建 筑的脈動風(fēng)荷載按風(fēng)軸分解為沿來流順風(fēng)向的阻力 、 橫風(fēng)向的升力及扭矩 , 下面將從頻域的角度對錐形 超高層建筑阻力 、升力 、扭矩特性逐一進行分析 。在本文研究中 ,各層順風(fēng)向 、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向的無量綱 三分力系數(shù)分別定義為阻力系數(shù) CD (

15、 zi ) 、升力系數(shù)CL ( zi ) 及扭矩系數(shù) CT ( zi ) 。以未受擾動的來流風(fēng)壓圖 3 T2模型阻力系數(shù)功率譜 (B 類風(fēng)場 )F ig. 3 Powe r sp ec tra of d rag coeffic ien t of mode l T2 ( in te rra in B )可以看出 ,同一高度處不同錐率的超高層建筑阻力系數(shù)功率譜曲線略有不同 。阻力系數(shù)功率譜的低頻 部分基 本 不 受 錐 率 和 來 流 的 影 響 。但 隨 錐 率 的 增加 ,截面寬度減小 ,阻力系數(shù)功率譜隨折算頻率的增加衰減加快 ,并且隨來流紊流成分的增加 ,這種趨勢 越發(fā)明 顯 。由 于 高

16、頻 部 分 阻 力 系 數(shù) 功 率 譜 譜 值 較低 ,認為錐率對超高層建筑順風(fēng)向阻力能量分布 (歸 一化的功率譜 )基本無影響 。圖 5 是不同錐率試驗?zāi)Ｐ妥枇ο禂?shù) CD ( zi ) 根方差沿高度 zi 的變化曲線 (圖中 H 為模型總高 ) ?？梢?看出 ,錐率對阻力系數(shù)根方差影響不大 。超高層建筑物下部 2 /3 范圍內(nèi) ,阻力系數(shù)根方差隨高度的增加 而減小 ;而在上部 1 /3 范圍內(nèi) , 阻力系數(shù)根方差則隨高度的增加而增加 。并且 ,隨來流紊流成分的增加 , 阻力系數(shù)根方差顯著增大 , 這再次說明超高層建筑 順風(fēng)向阻力主要來源于來流的紊流激勵 。雖然 , D 類風(fēng)場環(huán)境下 , 各種

17、錐率試驗?zāi)Ｐ妥枇ο禂?shù)根方差存 在一定的差異 ,但整體變化不大 。因此 , 錐率對超高層建筑順風(fēng)向阻力能量大小 (根方差 )基本無影響 。212 升力系數(shù)圖 6 給出了 B 類風(fēng)場環(huán)境下 , T2 模型不同高度 處升力系數(shù)歸一 化 的功 率 譜曲 線 。由 圖可 以 看 出 , 不同高度處升力系數(shù)功率譜均有明顯譜峰 , 隨著建筑高度的增加 , 功率譜帶寬逐漸擴大 。升力系數(shù)功 率譜譜峰所對應(yīng)的折算頻率即為所謂的 Strouha l數(shù) , 8 為參考風(fēng)壓 ,三分力系數(shù)可以表示為:FD ( zi )CD ( zi )( 1 )=1U2 A ( z )H i2 FL ( zi ) CL ( zi )(

18、 2 )=1U2 A ( z )H i2FT ( zi )CT ( zi ) =( 3 )1U2 A ( z ) B ( z )H ii2式中 : FD ( zi ) 、FL ( zi ) 和 FT ( zi ) 為順風(fēng)向 、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向 zi 高度處瞬時氣動力 ; 為空氣密度 ; zi 為測 點高度 ; A ( zi ) 為 zi 高度處的迎風(fēng)面積 ; UH 為模型頂點處風(fēng)速 ; B ( zi ) 為 zi 高度處模型寬度 。2 11 阻力系數(shù)圖 3 給出了 B 類風(fēng)場環(huán)境下 , T2 模型不同高度 處阻 力 系 數(shù) 歸 一 化 的 功 率 譜 曲 線 , 圖 中 橫 軸fB ( zi )

19、 /UH 為折算頻率 , f 為頻率 , UH 為模型頂點平均風(fēng)速 , SD ( f) 為阻力系數(shù)功率譜 , D 為阻力系數(shù)根 方差 。由圖可以看出 ,不同高度處 ,阻力系數(shù)歸一化 的功率譜基本相同 。并且 , 阻力系數(shù)功率譜曲線與脈動風(fēng)速功率譜曲線基本一致 , 這說明錐形高層建 10 9 可以用來表征漩渦脫落的卓越頻率?？梢钥闯?,T2 模 型 不 同 高 度 處 的 Strouha l 數(shù) 基 本 不 變 , 約 在0109 0110 之間 。說明錐形超高層建筑橫風(fēng)向升力 主要來源于漩渦脫落 ,但隨著高度的增加 ,橫風(fēng)向紊筑的順風(fēng)向阻力仍主要來源于順風(fēng)向紊流激勵。T1、T3 模型阻力系數(shù)也

20、有相同規(guī)律 。圖 4 給出了 B、D 兩類風(fēng)場環(huán)境下 , 不同錐率試 驗?zāi)Ｐ偷?4 層阻力系數(shù)歸一化的功率譜曲線 。由圖10© 1994-2015 China 圖 4 阻力系數(shù)功率譜Powe r sp ec tra of d rag coeffic ien tF ig. 4( a) B 類風(fēng)場圖 6 T2模型升力系數(shù)功率譜 (B 類風(fēng)場 )F ig. 6 Powe r sp ec tra of lift coeffic ien t of mode l T2 ( in te rra in B )圖 7 給出了 B、D 兩類風(fēng)場環(huán)境下 , 不同錐率試驗?zāi)Ｐ偷?4 層測點升力系數(shù)歸一化的功

21、率譜曲線 。 由圖可以看出 , 同一高度處不同錐率的超高層建筑升力系數(shù)功率譜 曲 線差 別 較大 。隨 著 錐率 的 增 加 ,升力系數(shù)功率譜帶寬擴大 , Strouha l數(shù)增加 , 功率譜 譜峰小幅下降 ; 并且 , 隨著來流紊流成分的增加 , 上述趨勢愈發(fā)明顯 。這說明 , 超高層建筑采用錐形輪 廓 ,延長了來流漩渦脫落的卓越頻率 ,橫風(fēng)向升力系數(shù)功率譜譜峰有所下降 , 有利于緩解風(fēng)荷載作用下 建筑物橫風(fēng)向渦激振動 。圖 8 為不同錐率試驗?zāi)Ｐ蜕ο禂?shù) CL ( zi ) 根方差沿高度 zi 的變化曲線 。可以看出 , 錐率變化沒有 改變升力系數(shù)根方差沿高度的變化規(guī)律 。超高層建11(

22、b) D 類風(fēng)場圖 5 阻力系數(shù)根方差 CD 沿高度 zi 變化曲線F ig. 5 Roo t m ean squa re of d rag coeffic ien t a t d iffe ren t he igh t流激勵的影響逐漸增強 。由于錐形超高層建筑截面隨高度的增加而減小 ,因此 ,該類建筑橫風(fēng)向升力系 數(shù)功率譜的卓越頻率隨高度的增加而增加 。 T1、T3模型升力系數(shù)也有相同變化規(guī)律 。© 1994-2015 China Academic 圖 7 升力系數(shù)功率譜Powe r sp ec tra of lift coeffic ien tF ig. 7錐率的增加 ,超高層建

23、筑物下部大致 2 /3 范圍內(nèi) , 升力系數(shù)根方差逐漸減小 ; 而在上部大致 1 /3 范圍內(nèi) ,升力系數(shù)根方差相差較小 , 且變化無規(guī)律 ; D 類風(fēng)場 環(huán)境下 ,也有類 似 規(guī) 律 , 但 在建 筑 物下 部 T1、T2、T3 模型升力系數(shù)根方差基本相同 ?？紤]到錐形超高層 建筑橫風(fēng)向升力主要來源于漩渦脫落 , 但隨著高度的增加 ,橫風(fēng)向紊流激勵的影響逐漸增強 。因此 , 錐 形超高層建筑可以有效地減小橫風(fēng)向渦激激勵 , 對橫風(fēng)向隨機氣動力基本無影響 。213 扭矩系數(shù)圖 9 給出了 B 類風(fēng)場環(huán)境下 , T2 模型不同高度 處扭矩系數(shù)歸一 化 的功 率 譜曲 線 。由 圖可 以 看 出

24、,不同高度處扭矩系數(shù)功率譜均有兩個較為明顯的譜峰 ,并且 ,第 1 譜峰所對應(yīng)的折算頻率大致等于該高 度處的 Strouha l數(shù) ,這說明第 1 譜峰主要來源于渦激( a) B 類風(fēng)場 11 脫落 ,而第 2 譜峰則主要來源于來流的紊流激勵。另外 ,功率譜第 1 譜峰較第 2 譜峰大 , 但第 2 譜峰的 帶寬較第 1 譜峰寬 。隨著高度的增加 ,第 1 譜峰逐漸下降 ,帶寬增大 ,而第 2 譜峰逐漸增大 ,兩譜峰越來越 接近 。 T1、T3 模型扭矩系數(shù)也有相同規(guī)律 。圖 10 給出了 B、D 兩類風(fēng)場環(huán)境下 ,不同錐率試 驗?zāi)Ｐ偷?4 層扭矩系數(shù)歸一化的功率譜曲線 。由圖可以看出 ,雖然

25、扭矩系數(shù)功率譜均有兩個譜峰 , 但同一高度處不同錐率的超高層建筑扭矩系數(shù)功率譜曲 線存在一定差別 。隨著錐率的增加 ,第 1 譜峰逐漸減小 ,帶寬增大 ,而第 2 譜峰變化不大 。兩類風(fēng)場環(huán)境 下 ,超高層建筑扭矩系數(shù)功率譜差別不大 。圖 11 為不同錐率試驗?zāi)Ｐ团ぞ叵禂?shù) CT ( zi ) 根方差沿高度 zi 的變化曲線 。可以看出 , 錐率的變化( b) D 類風(fēng)場圖 8 升力系數(shù)根方差 CL 沿高度 zi 變化曲線F ig. 8 Roo t m ean squa re of lift coeffic ien t a t d iffe ren t he igh t筑橫風(fēng)向升力系數(shù)根方差隨著

26、高度的增加而減小 ;并且 ,建筑物下部減小較快 ,上部減小較慢 。隨著來 流紊流成分的增加 , 建筑物下部升力系數(shù)根方差顯著增大 , 但是上部變化不大 。B 類風(fēng)場環(huán)境下 , 隨著12渦激激勵以及來流的紊流激勵 ,并且 ,隨著建筑物高度的增加 ,渦激激勵的影響有所降低 ,而紊流激勵的 影響增強 ;扭矩來源于建筑物各表面氣動力的不均勻分布 ,影響因素較多 ,且規(guī)律性不強 。通過對比可以看出 ,作用于建筑物的橫風(fēng)向升力最大 ,順風(fēng)向阻 力次之 ,扭矩最小 。并且 ,橫風(fēng)向升力在漩渦脫落卓越頻率處有明顯的尖峰 , 該頻率段動力風(fēng)致效應(yīng)顯 著 。因此 ,超高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng)是該類結(jié)構(gòu) 抗風(fēng)設(shè)計中的

27、控制因素 ,應(yīng)重點關(guān)注 。超高層建筑采用錐形輪廓 , 延長了來流 在側(cè) 風(fēng)面漩渦脫落的卓越頻率 , 減小了橫風(fēng)向升力系數(shù)功 率譜譜峰 ,有利于緩解風(fēng)荷載作用下建筑物橫風(fēng)向 渦激振動 。通過對比可以看出 , 在建筑物下部渦激 激勵主導(dǎo)區(qū)域 ,隨著建筑物錐率的增加 ,升力系數(shù)歸 一化的功率譜譜峰下降 ,功率譜帶寬增大 ,升力系數(shù) 根方差減小 。因此 , 超高層建筑物沿高度設(shè)計成具有一定錐率的輪廓 ,可以有效減小橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng) ,這對該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計尤為重要 。圖 9 T2模型扭矩系數(shù)功率譜 (B 類風(fēng)場 )F ig. 9 Powe r sp ec tra of to rsion coeffic

28、ien t of mode l T2 ( in te rra in B )沒有改變扭矩系數(shù)根方差沿高度的變化規(guī)律 。隨著高度的增加 ,超高層建筑扭矩系數(shù)根方差減小 , 并且 建筑下部減小較快 , 上部減小減慢 。隨著錐率的增加 ,各種錐率試驗?zāi)Ｐ团ぞ叵禂?shù)根方差雖存在一定的差異 ,但是整體變化不大 。隨著來流紊流的增加 , 建筑物下部扭矩系數(shù)根方差顯著增加 , 而建筑物上 部變化不大 。2 14 小結(jié)通過以上分析可以看出 , 錐形超高層建 筑 的 順 風(fēng)向阻力 、橫風(fēng)向升力及扭轉(zhuǎn)向扭矩隨來流 、高度等因素的變 化 規(guī) 律 與 普 通 棱 柱 形 超 高 層 建 筑 基 本 一致 。順風(fēng)向阻力主要

29、來源于來流的紊流激勵 ; 橫風(fēng) 向升力主要來源于建筑物側(cè)風(fēng)面漩渦脫落所誘發(fā)的3 脈動風(fēng)荷載相關(guān)性分析相關(guān)性是脈動風(fēng)荷載的另一個重要指 標 , 通 過對三分力系數(shù)的相關(guān)性分析 , 尤其是阻力 、升力 、扭矩之間的相關(guān)性 , 能夠更加深入的揭示機理 。下面 將根據(jù)時域相關(guān)系數(shù) 、頻域相干系數(shù)分別進行分析 。311 相關(guān)系數(shù)在本文研究中 , 脈動風(fēng)荷載三分力系數(shù) 的相 關(guān) 系數(shù) C o rr 定義為 :2C(, = D , L , T )C o rr=( 4 )C C 圖 10 扭矩系數(shù)功率譜F ig. 10 Powe r sp ec tra of to rsion coeffic ien t13&

30、#169; 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.( a) B 類風(fēng)場( a) B 類風(fēng)場( b) D 類風(fēng)場圖 11 扭矩系數(shù)根方差 C T 隨高度 zi 變化曲線F ig. 11 Roo t m ean squa re of to rsion coeffic ien t a t d iffe ren t he igh t式中 : C 為三分力系數(shù) C 和 C 的協(xié)方差 , C 和( b) D 類風(fēng)場圖 12 T0模型相關(guān)系數(shù)F ig. 12 Co rre la ti

31、on coeffic ien t of mode l T0C 分別為三分力系數(shù) C 和 C 的根方差 ; D、L 和 T分別表示阻力 、升力和扭矩 。圖 12 給出了 B、D 兩類風(fēng)場環(huán)境下 , T0 模型分別 以第 4 測點層為基準的三分力系數(shù)相關(guān)系數(shù)沿高度 zi 的變化曲線 。可以看出 , 阻力與升力 、扭矩之間的 相關(guān)性很弱 , 可近似認為不相關(guān) ; 但是 , 升力與扭矩之間有較強的相關(guān)性 ,并且 ,隨著來流紊流成分的增 加 ,升力與扭矩之間的相關(guān)性有進一步增加的趨勢 ;值得注意的是 , 雖然是以第 4 測點層升力系數(shù)為基 準 ,升力系數(shù)與扭矩系數(shù)相關(guān)系數(shù)最大值卻出現(xiàn)在第 5 測點層 ,

32、該結(jié)果與文獻 9 研究成果一致 。另外 ,隨著來流紊流成分的增加 , 建筑物上部阻力 、升力的 相關(guān)性增強 ,下部阻力 、升力相關(guān)性基本保持不變 。圖 13 給出了 B、D 兩類風(fēng)場環(huán)境下 , T2 模型分別以第 4 測點層為基準的三分力系數(shù)相關(guān)系數(shù)沿高度zi 的變化曲線 。通過與圖 12 對比可以看出 , 超高層 建筑設(shè)置一定錐率后 , 風(fēng)荷載的相關(guān)性基本規(guī)律變化不大 ,但是 ,升力與升力以及升力與扭矩之間的相 關(guān)系數(shù)有減弱的趨勢 , T1、T3 模型也有相同規(guī)律 。3 12 相干系數(shù)在本文研究中 , z1 、z2 高度處力系數(shù)的豎向相干14函數(shù) C ohz 定義為 :C S z z ( f

33、) 1 2z (2 )( 5 )C oh f, z , z=1S z ( f) S z ( f)1 1C式中 : S z z ( f) 為 z1 、z2 高 度 處三 分 力系 數(shù) 的 互功 率1 2譜 ; S z ( f) 和 S z ( f) 分別為三分力系數(shù)的自功率譜 。1 1在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中 ,通常將豎向相干函數(shù)按式 ( 6 ) 9 進行擬合。C oh f, z , z expz (2 )( 6 )- Cz ·1U z z1 2式中 : Cz 為相干系數(shù) ; U z z 為來流在兩層高度處風(fēng)速1 2的平均值 。圖 14 給出了 B 類風(fēng)場環(huán)境下 , T0 與 T2 模型的 相干

34、函數(shù)曲線 ?？梢钥闯?, T2 與 T0 模型阻力系數(shù) 、升力系數(shù)相干函數(shù)曲線形狀基本一致 , 變化規(guī)律相同 。同時注意到 , 采用指數(shù)形式的衰減公式可以較 好地擬合阻力系數(shù)相干函數(shù) , 但是升力系數(shù)的擬合結(jié)果不理想 。錐形超高層建筑風(fēng)荷載沿高度的相干系數(shù)較普通棱柱形超高層建筑小幅增加 。f z2 - z14 結(jié)論本文采用同步測壓技術(shù) , 進行了具有不 同錐 率的超高層建筑剛性模型風(fēng)洞試驗 , 通過對比分析得 到該類超高層建筑脈動風(fēng)荷載特性 ,結(jié)論如下 :( 1 )在建筑物下部渦激激勵主導(dǎo)區(qū)域 , 隨著建筑 物錐率的增加 ,升力系數(shù)功率譜譜峰下降 ,功率譜帶寬增大 ,升力系數(shù)根方差減小 。因此

35、 ,超高層建筑物 設(shè)計成具有一定錐率的輪廓 , 可以有效地減小橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng) ,這對該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計尤為重要 。( 2 )超高層建筑錐率變化對順風(fēng)向阻力及扭矩 影響較小 。( 3 )錐形超高層建筑順風(fēng)向阻力與橫風(fēng)向升力 、扭矩之間的相關(guān)性很弱 , 橫風(fēng)向升力與扭矩之間有 較強的相關(guān)性 ,隨著來流紊流成分的增加 ,升力與扭 矩之間的相關(guān)性有進一步增加的趨勢 。( 4 )錐形超高層建筑的相關(guān)系數(shù) 、相干函數(shù)變化 規(guī)律與普通棱柱形超高層建筑基本一致 , 但橫風(fēng)向升力之間以及橫風(fēng)向升力與扭矩之間的相關(guān)系數(shù)有所減弱 ,風(fēng)荷載沿高度的相干系數(shù)小幅增加 。參考文獻( a) B 類風(fēng)場 1 Ho lm e

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