并列圆角弧边三角形双塔层风力干扰特性研究

蓝吕康， 陈水福

（浙江大学建筑工程学院，杭州 310058）

高层建筑常采用平面规则且较为对称的截面形式，例如方形、圆形、三角形等形式。双塔高层建筑之间存在明显的相互气动干扰效应，该效应一直是结构风工程领域的研究热点。相关研究主要集中在建筑间距、建筑高度、建筑排布角度和体型的影响等方面。文献［1］对群体建筑之间的干扰效应进行了系统综述，介绍了该领域研究状况以及规范成果。吴倩云等［2］采用风洞试验方法研究了间距比的变化对并列双方柱的风压系数、升力系数和阻力系数的影响，结果表明间距比等于2.5是一临界工况，当大于2.5时干扰效应不再显著。陈强等［3］基于实际工程项目，研究了圆角三角形双塔高层建筑四种不同排布角度对风荷载的影响，并做了风振响应分析，结果显示30°错位和角对角排布下，双塔建筑局部体型系数最小。谢壮宁等［4］研究了不同高宽比的两方柱在不同地貌下的静力和动力干扰效应，发现施扰建筑高宽比对动力干扰效应有很大影响，指出了之前文献在对高宽比影响的描述上的不足。顾明等［5，6］研究了施扰建筑高度变化对主建筑层风力的影响，结果显示并列排布时，高度比较大时层平均升力系数相对更大，且间距比越小，层脉动升力功率谱峰值与单体相比增大越多；
串列排布时，高度比增大时层平均阻力系数减小，遮挡效应愈发显著。余先锋等［7-10］研究了相对位置、宽度比和高度比等多种干扰工况下受扰方形建筑扭矩响应和顺风向加速度的干扰效应，值得注意的是，由于涡激共振的影响，施扰建筑在小宽度比情况时容易导致受扰建筑出现扭转向涡激共振干扰效应，并出现较大的顶部顺风向峰值加速度干扰因子包络值。

以上是基于风洞试验对高层建筑间气动干扰效应的研究，这也是目前的主要研究方式。近年来，CFD数值摸拟逐渐被应用于山地风场、建筑结构风荷载评估以及其他风工程研究领域，也是一种研究风工程问题比较有效的方法。闫渤文等［11］提出了基于刚度映射算法的CFD/FEM单向耦合的高层建筑风效应及舒适度评估框架，研究了高层双塔建筑围护结构风荷载及主体结构风振响应，结果显示受扰建筑位于施扰建筑尾流区，可能会受到尾流抖振的影响，从而使受扰建筑表面风荷载加大。

对于三角形建筑，为获得更有效的使用空间和更优越的抗风效果，近年来常采用圆角弧边的截面形式代替直角直边形式。并列和串列排布作为两种对称的双塔排布方式，在实际工程中有广泛的应用，例如新建的杭州新世界环球中心高层建筑就采用了圆角弧边三角形双塔形式。然而，目前对此类双塔建筑的风致干扰效应尚缺乏较深入的研究。文中以圆角弧边三角形双塔高层建筑为研究对象，通过刚性模型风洞测压试验方法，研究D类地貌下并列排布时两建筑之间的顺风向和横风向层风力干扰特性，为实际工程中该类建筑的抗风设计提供参考依据。

试验在浙江大学ZD-1边界层风洞中进行，风洞试验段截面宽4m、高3m。为了获得与实际相符的风场环境，通过调整风洞中地表粗糙元和格栅的数量和位置来模拟所需的我国规范规定的D类风场。试验的实测风速剖面和湍流度如图1所示，试验参考风速为Uref=10.8m/s，测点采样频率为312.5Hz，采样长度为10000次。

图1 风剖面模拟

研究对象由两个完全相同的高度300m、边长60m的施扰和受扰圆角弧边三角形建筑组成，模型缩尺比1：300，对应风洞试验模型高度为1.0m。模型在风洞中的最大阻塞比远小于5%，满足试验要求。

风洞试验中，沿主体建筑高度方向共设置了11个风压测试层，每层布置27个测点，测点层具体布置图如图2所示。

图2 测点层及测点布置

为分析不同建筑排布方式对双塔干扰效应的影响，文中设计了6组建筑排布方式，如图3所示，图中阴影三角形和白色三角形分别表示受扰、施扰建筑。各种排布中，每个三角形均有一条两角连线是竖直或是水平的，文中采用 U（up）、L（left）、R（right）、D（down）表示第三个角的朝向。因此6种排布方式分别称为U-U排布、L-R排布、L-L排布、D-D排布、R-R排布、R-L排布。可以看出，每种排布方式至少存在一条对称轴，这在实际工程中较为常用。

图3 双塔排布工况

为考察建筑相对间距的影响，对每种排布方式进行了6种相对间距的试验。间距比用X/B表示，其中X为两建筑的中点距离，B为建筑横截面的边长，6个间距比分别为1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0。

文中主要通过对比风荷载作用下的层阻力系数和层升力系数来探讨不同排布方式下圆角弧边三角形双塔高层建筑的层气动力沿高度的分布规律。

风力正方向定义如图4所示，阻力系数和升力系数分别记作CD、CL。第i层平均风力系数和脉动风力系数分别定义如下：

图4 风力正方向定义

式中，zi表示测点层i的高度；
FD（zi）、FL（zi）分别表示层平均阻力和层平均升力；
σD（zi）、σL（zi）分别表示层阻力和层升力均方根；
A（zi）表示测点层i的迎风面面积；
Pref为顶部参考风压。

3.1 平均阻力系数

图5给出了不同排布工况下受扰建筑平均层阻力系数沿高度的变化曲线。总体上各种排布受扰建筑平均阻力系数在建筑顶部附近达到最大。U-U排布、L-R排布和L-L排布当X/B≤2.0时，平均阻力系数明显增大；
而当X/B≥3.0时，平均阻力系数不随间距变化而变化。

图5 平均层阻力系数

当X/B=1.5时，D-D排布在z/H≥0.4的测试层，平均阻力系数明显减小，R-R排布在每个测试层均明显减小，R-L排布在z/H≤0.4的测试层明显减小；
当X/B≥2时，平均阻力系数基本不随间距变化而变化。

比较L-R排布和L-L排布，在X/B≤2.0时，L-L排布对受扰建筑的平均阻力系数影响更显著，当X/B=1.5时平均阻力系数甚至增加0.2左右，明显增大了顺风向平均风荷载。与之相比，R-R排布和R-L排布中，施扰建筑朝向改变对受扰建筑平均阻力系数的影响较小。

3.2 脉动阻力系数

图6给出了各种排布方式受扰建筑的脉动层阻力系数变化曲线。由图6看出，对于脉动阻力系数，间距对各种排布下受扰建筑脉动阻力系数影响较小，仅在个别排布X/B=1.5时使受扰建筑脉动阻力系数有所增大或减小，例如D-D排布时该系数值由较明显减小；
其余各间距比脉动阻力系数曲线均接近单体建筑情况，表明不同排布下受扰建筑脉动阻力系数主要源于来流的脉动性，施扰建筑的干扰效应不显著。

图6 脉动层阻力系数

受扰建筑脉动阻力系数在圆角迎风时最小，不对称迎风时次之，弧面迎风时最大。当受扰建筑圆角迎风时，建筑顶部和底部脉动阻力系数沿高度变化较小，而建筑中部脉动阻力系数随高度先减小后增大，并在0.6H附近达到最小值；
当受扰建筑不对称迎风时，脉动阻力系数沿高度呈“S”型分布，同样在0.6H附近达到最小值；
当受扰建筑弧面迎风时，脉动阻力系数在建筑中上部沿高度变化相对较小，仅在建筑底部迅速减小。

4.1 平均升力系数

图7给出了6种排布工况下受扰建筑平均层升力系数沿高度的变化曲线。总体而言，各工况平均升力系数曲线在X/B≥4.0时较为接近，基本上不随间距变化而变化。

图7 平均层升力系数

当受扰建筑的体型关于来流方向对称时，平均升力系数曲线沿高度变化较小，单体建筑平均升力系数接近0。对于U-U排布，当X/B≤3.0时，由于峡道效应，气流在两建筑间加速，加剧了建筑表面风压分布的不均匀性，使得平均升力系数随间距比减小而增大。对于D-D排布，当X/B≥2.0时，同样由于峡道效应，平均升力系数随间距比减小而增大；
而当X/B=1.5时，施扰建筑的近距离存在并未使受扰建筑平均升力系数明显增大。

当受扰建筑关于来流方向不对称时，各工况建筑平均升力系数曲线均沿高度先逐渐增大，之后在建筑顶部处迅速减小。对于R-R排布和R-L排布，受扰建筑圆角均朝右，当X/B≤3.0时，平均升力系数均随间距比减小而增大，施扰建筑朝向对受扰建筑平均升力系数影响不大。对于L-R排布，当X/B≤3.0时，平均升力系数在建筑中下部较为接近，而在建筑顶部处分离，并随间距比减小而增大；
然而当施扰建筑圆角朝向变为朝左后，L-L排布下平均升力系数曲线分布没有呈现出峡道效应，当X/B≤3.0时，平均升力系数均随间距比减小而减小，当X/B=1.5时平均升力系数甚至降至0.3左右。

4.2 脉动升力系数

图8给出了各排布方式的脉动层升力系数变化曲线。由图可见，多数情况下受扰建筑弧面迎风时，其脉动升力系数最大，不对称迎风时次之，圆角迎风时最小。对于U-U排布，各种间距比下受扰建筑脉动升力系数接近并略大于单体建筑情况，横风向间距的影响较小。对于L-R排布和L-L排布，受扰建筑圆角朝左时，当X/B≥3.0时，各间距比的脉动升力系数曲线接近并略大于单体建筑情况，而当X/B≤2.0时则小于单体建筑情况，且X/B=1.5时明显更小；
相比之下，此时施扰建筑圆角朝左（L-L排布）的系数比朝右（L-R排布）更小，在建筑中下部甚至小于0.2。当受扰和施扰建筑圆角朝右（R-R排布）时，不同间距比下的脉动升力系数接近并略大于单体建筑情况，即使间距比为最小的1.5h，受扰建筑的脉动升力仍改变不大。

各种排布中，D-D排布的脉动升力系数随间距比的变化最为显著，见图8（d），这与该工况下的横风向漩涡脱落现象有关。对于圆角弧边三角形单体建筑，当弧面迎风时其漩涡脱落现象最为显著，致使其脉动升力系数相较其余迎风方式更大，并沿高度先增大后减小，在0.6H附近达到最大值0.43。对于双塔建筑，当X/B=1.5时，由于间距较小，施扰建筑产生的气流干扰大幅减弱了受扰建筑的漩涡脱落程度；
当间距比为2.0～3.0时，施扰建筑的存在使受扰建筑风压不均匀性增大，明显增强了受扰建筑的漩涡脱落程度，脉动升力系数最大值甚至达到0.5；
当X/B≥4.0时，由于间距过大，施扰建筑对受扰建筑的干扰不明显，受扰建筑脉动升力系数接近于单体建筑情况，仅在建筑下部稍大。

图8 脉动层升力系数

文中以并列排布下的圆角弧边三角形双塔超高层建筑为对象，通过刚性模型同步测压试验，对比分析了建筑间距和排布方式对受扰建筑层阻力系数和层升力系数的影响，据此可得出以下结论：

（1） 当间距比大于2.0时，施扰建筑对受扰建筑的平均和脉动层阻力系数的干扰效果已不明显；
仅当间距比较小时，受扰建筑在不同排布方式下的平均和脉动层阻力系数才可能明显增大或减小。

（2） 当受扰建筑的体型关于来流方向对称时，平均升力系数曲线沿高度变化较小，单体建筑平均升力系数接近0；
当其体型关于来流方向不对称时，平均升力系数曲线均沿高度先逐渐增大，后在建筑顶部附近迅速减小。

（3） 当间距比大于3.0时，不同排布方式的受扰建筑的平均升力系数已较为接近；
当间距比较小时，仅个别排布方式（如L-R方式）受扰建筑的平均升力系数会由于峡道效应而随间距比减小而增大，而其他方式的这一系数则因施扰建筑对气流的干扰而随间距比减小而减小。

（4） 单体建筑当弧面迎风时，其脉动升力系数由于漩涡脱落现象而达到最大。对弧面迎风的双塔D-D排布，当间距比较小时，施扰建筑的气流干扰大幅减弱了受扰建筑的漩涡脱落程度，脉动升力系数显著减小；
当间距比为2.0～3.0时，施扰建筑的存在使受扰建筑的漩涡脱落现象及风压不均匀性增强，脉动升力系数明显增大；
当间距比达到或超过4.0时，施扰建筑的干扰效应已不明显，故脉动升力系数接近于单体建筑。