臺風魚作用下廈門沿海某超高層建筑風場和風壓特性實測研究

臺風魚作用下廈門沿海某超高層建筑風場和風壓特性實測研究

0現(xiàn)場實測中的風荷載作用問題隨著新材料的應用、設計理念的創(chuàng)新和施工技術的進步，沿海地區(qū)的高層建筑越來越高、越來越高、越來越軟。由于這類建筑的自振頻率較低,結構阻尼較小,導致其對風荷載作用的敏感性也愈加明顯,尤其是在臺風作用下的風致響應較大,所以其風荷載作用問題已引起研究人員的重視?，F(xiàn)場實測是研究結構風效應最直接和最可靠的手段,相關研究人員對于既有高層建筑現(xiàn)場實測的研究已經取得了一些成果。李秋勝為此,本文以廈門市觀音山營運中心11號樓為研究對象,進行超高層建筑的風場、建筑表面風壓和結構風致響應的同步實測工作,并基于獲得的同步實測數(shù)據(jù),分析我國沿海地區(qū)超高層建筑的風場和風壓特性。1現(xiàn)場測量總結1.1海岸建筑的營造試驗樓為廈門市觀音山營運中心11號樓,該樓位于廈門市東海岸,離海邊約400m,建筑東面為海灘且無任何阻擋,附近高層建筑較少,視野開闊,平時風速較大。該樓為該海岸附近最高建筑,共37層,高146m。圖1為該試驗樓及其周邊環(huán)境。在本次實測過程中臺風主要從東海一側吹向試驗樓,由圖1可知本次實測的臺風風場基本上沒有受到周圍環(huán)境的影響。1.2風壓、風速和風向采用CY2000型風壓傳感器進行建筑表面脈動風壓測試,這種壓力傳感器體積小,粘貼方便,具有良好的防水性能,如圖2a、2b所示。在大樓的東南和西北角各安裝了1臺RM.Young05103V型機械式風速儀(圖2c),風速儀離地高度約150m,實測獲得水平風速u(t)和風向角φ(t)。采用64通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行風壓數(shù)據(jù)采集,采用ΣΔ24位AD高精度32通道采集分析系統(tǒng)對2臺風速儀的風速、風向數(shù)據(jù)和6個樓層共12臺拾振器(設在試驗樓第10、18、23、28、33和36層中間位置的樓梯平臺處,每層的縱橫向各布置了1臺測試結構水平振動的拾振器)的數(shù)據(jù)進行采集。因為以上兩套采集系統(tǒng)由同一臺電腦控制,可以實現(xiàn)風場、風壓和加速度數(shù)據(jù)的同步采集。1.3風壓、風速分布及風場模擬為獲得超高層建筑表面風壓的分布規(guī)律及其特性,在試驗樓第33層四周的玻璃幕墻外表面布置了14個風壓測點。其中有2個測點的風壓傳感器因狂風暴雨而脫落,有1個測點的風壓傳感器測試期間出現(xiàn)故障,數(shù)據(jù)異常,所以有效測點為11個。風壓傳感器有效測點平面布置如圖3所示。2010年第13號熱帶風暴“鲇魚”于10月13日20時在西北太平洋洋面上生成,18日12時25分在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸,隨后進入南海東部海面。23日12時55分在福建省漳浦縣六鰲鎮(zhèn)登陸,登陸時中心附近最大風力13級,風速38m/s,最低氣壓97kPa,登陸后強度迅速減弱。登陸地點距試驗地點約50km。于10月23日利用上述實測系統(tǒng)開展了超高層建筑風場、表面風壓和風致響應的同步實測,其中風壓信號采樣頻率為20Hz,風場和結構響應信號采樣頻率為25.6Hz。實測系統(tǒng)構成如圖4所示。2臺風“魚”的時空和風向角選取2010年10月23日實測獲得的臺風“鲇魚”登陸前后約3小時7分鐘(11:00至14:07)的風場實測數(shù)據(jù)進行分析,相應的計算式見文獻[8-9]。風向角定義北風為φ=0°,南風為φ=180°,依此類推,如圖3所示。圖5為臺風“鲇魚”的瞬時風速、風向角時程,其中瞬時風速最大值為27.67m/s。由圖5可以看出,在距離臺風登陸時刻1h以前的臺風風速較大且風速變化較大,風向角變化也較大,而在臺風登陸時刻前后約2h內,臺風風速已大幅減小且變化平穩(wěn),風向角變化也較為平穩(wěn)。2.1in風速,風向角及風速圖6為臺風“鲇魚”10min平均風速、風向角時程。其中10min平均風速為14.67m/s,平均風向角為99.1°,10min平均風速最大值為22.03m/s。由圖6可以看出,在距離臺風登陸時刻1h以前的平均風速、風向角變化較大,之后變化較為平穩(wěn)。2.2平均時距風速與平均風速變化湍流度反映了風的脈動強度,為確定結構所受脈動風荷載的關鍵參數(shù)。湍流度I定義為10min時距的脈動風速標準方差與水平平均風速的比值。圖7a給出了10min平均時距順風向和橫風向湍流度隨平均風速的變化情況。可以看出,隨著平均風速的增大,湍流度變化平穩(wěn)。順風向和橫風向湍流度平均值分別為0.0824和0.0726,順風向湍流度實測結果比日本風荷載規(guī)范公式風的脈動強度也可用陣風因子G圖8為順風向、橫風向陣風因子與湍流度之間的關系,可以看出湍流度與陣風因子之間基本為線性關系(其中橫風向的線性關系非常好),隨著湍流度的增大陣風因子相應增大。2.3回歸系數(shù)的比較圖9為臺風“鲇魚”18段10min順風向、橫風向脈動風速功率譜密度的平均值曲線,作為對比在圖中還給出了vonKarman譜。從圖9可以看出,實測脈動風速功率譜密度函數(shù)與vonKarman譜擬合較好,表明vonKarman譜能較好地描述沿海超高層建筑臺風風場湍流分量的能量分布情況。3現(xiàn)場測量的風壓特性3.1測點風壓時程的比較選取2010年10月23日實測獲得的臺風“鲇魚”登陸前后約3小時7分鐘(11:00至14:07)的風場與建筑表面風壓的同步實測數(shù)據(jù)進行分析。圖10為臺風“鲇魚”作用下試驗樓33層玻璃幕墻外表面11個有效測點的風壓變化時程。結合圖5和圖6,從圖10可以看出,在前50min左右時間內風速、風向角變化較大,10min平均風向角在100°以內(東偏東北面),迎風面(東南面和東北面)測點的風壓變化劇烈,之后平均風向角在100°~120°之間(東偏東南面),風壓變化較小且趨于平穩(wěn);西北面和西南面為背風面,整個風壓時程變化較小,且風壓絕對值較小;4個面內各測點的風壓相關性較強,各面之間風壓的相關性相對較弱;東北面風壓與風速的相關性較好。3.2平均風壓、風速在不可壓的低速氣流下,考慮無黏性且忽略體積力作用,流動是定常的。根據(jù)伯努利方程,可將平均風速換算成基本風壓w式中:取標準大氣壓下空氣容重γ=0.012018kN/m圖11為各測點10min平均風壓與基本風壓(計算值)的變化時程,其中基本風壓由式(1)計算得到。由圖11可知:東北面:為迎風面,實測10min平均風壓均為正壓,前60min建筑迎風角部測點1的實測值與基本風壓接近(實測值略大),中間60min的實測值大大小于計算值,后60min計算值略大于實測值。測點2整個平均風壓時程的值均較測點1和計算值小許多,表明當風從角部吹向建筑時,迎風面中部測點位置的風壓明顯小于迎風角部位置的值。東南面:為迎風面,實測10min平均風壓均為正壓,測點9、10、11值的變化趨勢基本一致;測點9和11的值比較接近,前者略大于后者;因測點10布置在內凹陽臺處,其值較小;該面前50min實測結果與基本風壓相差非常大,主要原因是該段時間內風場變化較大,導致風壓值正負波動劇烈,正、負值平均致使10min風壓均值大大減小;50min之后風場變化趨穩(wěn),實測結果與基本風壓的趨勢和大小接近。西北面:為背風面,各測點實測10min平均風壓的變化規(guī)律非常一致;測點3、5、6均為負壓,但測點4為正壓,因測點4布置在陽臺外凸側面的角部;即使在風速非常大的前50min,該面實測值也非常小,實測過程中該面的玻璃窗非常容易開啟也證實了這一點。西南面:為背風面,測點7、8實測10min平均風壓均為負壓且非常接近;與西北面的結果相似,即使在風速非常大的前50min,該面實測值也非常小。西北面和西南面實測結果表明,即使在風速非常大時,背風面的實測風壓也非常小。3.3平均風壓系數(shù)在全尺度測量中,平均風壓系數(shù)可定義為:式中:p東北面:角部測點1的平均風壓系數(shù)值較大,在前50min內(風速較大)的值在1.1~1.2之間,50min后的值均小于1.0;測點2位于建筑中部位置,其值在0.7以內。東南面:各測點前50min的平均風壓系數(shù)值較小,主要是因風壓正負變化導致平均風壓值較小所引起;50min之后測點9、11的值基本在1.0~1.5的范圍內波動;測點10在內凹陽臺處,其值均在1.0以內。西北面和西南面:測點3、5、6、7、8的平均風壓系數(shù)值基本為負,在-0.5以內;測點4位于陽臺外凸側面的角部,其值為正,但非常小。總體來看,迎風面的平均風壓系數(shù)較大(有部分值超過1),迎風面角部位置的平均風壓系數(shù)較中部位置大;而背風面的平均風壓系數(shù)為負值,在-0.5以內。圖13為不同風向角下各測點平均風壓系數(shù)的分布情況。由圖13可知:實測臺風“鲇魚”風場的風向角在74.8°~110.1°之間,風從角部吹向建筑,東北面和東南面均為迎風面,其平均風壓系數(shù)為正值,且有部分值超過1。東北面測點1因在迎風角部位置,其值明顯大于測點2。東南面測點9和11的值接近,而測點10因在內凹陽臺位置,其值較測點9和11小許多。西南面和西北面除陽臺處測點4的平均風壓系數(shù)(非常小)為正值外,其他測點均為負值,且絕對值較小。當風向角較小時(在74.8°~87.4°之間),風主要從東北面吹向建筑,東北面測點1的平均風壓系數(shù)明顯較東南面大。當風向角較大時(在103.0°~110.1°之間),風主要從東南面吹向建筑,東南面測點9、11的值明顯較東北面測點1大。綜上所述,圖13結果清晰地揭示出了建筑各表面平均風壓系數(shù)隨風向角的變化規(guī)律:隨著風向角的增大,風逐漸垂直吹向東南面,東南面的平均風壓系數(shù)逐漸增大,而東北面的平均風壓系數(shù)則逐漸減小;隨著風向角的增大,背風面(西北面和西南面)平均風壓系數(shù)的幅值呈逐漸增大的趨勢。圖14為各測點平均風壓系數(shù)與10min平均風速之間的關系。從圖14可以看出,東北迎風面測點1、2的平均風壓系數(shù)隨著平均風速的增大而逐漸增大,而東南迎風面測點9、10、11平均風壓系數(shù)幅值的規(guī)變化律則剛好相反;兩背風面測點3、5、6、7、8的平均風壓系數(shù)幅值隨著平均風速的增大逐漸減小;測點4布置在陽臺外凸側面的角部,平均風壓系數(shù)隨著平均風速的增大無明顯變化。3.4風壓極值分布參考式(2),定義極值風壓系數(shù)為:式中:p圖15為建筑各面的極值風壓系數(shù)時程。由圖15可以看出,陽臺處測點10的值較大,均大于1,說明建筑迎風面內凹處的極值風壓較大;測點2、11在建筑平面中部位置,其值較小;測點1、9在建筑平面角部位置,在風向角由87.4°以內變?yōu)?03.0°以上時,其值發(fā)生了正負轉換,且均出現(xiàn)絕對值較大的負壓(甚至達到-2),說明在建筑迎風面角部位置風壓易出現(xiàn)絕對值較大的負壓極值。背風面測點3、4、5、8的負壓極值的絕對值較小(在-1.0以內),測點6、7因在建筑角部位置,其值變化較大。圖16為各測點在不同風向角下的極值風壓系數(shù)分布情況。由圖16可以看出,迎風角部測點1處的極值風壓系數(shù)絕對值較大,當風向角大于103.0°時均為負值,且絕對值較大;迎風面陽臺處測點10的值非常大,且隨著風向角的增大(風向逐漸垂直于該面)呈逐漸增大的趨勢,個別值甚至接近3;迎風面測點9在風向角較小時(在87.4°以內)出現(xiàn)了絕對值較大的負值,表明風以較小角度吹向建筑表面時靠近角部位置可能會出現(xiàn)絕對值較大的負壓,該負壓極值也可能是由該面突出部位對風場的擾動所引起;背風面測點3、4、5、6的極值風壓系數(shù)均為負值且分布較為均勻,而背風面測點7、8之間的極值風壓系數(shù)相差較大?？傮w而言,迎風面測點的極值風壓系數(shù)隨著風向角的變化正負值變化較大,迎風面內凹陽臺處的極值風壓系數(shù)較該面周邊測點值大許多;背風面測點的極值風壓系數(shù)基本為負值,除了角部測點,各測點值分布較為均勻。圖17為各測點極值風壓系數(shù)與最大瞬時風速之間的關系。從圖17可以看出,建筑表面的極值風壓系數(shù)的絕對值隨著風速的增大呈逐漸減小的趨勢,其中背風面的趨勢更為明顯。3.5背風面各測點值脈動風壓系數(shù)C式中:p圖18為各測點的脈動風壓系數(shù)時程,圖18結果表明,迎風面測點1、9、10、11的值較大,且脈動較大;背風面各測點的值非常小,基本在0.15以內,且變化平穩(wěn)。圖19為各測點脈動風壓系數(shù)與10min平均風速之間的關系,從圖19可以看出,除測點2、9外,建筑各面的脈動風壓系數(shù)隨著平均風速的增大呈明顯的遞減趨勢。4實測結果分析通過對臺風“鲇魚”登陸前后廈門市觀音山營運中心11號樓的風場和建筑表面風壓的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,得到以下結論:(1)根據(jù)本次實測結果,分析了沿海超高層建筑臺風風場的平均風速、風向角、湍流度和陣風因子隨時間變化的歷程,以及順風向與橫風向脈動風速譜,獲得了沿海地區(qū)超高層建筑風場湍流度隨平均風速增大變化平穩(wěn)、陣風因子隨湍流度增大而增大等規(guī)律,并且發(fā)現(xiàn)實測脈動風速譜與VonKarman譜吻合較好。(2)實測結果表明,在距離臺風登陸時刻1h以前,其風場變化劇烈,試驗樓迎風面風壓也變化劇烈,之后風場、風壓變化較為平穩(wěn)。各面內各測點的風壓相關性較強,各面之間風壓的相關性相對較弱。(3)迎風面的平均風壓較大,且部分時段的實測值大于理論計算值。背風面的實測平均風壓較小。(4)迎風面的平均風壓系數(shù)較大(有部分值超過1),迎風面角部位置的平均風壓系數(shù)較中部位置的大且脈動較大。背風面的平均風壓系數(shù)為負值且絕對值非常小,基本在-0.5以內。迎風面內凹陽臺位置的平均風壓系數(shù)較該面周邊測點小許多。當風從角