24双层玻璃幕墙风压分布特性的试验研究

1、第!卷 第#期建 筑 结 构年#月$%双层玻璃幕墙风压分布特性的试验研究（同济大学土木工程防灾国家$%&$）提要 根据某金融的双层玻璃幕墙，制作了缩尺比为(%的大比例节段模型和%的整体模型，分别进行风洞试验。试验表明，外层幕墙的内侧面压力和内层幕墙的外侧面压力几乎相等；当通风口打开或一半打开时，外层幕墙的净风压很小，内层幕墙风荷载与单层幕墙几乎相等；当通风口封闭时，外层幕墙的风荷载与单层幕墙的相近，而内层幕墙的压力很小。 双层玻璃幕墙 风压分布 风洞试验!#$%&$()*+,)-./0(1&(.20*.03*40-5+$6+*7$.8*9*.$:)*+,-.，/*0-.12-.（3404252

2、67089:049:6;9:,=B,C,DE-.,-22:,-.，F9-.G,H-,C2:=,46，3I0-.I0,$%&$，BI,-0）0=42:?2*A4,9-,-;5:)%*9)：FJ9K92D=9;0:20D=*L2:I,.I:,=28*,D,-.J,4I9*8D2.D0M2;0A02=，0=2.K2-4K92D9;N(%=A0D20- 0-JI9D2K92D9;N%=A0D2，0:242=42,-0J,-4*-2DOFI2:2=*D4=I9J4I044I2J,-L:2=*:29;,-2:=*:;0A29;9*4=,2.D0M2,=0DK9=42P*0D494I049;9*42:=*:

3、;0A29; HYPERLINK mailto:%2C-%3D%2C2.D0M2 ,-=,2.D0M2；JI2-4I20,:,-40Q2=9L2-9:I0D;9L2-，4I2L*:2J,-L:2=*:29;9*4=,2.D0M2,=C2:6=K0DD0-4I2J,-L:2=*:29;,-=,2.D0M2,=0DK9=42P*0D494I049;=,-.D2.0M2;0A02；JI2-4I20,:,-40Q2=AD9=2，4I2J,-L:2=*:29;9*4=,2.D0M2,=0DK9=42P*0D494I049;=,-.D2.0M2;0A02，0- 4I2L:2=*:29;,-=,2.D0M2

4、,=C2:6=K0DDO以一栋有双层玻璃幕墙的方形平面层建筑为对象，制作了几何缩尺比为(%的大比例节段模型和%的整体模型，分别进行了风洞试验。大比例模型试验可较容易实现对外层幕墙内侧表面的压力测量，得出的风压分布规律可与整体模型结果相印证。试验中在(%大比例模型的外层幕墙外侧、内侧和内层幕墙外侧的同一投影位置处布置了测点对。实测表明，(%，%比例模型试验结果基本相同。建筑布置与试验设备?图 建筑西立面、平面简图及双层幕墙体系和风向示意图板透风率为T%U。图$给出了该双层玻璃幕墙一个单元（!个楼层）进出风口及测点的细部布置。风洞测压试验在同济大学土木工程防灾国家重点风洞试验室的 FV! 大气边界

5、层风洞中进行。该风洞是一座竖向回流式低速风洞，试验段尺寸宽该位于毗邻黄浦浦东陆家嘴国际金融贸易区内，楼为方形截面，总高度为R%K，边长约为(RK，其西立面、平面简图及双层幕墙体系和风向示意见图。的东、南、北立面的外覆层采用的是普通的单层玻璃幕墙，而在西立面的$!#%K 高度范围内采用了双层玻璃幕墙。该双层玻璃幕墙以每!个楼层（层高(SK）为一个单元。在第个楼层外表面设有高%S!K 的进风口，在上面第!个楼层则设有高%S!K 的出风口。进、出风口的打开率可根据季节的不K、高$K、长(K，试验风速范围从%S$!TS#K=连续可调。压力测量和由3A0-,C0DC2扫描阀公司的 3+!%电子式压力扫描

6、阀系统、1B机以及自编的信号及数据处理完成。在风洞中同进行调节。双层玻璃幕墙宽%S#K，每层间的楼R#选择了一个不受建筑模型影响、且离风壁边界层各测点的压力用无量纲压力系数! 表示：.足够远的位置作为试验参考点，在该处设置了一根皮托管来测量参考点风压，用于计算各测点上与试验风速无关的无量纲风压系数。$ $/（ ）!.#%&! /式中! 为测点处的压力系数；$ 为作用在测点处.的压力；$/ 是试验时参考皮托管处的静压；! 为空气密度；/ 是参考皮托管处的风速。压力系数向内为正，向外为负。由于风洞风场中平均风速沿高度方向不变，各测点的平均压力系数即相当于该测点的体型系数。通风口全开启时，不同风向角

7、下各测点的平均风压系数见表#（限于篇幅，仅给出了部分结果）。从表#可见，外层幕墙内侧和内层幕墙外侧同一投影位置测点的平均压力系数几乎相等（最大的差别也在0%1%*以内），这表明可以用内层幕墙的外压来代表外层幕墙的内压。将外层幕墙外侧测点的压力系数减去同一投影位置处内侧测点的压力系数，即得到作用于外层幕墙上的净风荷载。由表#可见，外层幕墙内侧测点的压力和外层幕墙外侧对应点处的平均压力系数比较接近（仅模型边缘处测点压力有些差别）。这样，通风口全部打开时，外层幕墙的净风压绝对值较小，而内层幕墙上的风荷载相对较大。图! 双层玻璃幕墙的细部布置（个楼层，实际尺寸）大比例节段模型试验为了仔细研究西立面双层

8、玻璃幕墙的风压分布特性，沿建筑高度方向截取了个楼层，进行了几何缩尺比为#$%的大比例节段模型试验。模型用有机玻璃板制成，并在上下底面配有端板（图&）。根据个楼层模型的特殊情况，试验近似模拟了个楼层间的风场：平均风速沿高度方向基本不变；湍流度为#。以来流风垂直吹向建筑西立面（双层玻璃幕墙）时定义为%(风向角，按顺时针方向增加（见图#）。只选取了几个典型的工况，即风向角共有)个，分别为%(，!%(，$%(，*%(，)%(，!+%(，&%(，&!%(和&$%(。除了在通风口全开启的情况下进行了试验，还做了模拟通风口开启一半的试验。考虑到对称性，仅在模型的一半表面上布置了测点，共布置了 层。试验前，初

9、步判定通风口开启时，外层幕墙内侧和内层幕墙外侧同一投影位置处的风压值相等。为了验证这一判断，在外层幕墙内侧和内层幕墙外侧的同一投影位置处布置了测点对。这样，在模型西立面外层幕墙外侧、外层幕墙内侧和内层幕墙外侧的同一投影位置处布置了测点对，总共有#,%个测点。各测点的详细位置见图!。!图$ 外层幕墙内侧和内层幕墙外侧同一投影位置两个测点的压力系数时程曲线除了平均风压系数，还应测点压力系数时程变化的情况。以测点,为例（位置见图!），通风口全开启时，该位置处外层幕墙内侧和内层幕墙外侧两个测点的压力系数时程曲线见图$。由图可见，两个测点的压力系数曲线几乎重合。这确认了上述结论，即可用内层幕墙的外压来代

10、表外层幕墙的内压。通风口开启一半时，各测点的平均风压系数与通风口全开启时的结果类似。整体模型试验有周边建筑气动干扰的情况除了进行#$%的大比例节段模型试验外，还在风&1#洞中进行了#%的整体模型试验。模型用有机玻璃板 制成（ 图），具有足够的强度和刚度。试验时将模)*图& 风洞中的大比例节段模型（#-$%）层，每层布置个（最低一层为#个），外层幕墙和内!*层幕墙总共布置了!#个测点（图!）。各测点的压力同样用无量纲压力系数! 表示。将各测点的! 进44行统计平均即得各测点的平均风压系数! 。为了比4较不同风场下的试验结果，将平均风压系数! 换算为4点体型系数 （为区别建筑结构荷载规范$中的体5

11、型系数，这里定义为测点 的点体型系数），即：5（ ）（）! $ $546 式中为参考皮托管的高度，为测点 的高度， 为$!6风速剖面指数。图% 风洞中的整体模型（!.!%*）图& 金融周边主要建筑和风场分布图型放置在直径为$/(0 的木制转盘中心，通过旋转转盘模拟不同风向。根据委托方提供的有关资料，模拟了周边的主要建筑，以考虑风荷载干扰效应（图&）。试验中风向角间隔取为!*+，共有#&个风向，风向角定义与大比例节段模型相同。根据金融周围数公里范围内的建筑环境，试验的大气边界层流场模拟为1类和2类地貌风场，其中从黄浦江方向吹来为1类风场，从其他方向吹来为2类风场。按照文#的方法，模拟了1类（平均

12、风速剖面指数!*/!&）和2类风场（!*/#*）。由于小比例整体模型中双层玻璃幕墙之间的间距仅$00，测量外层幕墙内侧表面压力的测点很难布置。从前述大比例节段模型试验的结果可知，外层幕墙内侧和内层幕墙外侧测点的风压值十分接近，因此可用内层幕墙的外压来代表外层幕墙的内压。故在整体模型的双层玻璃幕墙部分，仅在外层幕墙外侧和内层幕墙外侧的同一投影位置处布置了测压点。测点分图 同一投影位置测点对的点体型系数随风向角变化曲线不同风向角下各测点的平均风压系数（!#大比例节段模型，通风口全开启）表!*风向角分属层面点号!#$%&()!*!*+外层幕墙外侧外层幕墙内侧内层幕墙*,$*,!*,&*,&)*,)*

13、,(*,(!*,)*,%*,(*,(*,($*,()*,(*,(%*,)*,)!*,(*,)*,)!*,(%*,)(*,)%*,)$*,)*,)%*,)#*,)*,)&*,)#*,)&*,)%*,)*,)(*,)(*,)$*+外层幕墙外侧外层幕墙内侧内层幕墙*,)(*,)!*,)*,)&*,)*,)*,)*,)!*,)!*,(*,(#*,(&*,(%*,(*,(*,(*,(*,(!*,)*,(*,(!*,&*,&*,&*,$*,&*,&*,*,*,*,*,!*,!*,&(*,&*,&)*+外层幕墙外侧外层幕墙内侧内层幕墙*,)*,)$*,)$*,)!*,)$*,)$*,)$*,)#*,)!*,

14、)*,)!*,)!,*!*,)#*,)!,*!*,)*,(&*,)(*,)*,(&*,)*,(*,*,(*,(!*,(*,!*,&$*,&*,&*,&*,&$*,%*,%*,%$*+外层幕墙外侧外层幕墙内侧内层幕墙*,#*,$*,&*,*,%*,(*,*,$*,)*,!)*,#*,)*,*,%*,#*,*,(*,#$*,!*,)*,#%*,!(*,#*,#(*,!*,#!*,#*,!*,#&*,$*,*,#)*,$*,)*,$*,%#*+外层幕墙外侧外层幕墙内侧内层幕墙*,!$*,!%*,!%*,*,#*,#*,*,#*,!)*,#*,#%*,#*,#&*,#$*,#*,$!*,$*,$*,$

15、(*,$#*,#*,%#*,%!*,$(*,%#*,%!*,$(*,%)*,%&*,%*,%(*,%&*,%*,&*,&$*,%)图! 建筑典型截面各测点的点体型系数（高#$%&，(类风场）根据上述公式，计算得到了)个高度上外层幕墙和内层幕墙各测点在)*!+,)*范围内的点体型系数。%#&（内层幕墙），而单层幕墙的最不利风向也在相应的)*（由于结构对称，)*风向角和#!)*风向角时结构相对形状完全相同），其值也是 %#,。从图!同样可见，除了在边缘位置外，双层幕墙的内层幕墙的风压与外层幕墙外侧的风压很接近，与前述结论一致。除了在双层玻璃幕墙通风口全开启的情况下进行了试验，还研究了通风口全封闭的

16、情况。此时，外层幕墙的风荷载特性和普通（单层）玻璃幕墙的风荷载特性相近，而内层幕墙的压力则为零。同时，试验结果还表明，通风口开启或关闭，外层幕墙外侧所受的风压几乎没有变化。限于篇幅，这部分结果从略。限于篇幅，仅选取代表性高度&-%+，$#%.和-+%,，中间和边缘位置的部分测点对的结果，见图.。各个测点对的点体型系数随风向角变化的试验结果表明，在整个双层玻璃幕墙高度范围，中间位置的各测点对（如图中的测点对#!,，$!+和,!#)），外层幕墙外侧和内层幕墙外侧同一位置的两个测点的风压很接近。根据前述大比例节段模型试验结果，可用内层幕墙的外压来代表外层幕墙的内压，这样外层幕墙的净风压绝对值很小（几

17、乎为零），而内层幕墙上的风荷载较大。而在边缘位置的各测点对（如图中的测点对，.，!，-，&和#），在部分风向下，外层幕墙外侧和内层幕墙外侧的两个测点的风压有一定差别，这与在建筑边缘处气流分离效应有关。这一点也与大比例模型试验中边缘处外层幕墙外侧测点压力和内层幕墙测点压力有差别的结果一致。上述表明，通风口开启时，对双层幕墙的内层幕墙而言，其平均风荷载与通风口全封闭时的外层幕墙和其它单层幕墙几乎一致，没有折减。结语（）-)!的大比例节段模型的试验结果表明，外层幕墙的内侧面压力和内层幕墙的外侧面压力几乎相等，因此可以用内层幕墙的外压来代表外层幕墙的内压。（#）大比例节段模型和&)的小比例整体模型试验

18、均表明，当外层幕墙通风口全部打开以及打开一半时，外层幕墙的净风压绝对值很小，而内层幕墙上的风荷载则较大，其平均风荷载与通风口全封闭时的外层幕墙和其它单层幕墙几乎相等。当通风口全部封闭时，外层幕墙的风荷载特性和普通（单层）玻璃幕墙的风荷载特性相近，而内层幕墙的压力则很小。（+）给出的风压分布规律对其它的双层玻璃幕墙具有较大的参考价值。从上述可知，当通风口开启时，在整个双层玻璃幕墙高度范围，外层幕墙上的平均风荷载绝对值很小，而内层幕墙上的平均风荷载较大。无周边建筑的情况上述研究中，考虑了周边建筑的气动干扰的影响并且采用了两个地貌流场，不便于比较双层幕墙部分（西立面）和其它普通单层幕墙（东、南、北立面）均在最不利风向下的风荷载。考虑到这一情况，在风洞中还进行了去掉周边建筑，并在 ( 类风场中进行了)*!+,)*风向范围（风向角间隔仍取)*）的整体建筑模型风洞试验。对本正方形截面建筑，绝对值最大负压在正迎风方向偏)*时发生。选取#$%& 高度截