基于风洞试验的建筑刚体焊缝内风压分布特性研究

基于风洞试验的建筑刚体焊缝内风压分布特性研究

1分风洞试验法本试验中，位于美国州首府迈德罗米城13号线。这是一个临海建筑，所有房屋的高度为22.68米。该建筑物共6层,其中1～2层是停车场,为半开敞结构,东立面为居民及汽车出入口,南立面1层开洞,为停车场提供通风采光作用。开洞处安装了竖向栅格以使建筑美观,并起到遮阳等作用。2层以上由两栋结构独立并相互接近的建筑组成,建筑物之间形成一条夹缝。其中建筑西侧又于第5、第6层从主建筑上悬挑出一悬臂结构。该建筑的周围环境并不复杂,除建筑的西北方位有一栋高层建筑外,其余几侧均稀疏地分布着低层建筑。建筑外型见图1。该建筑所处的佛罗里达州濒海地区为飓风和龙卷风多发地带,其基本风速较大(当地50年重现期、10m高度处、3s时距平均的基本风速为65.25m/s,相当于我国10min时距的平均基本风速为43.50m/s),建筑外部的围护结构经常遭受风灾而破坏。而该低层民居在外形上具有明显复杂性,其2层以上建筑物间过于接近所形成的夹缝以及悬臂结构均有可能改变局部风场特性,更易造成潜在的围护结构不安全因素。在美国,对飓风区10层以上或非飓风区22～25层以上的建筑、或形状独特的建筑、或周围环境复杂的建筑、或需要对工程的费用和安全性作优化处理的建筑,一般都需要进行风洞试验。所以,针对该建筑的特点,采用风洞试验能得到准确的围护结构设计风压;另一方面,作为结构设计的水平控制荷载,风荷载的精确计算也能起到节约造价和提高安全性的作用。本文结合该建筑的刚体模型风洞试验,研究了建筑夹缝在风场作用下的风压分布特性,并对可能影响夹缝内风压分布的因素做了进一步的探讨。2试验内容和设备2.1试验模型与试验工况该小高层风压风洞测压模型是一个刚体模型,用4mm厚的有机玻璃材料制成,具有足够的强度和刚度,在13m/s的试验风速下不发生变形,从而保证风压测量的精度。考虑到实际建筑物的大小,选择模型的几何缩尺比为1/60,使模型在风洞中的阻塞度满足8%的上限。模型与实物在外形上保持几何相似。试验时将模型放置在直径为2.8m的转盘中心,通过旋转转盘模拟不同风向。由于建筑外形在设计上具有不规则性,试验中除在模型四周外立面、屋顶、开放墙和女儿墙外布置了测点外,还在1～2层的半敞开式停车场内部墙面、建筑物夹缝内的立面及建筑悬臂结构部分下表面也均布置了风压测点。以求获得关于该模型全面的风压数据。其中开放墙和屋顶上在其内外表面均布置测点,以测试其内外表面的合力,试验模型见图2。试验在同济大学土木工程国家防灾重点实验室风洞试验室的TJ-2大气边界层风洞中完成。TJ-2大气边界层风洞为闭口回流式矩形截面风洞,整个回流系统水平布置。风洞试验段宽3m、高2.5m、长15m。风速范围从1.0～68m/s,且连续可调。试验参考点风速为13m/s,参考点高度H=1.0m。采样频率为300Hz,采样时间为20s,每个风压系数采样样本为6000个数据。测压风向角从0°～360°,每隔15°为一个工况,共24个工况。0°～360°风向角的定义见图3,各工况的风向角按顺时针递增。2.2大气边界层流场试验综合考虑了建筑物周边2km范围内的环境和地形,并根据文献中6.6.2节条文的规定模拟了美国C类地貌风场下的大气边界层流场,其风速剖面指数αˆα^为0.105,梯度风高度Zg为274m(900ft),结构0.6倍建筑高度13.608m(45ft)处的紊流度I为0.189。风洞实测风剖面及紊流度见图4和图5。2.3净风压时域数据分析模型表面各测点压力系数可按式(1)计算:Cpi=(Pi-P∞)/(P0-P∞)(1)式中Cpi为模型表面测点i的压力系数,Pi为作用在测点i处的压力,P0和P∞分别是试验时参考高度处的总压和静压。试验中,对于开放的墙、楼板和屋顶,其内外表面均暴露在空气中,其上的实际压力是各测点处内外表面上的净压差,因此需对测压点内外表面同步测压所获得的测点对的两个时域信号进行相减,得到该测点处的净风压时域信号,再对其进行统计分析。内外表面同步测量的各对测压点上的净压力系数按式(2)计算:Cpi(Piu−Pid)/(12ρU2∞)Cpi(Ρiu-Ρid)/(12ρU∞2)(2)式中Piu为作用在测点i处的外表面压力,Pid为作用在测点i处的内表面压力。为便于应用,再将按(1)、(2)式计算所得各测点压力系数按式(3)换算为与地貌无关的以梯度风压为参考的风压系数:CP(ZrZg)2αˆCP,rCΡ(ΖrΖg)2α^CΡ,r(3)式中Cp,r为以参考高度风压为参考风压的风压系数。试验中,约定压力沿建筑物表面外法向指向建筑表面时为正风压,反之为负风压。此外,试验测得的各测点的风压系数Cpi是个随机变量,本文对试验中所记录的数据进行了统计分析,得到了各测点在24个风向角下的以梯度风压为参考风压的平均压力系数CPmean(静压系数)和均方根风压系数CPrms(脉动压力系数),以描述风压分布特性。3试验结果的分析3.1结构上的风压系数图6和图7分别为建筑模型斜视图和夹缝两侧立面布置的测点位置及其编号。两侧立面3～6层楼每层各均匀布置三个测点,以测定各个风向工况下的风压系数。图8给出了0°至345°风攻角下夹缝两侧立面每个测点的风压系数曲线图。该系列曲线显示,无论作用在建筑模型上的风场风攻角如何变化,在夹缝两侧围护结构上引起的风压系数总表现为负值。即夹缝在风场内总是处于负压状态。根据建筑的外形特点判断,当风从相对宽敞的空间流经A、B立面形成的夹缝时,为了保证气流流量的顺畅性,风会在夹道内发生突然的加速。根据流体力学中的伯努利定理,空气流速越大,则压力越低,即形成的负压绝对值越高。3.2风压系的数值特征由于该建筑模型的夹缝为东西走向,即与270°风攻角方向平行,结合该建筑平面图的设计特点,本文主要在270°至0°风攻角工况下考察夹缝内壁的风压分布特点。表1在A、B立面的每个楼层各选取一个代表点并列出了270°至0°风攻角下测得的风压系数值。观察表1,发现各测点风压系数值在该风攻角范围内的绝对值均呈现出单个波峰形状,从270°至大致315°时各点风压系数绝对值逐渐增大并达到最大值,而后又回落逐渐减小。通道内未列于此表内的其它测点也均表现出相同的数值曲线特点。315°风攻角恰与夹缝入口处的A、C立面夹角平分线平行。结合建筑平面特点,造成315°时风压系数绝对值达到波峰的原因在于A、C立面在夹缝入口形成一个漏斗的杯口形状,风攻角为315°时,涌向入口的空气流量比其它工况都要大,为保持流经通道的流量保持稳定,风速变化梯度也达到最大值,从而导致通道内壁风压系数绝对值达到波峰。3.3有藻类作用的风压分布由于该建筑模型的不规则外形设计,当楼层达到第五层之后,建筑物西侧由主建筑自南而北伸出一悬空结构,距离夹缝较近且具有较大体积,成为进入5、6两层夹缝通道的气流上游的障碍物。从而有条件观察当气流上游有障碍物时,对夹缝内壁风压分布的影响。根据障碍物的位置,选取270°风攻角工况进行考察。图9为270°风攻角下A、B立面3～5层各测点风压系数分布图,其中3层及4层的气流上游没有障碍物阻挡,位于第5层的夹缝通道口前有悬壁结构障碍物。由风压系数分布图可见,由于障碍物对气流的阻碍作用,通道内壁负压效应明显减少。第5层风立面的风压系数绝对值尚不及第3、4层相应位置风压系数绝对值的50%。可见夹缝上游存在障碍物时,由于气流受到明显干扰,流向入口的风速和流量受到限制,夹缝内的负压效应大大减弱。3.4通道壁风压系数沿高度变化曲线图10是由A、B立面上每一个楼层上相同位置测点系列绘出的风压系数沿高度变化曲线。W3-7、W4-7、W5-7、W6-7四点组成测点系列7,以此类推,分别做出了测点系列7至测点系列12在270°、315°、345°及0°四个风攻角工况的比较研究。从图10的曲线可以观察到,270°及315°下,通道内壁风压系数沿高度变化曲线比较凌乱,呈现出风压系数值下大上小的特点,其中270°风攻角下第5层风压系数绝对值明显小于第3、4层,而到315°风攻角时这种数值上的差距有所改善。这也从直观上反应了夹缝入口上游存在障碍物对通道内壁风压分布的影响。当风攻角大于315°后,随着气流上游障碍物影响的消失,内壁风压系数沿高度变化曲线呈现出类似于风速剖面的曲线。这是因为建筑所处风场本身沿高度方向便具有一个速度剖面,当风攻角从大于315°的角度吹向模型时,由于没有了上游障碍物的阻挡,经过夹缝加速后,气流速度剖面沿高度方向仍保持了原来的曲线形状。从风速剖面曲线和通道内壁风压系数曲线的形似,可以得出以下结论:流入夹缝的来流初始速度与其在通道内壁上所引起的负压绝对值成正比例关系。4夹层内产生负压(1)建筑物过于接近形成的夹缝会使其两侧围护结构在风场中始终处于负压状态,且入口附近局部立面形成较高负压,造成对维护结构的不利影响。(2)夹缝内立面负压绝对值大小与入口风量及风速成正比例关系。流向夹缝的风量越大,