上海北外滩酒店中庭结构风洞试验

上海北外滩酒店中庭结构风洞试验 第23卷第4期 2006年12月 建筑科学与工程学报 JournalofArchitectureandCivilEngineering VolI23No.4 Dec.2006 文章编号:1673—2049(2006)04—0074—05 上海:le~b滩酒店中庭结构风洞试验 沈之容 (1.同济大学建筑工程系,上海200092; ,王之宏. 2.安诚工程顾问有限公司,上海200020) 摘要:利用风洞试验对上海北外滩酒店中庭大跨度屋盖的1:200比例模型在各种风向角下 的风压 分布情况进行了测试,研究了中庭结构在不同方向风荷栽作用下风压的变化情况.用统计方 法时 试验结果进行了分析,并与按方法计算的结果进行了比较.结果表明,对于结构正风压, 除了 立面下侧小部分外,按统计方法得到的计算值比按规范计算的值大,应作为荷载;对于 结构负 风压,按规范计算的值比按统计方法得到的计算值大,应作为设计荷载.该研究可为精确计算 风荷 载提供依据,对工程设计有较好的参考价值. 关键词:大跨度结构;围护结构;风洞试验;体型系数;风压系数 中图分类号:TU312.1文献标志码:A WindTunnelTestonAtriumStructureinShanghaiNorthBundHotel SHENZhi—rong,WANGZhi—hong (1.DepartmentofArchitecturalEngineering,Ton~iUniversity,Shanghai200092,China} 2.HyderConsultingLtd,Shanghai200020,China) Abstract:Thebehaviorofwindpressuredistributionontheatriumwithlong—spanroofof ShanghaiNorthBundHotelunderdifferentwinddirectionsanglewasinvestigatedthrougha l:200modelwindtunneltest.Thevariationsituationsofwindpressureonatriumstructure weremeasuredandstudiedunderdifferentdirectionswindload.Thetestingresultswere analyzedbasedonstatisticalmethodandcomparedwiththosebasedonthecodemethod.The resultindicatesthatmosttestingvaluesarelargerthanthecalculatedvaluesforpositivewind pressureofatrium,butsmallerfornegativewindpressure.Thelargervaluesshouldbeusedas thedesignload.Therefore,itisvitaltodeterminewindloadpreciselyforengineeringdesignof suchimportantstructuresthroughcomparinganalysis. Keywords:long—spanstructure;cladding;windtunneltest;buildingshapecoefficient;wind pressurecoefficient 0引言 上海北外滩酒店位于上海市虹口区黄浦江畔, 苏州河与黄浦江两河的交汇处.该建筑采用双子塔 形式,由两幢高125m的主楼与相连的裙楼组成.主 体结构采用框架剪力墙结构.采光中庭位于两主楼 中间,高18.8m,由于周围高层建筑较多,同时东面 又临黄浦江,中庭大跨度屋盖除受到水平方向风压 的作用,与地面有夹角的竖向风压也将对其产生一 定的影响,鉴于中国目前的《建筑结构荷载规范》L】 (GB50009—2001,以下简称规范)中没有给出这类结 构相应的体型系数,为了更加精确地计算风荷载,需 收稿日期:2005—05—30 作者筒介:沈之容(1970一),男,浙江宁波人,副教授,工学博士研究 生,E—mail:shenzhirong@mail.tongji.edu.era. 第4期沈之容,等:上海北外滩酒店中庭结构风洞试验75 要通过结构模型风洞试验确定中庭表面风压分布的 情况. 1风洞设备及测量系统 上海北外滩酒店(图1)底部中庭结构(以下简 称中庭结构)模型风洞试验是在同济大学土木工程 防灾国家重点实验室的TJ一2大气边界层风洞中进 行的.该风洞为闭口回流式矩形截面风洞,整个回 流系统呈水平布置.风洞由1台最大功率为 530kW的直流电机驱动,风速的调节和控制采用计 算机终端集中控制的可控硅直流调速系统.试验段 尺寸为宽3m,高2.5m,长15ITI.试验风速范围为 0.5,68m?s,.风洞配有自动调速,控制及数据 采集系统,浮框式六分量汽车模型应变式测力天平 及转盘系统,建筑结构模型试验自动转盘系统.转 盘的直径为3.0m,其转轴中心与试验段进口的距 离为lO.5m.流场性能良好,试验区流场的速度不 均匀性小于1,湍流度小于0.46,平均气流偏角 小于0.5.. 图1上海北外滩酒店建筑效果 Fig.1BuildingPerspectiveofShanghaiNorthBundHotel 在风洞试验中使用了两套测量系统. (1)风速测量系统 风洞试验流场的参考风速是用皮托管和微压计 来测量和监控的.大气边界层模拟风场的调试和测 定是用丹麦DANTEC公司的Streamline热线/热 膜风速仪,A/D板,PC机和专用软件组成的系统来 测量.热膜探头事先已在空风洞中明确标定.风速 测量系统可以用来测量风洞流场的平均风速,风速 剖面,湍流度及脉动风功率谱等数据. (2)风压测量,及数据处理系统 由美国Scanivalve扫描阀公司的量程分别为 士2540,土5080Pa的DSM3000电子式压力扫描 阀系统,PC机,自编的信号采集及数据处理软件组 成风压测量,记录及数据处理系统. 2试验概况 2.1试验模型和测点布置 上海北外滩酒店风洞测压试验模型为刚体模型 (图2),用有机玻璃板和ABS板制成,具有足够的 强度和刚度,在试验风速下不发生变形,并且不出现 明显的振动现象,以保证压力测量的精度.考虑到 实际建筑物和风场模拟情况,选择模型的几何缩尺 比为1:200.模型与实物在外形上保持几何相似. 试验时将模型放置在转盘中心,通过旋转转盘模拟 不同风向. 图2上海北外滩酒店试验模型(风洞中) Fig.2TestModelofShanghaiNorthBund Hotel(inWindTunne1) 在上海北外滩酒店中庭模型上总共布置了92 个测点.在中庭顶部屋面上共布置了47个测点. 在中庭的墙面上共布置了45个测点.各测点的详 细布置见图3,试验前经仔细检查,上述测压孔全部 有效. (a)项部屋面 图3上海北外滩酒店风洞试验测点布置(单位:m) Fig.3ArrangementofMeasuringPointsofWindTunnel TestonShanghaiNorthBundHotel(Unit:m) 2.2大气边界层风场的模拟 根据上海北外滩酒店周围数公里范围内的建筑 76建筑科学与工程学报2006卑 环境,按规范确定本试验的大气边界层流场模拟为 C类地貌风场.按照文献[2]的方法,以1:200的几 何缩尺比模拟了C类风场. 2.3试验工况 定义来流风沿中庭屋面中轴线吹向本工程时风 向角为0.,按顺时针方向增加.上海北外滩酒店方 位及风向角定义如图4所示.试验风向角间隔取为 15.,即试验中模拟了24个风向的作用. 2.4试验风速,采样频率和样本长度 风洞测压试验的参考点风速为12m?s,.测 压信号采样频率约为300Hz,每个测点采样样本总 长度为6000个数据.另外风压符号的约定为:压力 向内,向下为正,向外,向上为负. 2.5风洞中的参考点位置 在风洞中选取 一 个不受建筑模型 影响,离风洞洞壁边 界层足够远的位置 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 点上与参考点高度 有关但与试验风速 无关的无量纲风压 系数.试验参考点 围4模型方位及风向角 Fig.4AngleofModel OrientationandWindDirection 选在高度为1.0m处,该高度在缩尺比为1:200时 所对应的实际高度为200m. 基于各类地貌所对应的梯度风高度虽然各不相 同,但它们的梯度风速和梯度风压都相等这个原则, 在实际应用中为了使用方便,都取梯度风压为参考 风压.为此,必须把所有直接测得的风压系数换算 成以与地貌无关的梯度风压为参考风压的风压系 数.规范,大气边界层中的风速剖面以幂函数 形式表示,即 7 Vz=VG()(1) 厶G 式中:为各类地貌所对应的梯度风高度(大气边 界层高度);a为反映各类地貌地面粗糙度特性的平 均风速分布幂指数;o为梯度风速度;Vz为离地面 高度Z处的风速. 本文中给出的风压系数均是以梯度风压为参考 风压的风压系数.这样,实际应用时,将各点的风压 系数统一与实际梯度风压相乘,即为该点对应的实 际风压. 3梯度风高度的参考风速和参考风压 第2节中给出的风压系数是以梯度风压为参考 风压的压力系数.按照规范,上海市在B类地貌, 50a重现期,10m高度处,1Orain平均的基本风压为 .=O.55kPa,相应的基本风速为V.一, 一 29.71TI?S;对应于100a重现期的基本风压. 为0.60kPa,相应的基本风速为31.01TI?S,.B类 地貌对应的梯度风高度为zG=350m,a=0.16,由 此可得,梯度风速V---V.(/10)和梯度风压户. =10/2,结果见表1. 表1按规范所得的参考梯度风速和风压 Tab.1ReferenceGradientWindVelocityandWind PressureGottenfromCode 重现期/a5O100 /(m?s一)52.454.7 G/kPa1.71581.8718 注:规范中统一取p/2?1/1600t?m,. 4风压试验结果 4.1平均风压系数 在空气动力学中,物体表面的风压通常用量纲 为一的风压系数C表示,即 D—D C一二(2)0’? 式中:C为测点{处的风雎系数;P为作用在测点i 处的风压;P.和P分别为试验时参考高度处的总 风压和静风压. 4.2点体型系数 在某些结构分析软件中,必须输入规范定 义的体型系数.为了适应这一需要,笔者将第4.1节 中得到的平均风压系数,转换成各个测点的点体型 系数(为了区别规范中的体型系数,以下称为点体型 系数). 规范中规定的作用在建筑物表面上高度z第i 测点处的风荷载标准值的计算公式为 一doR(3) 式中:为高度z处的风振系数(本文中研究没有涉 及该内容);为测点i处的风荷载点体型系数; 为测点i处的风压高度变化系数,对C类风场= (350/10)..(~00/z)”}为基本风压,随重现期 的不同取不同的值(下标尺代表重现期,分别取为 50,100a).本文建筑对应于50,i00a重现期的 第4期沈之容,等:上海北外潍酒店中庭结构风洞试验77 “0R分别为0.55,0.60kPa. 根据本试验测得的各测点的平均风压系数 C.(以梯度风高度风压为参考风压),可容易地 换算得到各测点的点体型系数,即 一 CP…,(400/z).”(4) 根据式(4),可得出该项目各测点在c类风场 各个风向角下的点体型系数. 5用于围护结构设计的风压 5.1基于规范方法的结果 按照中国规范和规程口中作用在玻璃幕墙及围 护结构上的风荷载标准值计算公式为 “=0(5) 式中:为阵风系数,按中国规范采用.规范中指 出,围护结构的重要性与主体结构相比要低些,因此 用于围护结构设计的基本风压选用50a重现期的. 若选用100a重现期,则将以上50a重现期结果乘以 系数1.091即可. 对玻璃幕墙及围护结构等围护构件,应考虑到 封闭结构门窗开启或局部玻璃意外损坏的情况而导 致的内压修正].按照规范,封闭式建筑物内表 面的局部体型系数按外表面风压的正负情况取 -- 0.2或0.2.笔者在计算封闭结构部分用于围护结 构设计的风压时(包括第5.2节中的基于统计分析的 结果),据此进行了相应的修正. 由此可得到各测点在各个风向角下用于围护结 构设计的风压值.对于每个测点的风压值,分别找出 所有风向角中的一个最大值和一个最小值,分别称为 该测点的最不利正风压忉和最不利负风压(绝对 值最大负压)i,用于围护结构设计.本文中试验 各测点50a重现期的忉和值分别见图5,6. (b)前墙面 (a)顶部屋面 图5基于规范方法的5OaM现期最不利正风压 Fig.5MaximumPositiveWindPressurefor5Oa ReturnPeriodBasedonCodeMethod 5.2基于试验的统计分析结果 处于紊流场中的各测点的风压系数C是个随 机变量,因此对各测点除了得到各个风向角下的平 均风压系数C胁对所记录的数据进行概率统计 分析后,还可获得各测点各风向角下的脉动均方根 风压系数C,(以梯度风压为参考风压). (b)前墙面 (a)项邵屋囱 图6基于规范方法的5Oa重现期最不利负风压 Fig.6MaximumNegativeWindPressurefor5Oa ReturnPeriodBasedonCodeMethod 根据概率统计理论可知,各测点在某一风向来 流的作用下,其风压系数的极大值C,和极小值 CPmi可分别表示为 Cp一Cp+kCP(6) C=Cp…一愚CP(7) 式中:k为峰值因子,k?[2.5,4],本文中取愚=3.5. 对于每个测点,在所有风向角对应的C一和 C中,总可以找到一个最大的C,和一个最小的 Cp.分别称为该测点的最大极值风压系数C,和 最小极值风压系数C.得到各测点的最大(最 小)极值风压系数后,乘以梯度风高度参考风压,即 得到了各测点的最大(最小)极值风压. 各测点50a重现期的最大极值风压(基于统计方法 的最不利正压)和最小极值风压(基于统计方法的最不 利负压)分别如图7,8所示(进行了相应的内压修正). 6结语 (1)根据点体型系数得到的10min平均风荷载 是该项目整体结构设计的基本参数. (2)对于结构正风压来说,除了立面下侧小部分 外,按试验统计方法得到的计算值比按规范方法计 算的值为大,应作为设计荷载. (3)对于结构负风压来说,除了立面边角小部分 外,按规范方法得到的计算值要比按试验统计方法 得到的计算值大,应作为设计荷载. (4)由于本文试验是在目前的周边环境下进行 78建筑科学与工程学报2006生 (b)前墙面 (c)后墙面 (a)顶部屋面 图7基于统计方法的50nI现期最大极值风压 Fig.7MaximumExtremumWindPressurefor50a ReturnPeriodBasedonStatisticsMethod (b)前墙面 (c)后墙面 (a)项部屋回 图8基于统计方法的50a重现期最小极值风压 Fig.8MinimumExtremumWindPressurefor50a ReturnPeriodBasedonStatisticsMethod 的,因此严格地讲,所得到的风荷载只在此周边环境 状况下才是正确的.当周边环境有较大改变时,风 荷载分布也将发生变化,在设计时还要考虑这种潜 在因素可能产生的影响. 参考文献: References: [1]GB50009—2001,建筑结构荷载规范Es]. GB50009—2001,CodeforBuildingStructureLoad[S]. E2I黄鹏,全涌,顾明.TJ一2风洞大气边界层被动模 拟方法的研究EJ].同济大学学报:自然科学版,1999, 27(2):136—14O. [3] [4] [5] [6] [7] [8] HUANGPeng,QUANYong,GUMing.Researchof PassiveSimulationMethodofAtmosphericBoundary LayerinTJ一2WindTunnel[J].JournalofTon~iUni— versity:NaturalScience,1999,27(2):136—140. CECS127:2001,点支式玻璃幕墙工程技术规程Is]. CECS127:2001,CodeforEngineeringTechnologyon GlassineWallofPointSupportType[S]. 武岳,陈波,沈世钊.大跨度屋盖结构等效静风荷 载研究[J].建筑科学与工程学报,2005,22(4):27—31. WUYue,CHENBo,SHENShi—zhao.ResearchonE— quivalentStaticWindLoadingsofLarge-SpanRoof Structures[J].JournalofArchitectureandCivilEngi— neering,2005,22(4):27—31. 沈蒲生,刘杨.水平地震作用下框支剪力墙结构的变 形研究[J].建筑科学与工程学报,2005,22(1);58—63. SHENPusheng.LIUYang.DistortionResearchof ShearWallStructureSupportedonFrameUnder EarthquakeActions[J].JournalofArchitectureand CivilEngineering,2005,22(1):5863. 楼文娟,卢旦,孙炳楠.风致内压及其对屋盖结构的 作用研究现状评述EJ].建筑科学与工程学报,2005,22 (1):76—82. IOUWen-juan,LUDan,SUNBing-nan.Reviewof Wind—InducedInternalPressureandItsEffectson RoofStructures[J].JournalofArchitectureandCivil Engineering,2005,22(1):76—82. 周庆,邹银生.现浇混凝土空心楼盖受力特性研究 [J],建筑科学与工程学报,2005,22(4)t57—60. ZHOUQing,ZOUYin—sheng.ResearchonForceRe— sistancePropertiesofCast--in--SituHollowConcrete FloorEJ].JournalofArchitectureandCivilEngineer— ing,2005,22(4):57—60. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室.上海北外滩 中庭风荷载试验研究[R].上海:同济大学,2005. StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivil EngineeringofTongjiUniversity.StudyofWindLoad TestonAtriuminShanghaiNorthBundHotel[R]. Shanghai:TongjiUniversity,2005.