楊肖悅，秦瑋峰，柯延宇，謝霽明

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058)

由漩渦脫落引起的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向響應(yīng)是高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中面臨的主要難題。通過(guò)改變建筑物截面形狀或整體造型的氣動(dòng)優(yōu)化措施(例如角部修正[1-2]、扭轉(zhuǎn)[3]、錐度化[4-5]、開(kāi)洞[6-8]等)已被證實(shí)能有效減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)。然而大多數(shù)氣動(dòng)優(yōu)化方案往往會(huì)對(duì)建筑外形與空間效率帶來(lái)不利影響[9]，這也是氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中遇到的最大挑戰(zhàn)。因而優(yōu)良的氣動(dòng)優(yōu)化方案不應(yīng)當(dāng)僅局限于空氣動(dòng)力學(xué)方面的效率，也應(yīng)當(dāng)考慮如何將氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與建筑物的其他性能化設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)“一舉多得”的方式，實(shí)現(xiàn)高效率的設(shè)計(jì)一體化“Integrated design”。

作為建筑可持續(xù)化的一部分，建筑物的節(jié)能低碳指標(biāo)正得到日益重視。據(jù)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)建筑和氣候組織(UNEP-SBCI)的資料[10]，全球溫室氣體排放中約1/3來(lái)自于建筑物，建筑物的能耗占全球總量約40%，而這其中建筑覆面是影響建筑能耗最大的因素。在這一共識(shí)下，近幾十年來(lái)建筑覆面的相關(guān)技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，特別是促進(jìn)了雙層幕墻系統(tǒng)與遮陽(yáng)系統(tǒng)的研究[11-12]。

圖1所示的新型建筑覆面稱(chēng)為“鏤空雙層幕墻系統(tǒng)”(porous double skin fa?ade system，簡(jiǎn)稱(chēng)“porous DSF”)，由內(nèi)玻璃幕墻與外鏤空墻組成，且兩者之間存在一定空隙。鏤空雙層幕墻系統(tǒng)不但具有建筑美學(xué)功能，還具有遮陽(yáng)作用，能改善建筑能耗指標(biāo)，柔化室內(nèi)自然照明，消除室外眩光，減少城市光污染，因而得到日益重視與普及。

圖1 鏤空雙層幕墻系統(tǒng)Fig.1 Porous double skin fa?ade system

顯然，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)使氣流在建筑表面的繞流過(guò)程發(fā)生了變化，從而將改變建筑物的氣動(dòng)特性。目前研究主要關(guān)注鏤空雙層幕墻系統(tǒng)對(duì)于幕墻風(fēng)壓的影響[13-14]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[15-16]鏤空雙層幕墻能有效降低玻璃幕墻的覆面正負(fù)風(fēng)壓達(dá)40%左右，而對(duì)其中的最大負(fù)風(fēng)壓則能降低63%左右。鏤空雙層幕墻系統(tǒng)除了影響建筑表面風(fēng)壓，也勢(shì)必會(huì)影響氣流分離與渦脫強(qiáng)度，進(jìn)而弱化建筑物的橫風(fēng)向風(fēng)振，但相關(guān)工作則報(bào)道不多。在建筑迎風(fēng)面上設(shè)置豎向開(kāi)槽的雙層幕墻風(fēng)洞試驗(yàn)可以認(rèn)為是與此較為接近的研究工作[17]。結(jié)果表明迎風(fēng)面上設(shè)置豎向開(kāi)槽的雙層幕墻可以有效減低橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)，但對(duì)順風(fēng)向響應(yīng)的作用則可以忽略不計(jì)。

本文對(duì)具有鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的高層建筑抗風(fēng)性能進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)律性研究，探討將該類(lèi)建筑覆面用于結(jié)構(gòu)氣動(dòng)優(yōu)化的可能性。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的覆蓋面積與覆蓋位置對(duì)抗風(fēng)效率的影響，并考察不同風(fēng)速情況下的減振效率，此外還對(duì)不同周邊場(chǎng)地情況的影響做了分析。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

以一實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，制作了1∶400比例的縮尺模型，并在浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室(試驗(yàn)段尺寸為4 m寬×3 m高)中完成高頻測(cè)力天平試驗(yàn)。通過(guò)高頻基底天平測(cè)得建筑模型上的平均風(fēng)荷載與脈動(dòng)風(fēng)荷載，然后與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)相結(jié)合，求解隨機(jī)振動(dòng)方程，最后得到風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)。建筑物足尺高度374 m，截面為邊長(zhǎng)52 m的正方形，高寬比約為7.2，阻塞率約為1%，滿(mǎn)足要求。由于建筑物中上部的氣動(dòng)力對(duì)一階廣義力和風(fēng)振響應(yīng)的貢獻(xiàn)最大[18]，所以試驗(yàn)僅在上部約1/3處(120 m)模擬了鏤空雙層幕墻系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)外墻之間距離5 m(足尺)，內(nèi)墻密閉，外墻鏤空。鏤空部分參考了工程項(xiàng)目中外玻璃幕墻尺寸，設(shè)置為高3.5 m(典型層高)寬2 m的洞口，等間距排列，鏤空率為43.75%。圖2為模型的風(fēng)洞試驗(yàn)照片。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)Fig.2 Wind tunnel test

為了研究鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的覆蓋面積與覆蓋位置對(duì)抗風(fēng)效率的影響，在模型上通過(guò)對(duì)洞口的封堵實(shí)現(xiàn)無(wú)鏤空幕墻、上部1/6鏤空、下部1/6鏤空、角部鏤空、上部1/3鏤空5種工況，詳見(jiàn)表1與圖3。

表1 工況說(shuō)明Tab.1 Configurations of working conditions

圖3 工況細(xì)節(jié)Fig.3 Details of working conditions

1.2 流場(chǎng)設(shè)置

利用尖劈、粗糙元等在風(fēng)洞中模擬測(cè)試了開(kāi)闊的A類(lèi)地貌與城市的C類(lèi)地貌。兩種地貌的平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面及2/3樓頂高度(60 cm)順風(fēng)向歸一化湍流功率譜見(jiàn)圖4、5。圖5中n為頻率，Su為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜密度，σ為脈動(dòng)風(fēng)速均方根，Lu為湍流積分尺度，U為該高度平均風(fēng)速。

試驗(yàn)中參考點(diǎn)風(fēng)速為8 m/s，雷諾數(shù)接近7×105。測(cè)試0°到90°以10°為間隔的10個(gè)風(fēng)向角，同時(shí)考慮到風(fēng)荷載在0°風(fēng)向角附近變化較為劇烈，增加風(fēng)向角為5°時(shí)的測(cè)試，共11個(gè)風(fēng)向角。天平采樣頻率500 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)90 s。風(fēng)洞試驗(yàn)坐標(biāo)軸定義見(jiàn)圖6，與結(jié)構(gòu)振型坐標(biāo)軸保持一致，圖中α代表風(fēng)向角。為方便描述，文中將A類(lèi)地貌下的5種工況分別記為A1～A5，C類(lèi)地貌下的5種工況分別記為C1～C5。

圖4 平均風(fēng)速剖面與湍流度剖面Fig.4 Mean wind speed profile and turbulence profile

圖5 60 cm高度處順風(fēng)向湍流功率譜Fig.5 Along-wind turbulence spectra at 60 cm height

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)坐標(biāo)軸定義Fig.6 Coordinate system definition of wind tunnel test

2 結(jié)果分析

為使研究結(jié)果具有一定的普適性，本文采用無(wú)量綱約化值的方式表達(dá)氣動(dòng)特性與風(fēng)振響應(yīng)。無(wú)量綱分析是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的一項(xiàng)基本技術(shù)，可以減少分析中不必要的物理量假設(shè)，突出空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響，從而便于利用相似性原理演繹分析結(jié)果，對(duì)同類(lèi)結(jié)構(gòu)具有直接參考價(jià)值。

2.1 鏤空雙層幕墻對(duì)氣動(dòng)力的影響

無(wú)量綱基底剪力系數(shù)與傾覆力矩系數(shù)分別定義為：

(1)

(2)

式中：Fx，F(xiàn)y，Mx，My分別代表風(fēng)洞試驗(yàn)得到的x方向與y方向的基底剪力與傾覆力矩，ρ為空氣密度，UH為模型樓頂高度平均風(fēng)速，B與H為模型迎風(fēng)面的寬度和高度，見(jiàn)圖6。

圖7為A1～A5在各風(fēng)向角下基底剪力系數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。平均值在0°風(fēng)向角下達(dá)到最大正值，在80°風(fēng)向角下出現(xiàn)較小的負(fù)值。在90°風(fēng)向角時(shí)為0。與工況A1相比，A5會(huì)略微增大0°風(fēng)向角下基底剪力系數(shù)的平均值，但增幅在4%以?xún)?nèi)，因此可認(rèn)為平均基底剪力幾乎不受鏤空幕墻覆蓋面積的影響。在橫風(fēng)向風(fēng)振最劇烈的90°風(fēng)向角下，鏤空幕墻能明顯降低模型基底剪力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。其中A2與A5效果最好，與A1相比均能使基底剪力標(biāo)準(zhǔn)差降低約25%。A3對(duì)于基底剪力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的降低作用在15%左右，A4則在10%左右，效果相對(duì)較弱。從圖7可看出最不利風(fēng)向角正對(duì)建筑立面，即0°和90°風(fēng)向角。由于模型對(duì)稱(chēng)，后續(xù)結(jié)果均以0°風(fēng)向角下的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖7 基底剪力系數(shù)Fig.7 Base shear coefficients

2.2 鏤空雙層幕墻建筑氣動(dòng)力頻譜特性

圖8給出各試驗(yàn)工況下順風(fēng)向與橫風(fēng)向無(wú)量綱傾覆力矩譜。圖中橫坐標(biāo)采用約化頻率fB/UH，頻率f為變量，縱坐標(biāo)采用式(2)定義的基底傾覆力矩系數(shù)的功率譜fS。不同覆蓋面積的鏤空雙層幕墻對(duì)順風(fēng)向傾覆力矩譜不造成明顯差別。但在約化頻率<0.10時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)使得橫風(fēng)向傾覆力矩譜值明顯變小。其中工況A2與A5的效果最好，能大幅降低尖峰峰值及低頻段(約化頻率<0.10)的譜值，A3與A4的效果則次之。在高頻段(約化頻率>0.10)時(shí)，不同鏤空幕墻對(duì)降低傾覆力矩譜值仍有一定作用，但效果較弱。

建筑物的橫風(fēng)向氣動(dòng)力主要由氣流經(jīng)過(guò)建筑物時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)分離和交替脫離表面的旋渦引起。鏤空雙層幕墻使側(cè)面的剪切層邊界離建筑物較遠(yuǎn)，背風(fēng)面尾流區(qū)域的循環(huán)氣流區(qū)變長(zhǎng)，由此導(dǎo)致側(cè)面與背風(fēng)面氣動(dòng)力的脈動(dòng)分量降低[17]。此外，流動(dòng)分離后產(chǎn)生的湍流風(fēng)場(chǎng)中包括尺度大小不一的各種脈動(dòng)分量，其中尺度較大的氣流(低頻段)容易被外層鏤空幕墻過(guò)濾，而尺度較小的氣流(高頻段)則不易受到鏤空幕墻的影響，因而鏤空雙層幕墻系統(tǒng)在低頻段效果較好，在高頻段效果較弱。

圖8 A1～A5傾覆力矩系數(shù)譜Fig.8 Spectra of overturning moment coefficients of A1-A5

2.3 鏤空雙層幕墻建筑風(fēng)振響應(yīng)特性

評(píng)估鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)優(yōu)化效果最直接的方法是考察結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的模態(tài)運(yùn)動(dòng)方程可表達(dá)為

(3)

(4)

式中m(z)代表結(jié)構(gòu)質(zhì)量沿高度z的分布，φj(z)代表結(jié)構(gòu)第j階模態(tài)振型。

式(3)中的廣義力采用文獻(xiàn)[19-20]的方法以考慮高頻測(cè)力天平方法中非線性振型的影響，計(jì)算公式為

Pj(t)=(YjFx+ΛjFx)Fx(t)+(YjFy+ΛjFy)Fy(t)+

(5)

式中Mz為基底扭矩，Yj[·]和Λj[·]為各荷載分量對(duì)廣義氣動(dòng)力的貢獻(xiàn)參數(shù)[19]。

在按式(5)求出廣義力的時(shí)程數(shù)據(jù)并按照相似定律轉(zhuǎn)化為足尺下的廣義氣動(dòng)力時(shí)程后，代入式(3)并采用時(shí)域分析方法得到結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程，最后通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法得到響應(yīng)的平均值、均方差、峰值等。選用四階Runge-Kutta法，同時(shí)采用Newmark-β法進(jìn)行驗(yàn)證，兩者計(jì)算結(jié)果幾乎完全吻合。時(shí)域分析方法與基于功率譜的頻域分析方法在響應(yīng)的均方值估計(jì)上幾乎完全一致，但時(shí)域分析對(duì)響應(yīng)的峰值的估計(jì)更為直接。

計(jì)算中依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)假設(shè)結(jié)構(gòu)1階與2階振型φ1y(z)=φ2x(z)=(z/H)1.2，阻尼比為1.5%。本文采用式(6)將樓頂加速度的標(biāo)準(zhǔn)差表示為無(wú)量綱的形式(約化加速度)，結(jié)果見(jiàn)圖9，圖中橫坐標(biāo)采用無(wú)量綱約化風(fēng)速UH/(fB)，f為結(jié)構(gòu)自振頻率，樓頂高度風(fēng)速UH為變量，從而得到在指定自振頻率下結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)隨風(fēng)速的變化規(guī)律。

(6)

式中qr為樓頂高度的平均風(fēng)壓，σa為樓頂加速度標(biāo)準(zhǔn)差。

圖9 約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.9 Standard deviations of normalized accelerations

由圖9可知，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)對(duì)順風(fēng)向響應(yīng)的作用不明顯，但對(duì)起主導(dǎo)作用的橫風(fēng)向響應(yīng)則具有明顯減振效果。而且減振效果不但與鏤空工況有關(guān)，在不同約化風(fēng)速下的表現(xiàn)也有所不同。為考察不同鏤空工況在不同約化風(fēng)速下的減振效率，可以將各鏤空工況(A2～A5)的風(fēng)振加速度與不設(shè)鏤空幕墻的工況(A1)的風(fēng)振加速度之比定義為“加速度折減率”。結(jié)果見(jiàn)圖10。圖10中黑色實(shí)線為A5工況加速度折減率的大致趨勢(shì)，從而可以較為清晰地展現(xiàn)折減率數(shù)值隨約化風(fēng)速的變化關(guān)系。

由圖10得知，除了角部鏤空(A4)工況的效果不夠理想外，其余鏤空工況都能顯著減少橫風(fēng)向風(fēng)振，而且減振效果一般隨約化風(fēng)速的提高而增強(qiáng)。A5在約化風(fēng)速>10.5時(shí)的折減率可達(dá)0.55，即樓頂1/3范圍內(nèi)設(shè)置鏤空雙層幕墻后的風(fēng)振加速度僅為未設(shè)置前的55%，在約化風(fēng)速7～10.5時(shí)的折減率約為0.8，而在約化風(fēng)速<7時(shí)的折減率約為0.7。這說(shuō)明設(shè)置鏤空雙層幕墻不但能大幅降低極端風(fēng)下與橫風(fēng)向響應(yīng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，而且能改善常遇風(fēng)下與橫風(fēng)向風(fēng)振有關(guān)的居住舒適度。對(duì)居住舒適度的評(píng)估一般僅考慮1～10 a重現(xiàn)期下的風(fēng)速，相應(yīng)的約化風(fēng)速相對(duì)較低。而現(xiàn)有的沿建筑高度收縮截面(錐度化)的氣動(dòng)優(yōu)化方法雖能降低極端風(fēng)下的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，但在常遇風(fēng)時(shí)效果較差，甚至有可能增加振動(dòng)加速度[21]。相比而言，鏤空雙層幕墻對(duì)居住舒適度的氣動(dòng)優(yōu)化效率更具優(yōu)勢(shì)。

圖10 A2～A5鏤空雙層幕墻對(duì)風(fēng)振加速度的折減率Fig.10 Reductions in wind-induced accelerations by A2-A5 porous DSF system

采用最佳線性無(wú)偏估計(jì)(best linear unbiased estimation，BLUE)方法[22]計(jì)算無(wú)量綱約化合加速度峰值，結(jié)果見(jiàn)圖11。由于在工程應(yīng)用中主要關(guān)心峰值響應(yīng)，所以選用峰值作為鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的主要評(píng)估指標(biāo)可能更為合適。約化合加速度峰值曲線的趨勢(shì)與橫風(fēng)向約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差曲線的趨勢(shì)相近，設(shè)置鏤空幕墻能有效減小響應(yīng)峰值。在不同覆蓋面積的鏤空雙層幕墻系統(tǒng)中，A2與A5的效果在渦激共振范圍內(nèi)明顯優(yōu)于A3與A4，由此推測(cè)鏤空幕墻的覆蓋面積越大降低橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的效果越好，且設(shè)置在建筑物頂部比設(shè)置在其他位置的效果更好。

圖11 約化合加速度峰值Fig.11 Peak values of normalized total accelerations

2.4 鏤空雙層幕墻對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載的影響

采用總傾覆力矩與總基底剪力為指標(biāo)評(píng)估鏤空雙層幕墻對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載的影響?？們A覆力矩與總基底剪力中包括三個(gè)組成部分：平均荷載、背景脈動(dòng)荷載以及由風(fēng)振引起的慣性荷載。背景荷載與慣性荷載同為動(dòng)力荷載，但兩者之間的相關(guān)性較弱，因而可采用SRSS方式進(jìn)行組合。約化傾覆力矩和約化基底剪力為：

(7)

式中：CMk與CFk分別為式(1)計(jì)算得到的x與y方向氣動(dòng)傾覆力矩和基底剪力系數(shù)的平均值，σCMk與σCFk為相應(yīng)氣動(dòng)系數(shù)的脈動(dòng)分量標(biāo)準(zhǔn)差，g為峰值系數(shù)，μMk與μSk為與質(zhì)量和振型分布有關(guān)的參數(shù)，見(jiàn)式(8)：

(8)

當(dāng)各樓層質(zhì)量相同且振型函數(shù)為指數(shù)型時(shí)，可以證明:

(9)

式中β為振型指數(shù)，對(duì)高層建筑β通常在1.0～1.5。

按前文假設(shè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可得到不同鏤空工況下順風(fēng)向與橫風(fēng)向總傾覆力矩和總基底剪力的約化值，見(jiàn)圖12、13。

可以看出，順風(fēng)向約化荷載(傾覆力矩和基底剪力)對(duì)約化風(fēng)速不敏感，這代表實(shí)際的順風(fēng)向荷載與風(fēng)速平方近似成正比關(guān)系。而橫風(fēng)向約化荷載則對(duì)約化風(fēng)速非常敏感。為直觀顯示不同鏤空工況的減載效率，將各鏤空工況(A2～A5)的最大傾覆力矩和基底剪力與不設(shè)鏤空幕墻的參照工況(A1)的最大傾覆力矩和基底剪力之比分別定義為“傾覆力矩折減率”和“基底剪力折減率”。結(jié)果見(jiàn)圖14。

由圖14可以看出，在約化頻率較低時(shí)，鏤空雙層幕墻的減載效率不夠明顯。這主要是因?yàn)樵诩s化頻率較小時(shí)，最大風(fēng)荷載由順風(fēng)向控制，但是隨著約化頻率的增大，橫風(fēng)向荷載反超順風(fēng)向荷載并成為主導(dǎo)荷載(約化頻率>5)[23]，鏤空雙層幕墻對(duì)風(fēng)荷載的折減效率逐漸接近對(duì)風(fēng)振加速度的折減效率。當(dāng)約化頻率>10.5時(shí)，A5對(duì)傾覆力矩與基底剪力的最大折減率可達(dá)0.55，即結(jié)構(gòu)總荷載最多能降至原結(jié)構(gòu)的55%左右。

圖12 約化傾覆力矩Fig.12 Normalized overturning moments

圖13 約化基底剪力Fig.13 Normalized base shears

圖14 A2～A5鏤空工況傾覆力矩與基底剪力折減率Fig.14 Reductions in overturning moments and base shears by A2-A5 porous DSF system

3 不同地貌對(duì)鏤空雙層幕墻減振效率的影響

為比較不同地貌對(duì)鏤空雙層幕墻減振效率的影響，本文在典型C類(lèi)地貌下對(duì)各工況進(jìn)行試驗(yàn)。圖15給出C1～C5工況的順風(fēng)向與橫風(fēng)向無(wú)量綱傾覆力矩譜。與A類(lèi)地貌下的結(jié)果類(lèi)似，不同覆蓋面積的鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的順風(fēng)向傾覆力矩譜沒(méi)有明顯差別，但能顯著降低橫風(fēng)向傾覆力矩譜的尖峰峰值及低頻段(約化頻率<0.10)的譜值。降低幅度最大的仍為工況C2與C5。

圖15 C1～C5傾覆力矩系數(shù)譜Fig.15 Spectra of overturning moment coefficients of C1-C5

圖16比較了A類(lèi)與C類(lèi)地貌的無(wú)量綱約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差，選取工況1(基本模型)與鏤空雙層幕墻效果較好的工況2與工況5進(jìn)行說(shuō)明。C類(lèi)地貌下橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)明顯低于A類(lèi)地貌，工況2與工況5均能大幅降低加速度響應(yīng)。圖17為C類(lèi)地貌各鏤空工況的加速度折減率結(jié)果。C5在約化風(fēng)速<10.5時(shí)折減率約為0.75，在約化風(fēng)速>12時(shí)折減率約為0.55，與A類(lèi)地貌下的結(jié)果類(lèi)似。證明鏤空雙層幕墻在常遇風(fēng)下也能改善居住舒適度，且加速度折減率基本不受場(chǎng)地類(lèi)別影響。

圖16 不同場(chǎng)地約化加速度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.16 Standard deviations of normalized accelerations for different terrain conditions

圖17 C2～C5鏤空雙層幕墻對(duì)風(fēng)振加速度的折減率Fig.17 Reductions in wind-induced accelerations by C2-C5 porous DSF system

圖18展示A類(lèi)與C類(lèi)地貌的無(wú)量綱約化傾覆力矩峰值的結(jié)果，同樣選取工況1、2、5進(jìn)行說(shuō)明。C類(lèi)地貌下約化荷載明顯低于A類(lèi)地貌。約化風(fēng)速較小時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)對(duì)于約化荷載的折減效果較弱，當(dāng)約化風(fēng)速接近或大于渦激共振臨界風(fēng)速時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)優(yōu)化效果開(kāi)始顯現(xiàn)。

圖19展示了各鏤空工況(C2～C5)的傾覆力矩折減率及基底剪力折減率，計(jì)算方法與A類(lèi)地貌相同。在約化風(fēng)速較低時(shí)，鏤空雙層幕墻的減載效率基本等于1。當(dāng)約化風(fēng)速在5～10.5時(shí)，C5的折減率達(dá)到0.75，而當(dāng)約化風(fēng)速>10.5時(shí)，C5對(duì)傾覆力矩與基底剪力的折減率可達(dá)到0.55，與A類(lèi)地貌的結(jié)果一致。由此可見(jiàn)盡管橫風(fēng)向渦激振動(dòng)的劇烈程度受場(chǎng)地類(lèi)別影響，C類(lèi)地貌下風(fēng)振加速度和約化荷載在數(shù)值上比A類(lèi)地貌要小，但鏤空雙層幕墻對(duì)于橫風(fēng)向風(fēng)振加速度與結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的相對(duì)折減率基本不受場(chǎng)地類(lèi)別影響。

圖18 不同場(chǎng)地約化傾覆力矩Fig.18 Normalized overturning moments for different terrain conditions

圖19 C2～C5鏤空工況傾覆力矩與基底剪力折減率Fig.19 Reductions in overturning moments and base shears by C2-C5 porous DSF system

4 結(jié) 論

1)鏤空雙層幕墻系統(tǒng)能有效降低高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)振加速度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，且鏤空雙層幕墻的覆蓋面積越大效果越好，設(shè)置在建筑物頂部效果更好。

2)鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)減振減載效率與約化風(fēng)速有關(guān)。當(dāng)約化風(fēng)速≥10.5時(shí)，設(shè)置在建筑物上部1/3的鏤空幕墻與設(shè)置在建筑物上部1/6的鏤空幕墻能使風(fēng)振加速度與總結(jié)構(gòu)荷載降至原結(jié)構(gòu)的55%左右。當(dāng)約化風(fēng)速<10.5時(shí)，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的效率會(huì)有所降低，但仍能降低風(fēng)振響應(yīng)20%～30%左右。在約化風(fēng)速<5時(shí)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載由順風(fēng)向響應(yīng)控制，鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的減載作用不明顯。

3)鏤空雙層幕墻系統(tǒng)不但可用于降低極端風(fēng)情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，而且可用于控制常遇風(fēng)時(shí)建筑物的風(fēng)振加速度，提高建筑物的性能化指標(biāo)。而現(xiàn)有的某些氣動(dòng)優(yōu)化方法雖能降低極端風(fēng)下的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，但在常遇風(fēng)時(shí)效果較差，甚至有可能增加振動(dòng)加速度。相比而言，鏤空雙層幕墻對(duì)居住舒適度的氣動(dòng)優(yōu)化效率更具優(yōu)勢(shì)。

4)盡管橫風(fēng)向渦激振動(dòng)的劇烈程度受場(chǎng)地類(lèi)別影響，但鏤空雙層幕墻系統(tǒng)的氣動(dòng)優(yōu)化效果基本不受場(chǎng)地類(lèi)別影響，設(shè)置在建筑物上部1/3的鏤空幕墻的相對(duì)減振減載效率在城市地貌下與開(kāi)闊地貌下基本一致。