门洞造型建筑风荷载研究

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1.引言

某市一建筑，造型独特，外形是一稍带锥度的立方体，高72.5m，南、北立面设计有截面为矩形、象征大门的喇叭形门洞。由于造型独特，需通过风洞模拟试验给出大厦表面局部风荷载，为大厦玻璃幕墙和表面饰物风荷载设计提供依据。

如何确定大厦表面的风压分布特点对结构设计以及玻璃幕墙和表面饰物风荷载设计都十分关键，特别是大厅的采光顶和门洞结构的侧壁和吊顶等敏感部位的风荷载设计都非常重要。目前，通过正确的风洞模拟实验仍然是获得不规则形状建筑物或结构物风荷载的最有效手段。

2.当地的风气象

该市的基本风压如下表1所列：

表1. 规范给出的该市基本风压和折算成10m标高和梯度风速的结果

梯度风高度在C类地区为400m。

将NOAA（（美国）国家海洋与大气管理局）数据和规范中给出的该市50年基本风压进行匹配。即将NOAA位于该地区内的风速仪取得的气象数据得到的风向调整系数，再折合到工程所在地（C类地貌）72.5m标高，50年一遇，在36个风向角下的风速如下表2所列：

在风洞实验中定义风向角β为当风从正北方向吹来时为0°，顺时针方向为正。

3.风洞试验设备及风模拟

该项目风荷载模拟实验是在φ2.25m 大型低速风洞中进行。该风洞原设计为回流型风洞，实验段圆型开口，直径2.25m，试验段长3.65m，空风洞时试验段风速60m/s，本底湍流度约为0.2%。为了进行该试验，对该风洞进行了改造。在风洞试验段轴线以下500mm处铺设一块地板，从试验段出口处向来流方向延伸至风洞的平直段和收缩段内3m处。然后，在地板上的迎风向前沿布置了尖塔、挡板和粗糙元等，采用人工加速的方法来形成大气边界层风速剖面。在试验段后部靠近风洞扩散段入口处装有直径2m的转盘。试验模型安装在转盘中心。在实验中，通过转动模型来实现相对模型的任意风向角。大型低速风洞实验段布置情形及其主要尺寸如下图所示。

用美国TSI热线/热膜风速计对转盘中心附近进行了测量。通过调整尖塔和粗糙元等的各种几何参数，可以在模型实验区获得《建筑结构荷载规范》中所列各类地形所要求的平均速度和相应湍流度随高度变化的风速剖面。根据规范要求，在本实验中，首先在风洞的模型实验区模拟了平均速度剖面为幂次律α＝0.22 的大气边界层气流和相应湍流度分布。Zg为大气边界层厚度，在本实验中取1.25m；Ug为高度Zg处平均风速。

4.风洞试验模型

按照1:250的模型和实物缩尺比，用ABS材料和有机玻璃制作了大厦的刚性测压模型。在大厦的各立面及门洞内布置测压孔，并进行编号。大厦各立面和顶面的测压孔共226个，门洞部分四个面测压孔共154个，整个大厦测点总数为380个。

在试验中，按1:250比例模拟了在周围直径为 500m 范围内已有建筑物。

5.测量技术和数据处理

模型表面布置的每个测压孔镶有内径为0.93mm的紫铜管，测压孔与模型表面垂直平齐，内部通过塑料管与压力扫描阀连接，为了获得尽可能高的频率响应，在每一根塑料管中接有限流器（Restrictors）,根据实验前的标定，该测压系统的频率响应在150Hz以下时，幅值误差小于2％，相位偏移可忽略。

在每一个测点采集了3900个数据，采样频率为400HZ，通过计算给出了每一测点的峰值负压（Min），峰值正压（Max），平均压力（Mean）和压力脉动均方根值（RMS）。为了核对数据的重复性和可靠性，还进行了重复实验，结果表明重复性相当满意，数据差别完全在实验允许的误差范围之内。最后，将上述时间平均压力、瞬时最大压力、瞬时最小压力和压力脉动均方根值换算成四种压力系数。

所有实验的基本数据都以上述压力系数的形式给出。以测点（Tap）为单位,在36个风向角下的时间平均压力系数、瞬时最大压力（峰值正压）系数、瞬时最小压力（峰值负压）系数和均方根值压力系数均列在报告所附实验数据表中。

6.建筑物表面风压的计算依据

该建筑表面压力的计算依据《建筑结构荷载规范》。主要依据以下计算公式：

6.1垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下式计算：

6.2基本风压应按本规范附录D.4中附表给出的50年一遇的风压采用，但不小于0.3KN/。

6.3盐酸围护结构构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数；

6.4对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2.

7.设计用建筑物外表面压力计算

国家规范给出的基本风压是以标高10m，并按“B”类地区风速剖面指数α＝0.16为基准给出的，因此，利用本次实验得到的风压系数按国家规范给出的基本风压进行建筑物表面风压计算时需要有一个高度转换系数，高度换算系数如下：

γ＝0.616(72.5/10)0.44 = 1.47

在计算该建筑表面风压时，规范中的高度系数 应该用高度换算系数 来代替，而不再考虑建筑物表面的测点位置随高度的变化，即：

规范给出的基本风压没有考虑当地的风速在不同方位角的变化。如果不考虑当地风速随风向角的变化，在玻璃幕墙设计中往往会过高估计设计风压值。在风压计算中应该利用当地的风气象资料，在计算中NOAA气象站的风速资料和国家规范给出的该市50年一遇基本风压(0.50kN/)，进行了匹配调整，得出了对应风洞实验进行的36个风向角的风速数据（即表2的结果），然后转换到相应的风压值 ，其中β表示不同的风向角。

在本报告中利用风洞实验测得的瞬时最大压力（峰值正压）系数和瞬时最小压力（峰值负压）系数与相应当地风速资料按50年一遇导出的风压值 相乘，然后再乘以参考高度换算系数，即用风洞实验测得的瞬时最大压力（峰值正压）系数和瞬时最小压力（峰值负压）系数来代替规范中体形系数与阵风系数 的乘积，计算公式如下：

上述方法是目前西方国家通常做法，比较符合实际建筑物表面饰物,特别是玻璃幕墙受风压作用的情形，然而，使用该方法对风洞实验，特别是脉动压力的测量技术要求比较高。

8.实验结果

根据以上方法计算出的建筑物表面每一测点风压，再取36个风向角下的最大值：表面围护结构设计标准风压（正压：kN/）和表面围护结构设计标准风压（负压：kN/）中。从计算的数据根据规范的要求，将该建筑考虑成封闭式建筑物，已经叠加了内压系数±0.2，表中同时也给出了发生最大正压值和最大负压值的风向角。

该建筑各立面、顶面和门洞各面出现的风压正压和负压最大值、测点位置及其风向角如下表3所列：

表3. 各立面、顶面和门洞各面出现的风压正压和负压最大值(kN/m2)及其风向角

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