随着社会经济的发展, 大跨屋盖结构建筑在各大城市不断涌现, 例如会展中心、体育馆、艺术中心等。大跨屋盖结构具有自重轻、柔度大、阻尼小、自振频率低等特点, 风荷载往往成为此类结构设计的主要控制荷载^[1,2], 所以, 大跨屋盖结构风荷载以及风致响应成了人们研究的热点问题。目前, 大多数研究只是针对单个大跨屋盖结构的风荷载, 或是对高层建筑群之间的结构风荷载干扰效应进行研究, 却极少考虑周边高层建筑对大跨屋盖结构风荷载的干扰效应^[3]。

　　 根据城市规划布局来看, 大型场馆周边建设高层建筑已非常普遍, 所以, 高层建筑对大跨屋盖结构干扰效应的深入研究, 对于大跨屋盖结构的优化设计及安全性具有重大的现实意义。

　　 由于周边高层建筑的形状和位置对风荷载干扰效应有较大影响^[4,5], 所以, 本文以某科技交流中心 (简称科技交流中心) 风荷载风洞试验为基础, 对周边两栋施扰高层建筑在不同外形、不同位置情况下对大跨屋盖结构顶面风荷载的干扰效应进行了试验研究。并从大跨屋盖顶面整体受力和局部受力两个方面对干扰效应进行了较深入的分析。

　　 试验在湖南大学风工程试验研究中心HD-2风洞的高速试验段进行, 该试验段长17m、宽3m、高2.5 m^[6]。风压测量选用美国PSI公司的DTCnet电子式压力扫描阀系统, 风速测量采用美国TSI公司的IFA300热线风速仪^[7], 测压信号的采样频率设置为330Hz, 采样时间设置为20s。

　　 试验模型采用有机玻璃和ABS板制作, 模型比例为1∶150。其中需要测压的科技交流中心采用有机玻璃制作, 不需要测压的周边高层建筑采用ABS板制作^[8]。科技交流中心为梅花形造型, 建筑最大跨度为88.2m, 屋盖最高点高度为28.2m。在科技交流中心的屋盖上共布置测点180个, 试验模型在风洞中的照片见图1。

　　 周边两栋施扰高层建筑模型的高度为150m。施扰高层建筑分别制作了正方形、矩形、弧形、椭圆形和L形5种截面形式, 见图2。

　　 地面粗糙度类别采用B类, 在HD-2风洞的高速试验段模拟了B类地貌, 其平均风速剖面、湍流度剖面见图3, 图中左边的点是不同相对高度处的大气湍流强度, 右边的点和线是不同相对风速对应的大气湍流强度;α为地面粗糙度指数, 图中横纵坐标都进行了无量纲化处理, 其中横坐标是以100m高度的风速u₁₀₀作为基准风速, 纵坐标则是选定100m的高度z₁₀₀作为参考高度。0.5m高度处的纵向脉动风速功率谱见图4, 采用尖劈加粗糙元的被动方法来模拟风场。图4中横坐标为归一法的频率, n为计算频率, z为高度, u为脉动风速;纵坐标S_u (n) 为脉动风速的谱密度, σ²为脉动风速的方差, 整个纵坐标也是归一化的风速谱。

　　 两栋施扰高层建筑的平面位置及风向角定义如图5所示。施扰高层建筑及科技交流中心的平面相对位置采用S_X和S_Y两个参数来定义。其中S_X为两栋施扰高层建筑的横向净间距, S_Y为两栋施扰建筑与科技交流中心的净间距。

　　 研究中, 根据S_X, S_Y, 施扰建筑宽度b (考虑实际场地面积限制, 来确定不同建筑类型的宽度) 等因素, 设计了各种试验工况, 见表1。

　　 测点i的平均风压系数C_pi (t) 可由下式得到:

　　 $C{}_{\text{p}i}(t)=\frac{{\rm P}{}_i(t)-{\rm P}{}_0}{\frac{1}{2}\rho [\stackrel{—}{{\displaystyle U}}(z)]{}^2}(1)$

　　 式中:P_i (t) 为测点i处的风压时程;P₀为皮托管测点的风洞内的平均静压;ρ为空气密度;$\stackrel{—}{{\displaystyle U}}(z)$为模型上游高度z处的平均风速, 本文取z=28.2m (科技交流中心屋盖最高点高度) 。此外, C_pi (t) 的平均值作为平均风压系数$\stackrel{—}{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}$, 其均方差值称为脉动风压系数$\stackrel{\sim }{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}$。

　　 建筑的风致干扰效应一般采用干扰因子, 定义干扰因子IF为:

　　 ${\rm I}F=F{}_{\text{w}\text{i}\text{t}\text{h}}/F{}_{\text{w}\text{i}\text{t}\text{h}\text{o}\text{u}\text{t}}(2)$

　　 式中F_with和F_without分别为有周边干扰和无周边干扰下科技交流中心屋盖的风荷载 (屋盖总平均吸力或各测点的平均风压系数) 。

　　 由试验可知, 无周边干扰时, 科技交流中心屋盖的平均风压系数在各个风向角下基本相同。图6为0°风向角下无周边干扰时科技交流中心屋盖的平均风压系数等高线图。从图6中可以看出:屋盖顶部的平均风压系数基本为负值, 即主要受到风吸力作用^[3];气流分离处的平均风压系数达到了最大值-1.1^[9], 尾流区的平均风压系数绝对值逐渐变小, 从1.1逐渐减小至0.1左右。

　　 为研究施扰建筑外形对干扰效应的影响, 将0°风向角下各种外形施扰建筑处于各个相对位置时的干扰因子IF值分成6个区间:0<IF≤0.5, 0.5<IF≤1, 1<IF≤1.5, 1.5<IF≤2, 2<IF≤2.5, 2.5<IF≤3, 分别统计了每种外形施扰建筑在各个IF区间内所对应的干扰位置总数占总干扰位置数的比例, 见图7。

　　 由图7可见, 在正方形高层建筑干扰下, 有50%的干扰位置使IF值在0.5～1.0之间, 约7%的干扰位置使IF值小于0.5, 43%左右的干扰位置使IF值在1.0～1.5之间, 并且最大值小于1.5。对于矩形施扰建筑, 约20%的干扰位置使IF值小于1.0, 另有约20%的干扰位置使IF值大于2.0, 最大值不超过2.5。在弧形施扰建筑干扰下, 总体上IF值略大于正方形施扰建筑干扰下的IF值。椭圆形施扰建筑在所有的相对位置下, IF值均大于1.0, 约45%的干扰位置使IF值在1.5和2.0之间^[5], 20%左右的干扰位置IF值大于2.5, 最大值达到2.8左右。L形施扰建筑干扰下, 仅有6%左右的干扰位置使IF值小于1.0^[10], 且IF值均大于0.5, 约32%的干扰位置使IF值大于2.0, 最大值接近2.5。

　　 由以上对比分析可知, 正方形和弧形施扰建筑的遮挡效应比较明显, 最大可使受扰屋盖顶面受力折减超过50%, 而矩形、椭圆形和L形施扰建筑则主要呈现静力放大效应, 这三种施扰建筑均有部分干扰位置使受扰的屋盖顶面总体受力增大1倍以上, 甚至在椭圆形施扰建筑干扰下, 受扰屋盖所受吸力达到无干扰时的2.8倍左右, 影响极为不利。按对受扰建筑受力的不利程度由大到小顺序排列, 依次是椭圆形、L形、矩形、弧形、正方形施扰建筑。

　　 不同外形施扰高层建筑对受扰屋盖顶面局部风荷载试验结果见图8。图8 (a) ～ (e) 分别显示了正方形、矩形、弧形、椭圆形及L形施扰建筑干扰下, 受扰屋盖顶面的最大风压系数的等值线图。

　　 由图8可以看出, 在不同外形施扰建筑干扰下, 屋盖顶面局部最大风压值 (指绝对值最大) 存在很大差异。正方形高层建筑在绝大部分相对位置施扰时, 受扰屋盖顶面的最大风压系数均小于-1.1 (此外指其绝对值小于1.1, 下同) , 与无干扰时屋盖顶面最大风压系数绝对值1.17相比可知, 在这些干扰位置, 受扰屋盖顶面所受局部最大风荷载值较无干扰时有所降低, 最多可降低50%以上, 遮挡效应十分明显。另外, 正方形施扰建筑在 (2b, 0.25b) 位置时, 最大风压系数绝对值大于1.17, 表明此时受扰屋盖顶面局部最大风压较无干扰时有一定的放大。弧形高层建筑在约一半的干扰位置使屋盖顶面局部最大风压较无干扰时有一定折减。矩形、椭圆形、L形施扰建筑均只在很小的干扰位置使得受扰屋盖顶面局部最大风压有所折减, 且折减程度均不如正方形或弧形施扰建筑。比较图8 (b) , (d) , (e) 中最大风压系数大于0.9的面积, 可知椭圆形施扰建筑干扰下最大, L形次之, 矩形最小, 也就是说, 椭圆形施扰建筑对受扰屋盖顶面局部最大风压的放大作用最大, L形次之, 矩形最小。这与各种施扰建筑对受扰屋盖总体受力的影响一致。

　　 试验结果显示, 各种外形的施扰建筑在相对位置不同时, IF值有显著差异, 见图9。

　　 从图9可以看出, 当S_X=2b时, 正方形、矩形、椭圆形、弧形、L形施扰建筑在各个干扰位置处, 干扰因子IF值均大于1, 见图9 (a) , 即各种外形施扰建筑的干扰均使得受扰屋盖总体受力放大。另外, 在各个相对位置下, 椭圆形、L形、矩形施扰建筑影响下的IF值均大于弧形和正方形施扰建筑影响下的IF值, 其中椭圆形IF值最大, L形次之, 矩形较小。在绝大部分的干扰位置, 弧形的IF值均大于方形IF值。

　　 通过比较图9 (a) ～ (c) 可知, 正方形施扰建筑干扰下最大IF值为1.4左右, 出现在 (2b, 0.25b) 处, 即正方形施扰建筑最不利干扰位置为 (2b, 0.25b) 。矩形施扰建筑干扰下最大IF值约为2.1, 其最不利干扰位置为 (2b, 0.5b) 。椭圆形施扰建筑干扰下最大IF值约为2.7, 其最不利干扰位置为 (2b, b) 。弧形施扰建筑干扰下最大IF值约为1.45, 其最不利干扰位置为 (2b, 2b) 。L形施扰建筑干扰下最大IF值约为2.45, 其最不利干扰位置为 (2b, 2b) 。也就是说, 在各自的最不利干扰位置处, 椭圆形、矩形、L形施扰建筑干扰下屋盖总体受力较无干扰时增幅均超过100%, 其中椭圆形施扰建筑干扰时较无干扰时增大170%。

　　 为了更直观地比较各种外形的施扰高层建筑对大跨结构屋盖的影响, 本文将试验中的最不利位置的干扰因子IF最大值进行了对比, 见表2。

　　 由表2可以看出, 从屋盖局部受力来讲, 椭圆形施扰建筑干扰下屋盖受力最为不利, 最不利干扰位置为 (2b, b) , 此时屋盖顶面最大风压是无干扰时的2.7倍, 可为主体结构设计计算时风压值的取值提供参考。正方形、矩形、弧形、L形施扰建筑最不利干扰位置分别为 (2b, 0.25b) , (2b, 0.5b) , (2b, 2b) , (2b, 2b) , 即这些形状的施扰建筑在相应的干扰位置时, 屋盖主体结构局部风压值增加最大;如周边相应位置附近有对应形体的建筑时, 应加强屋盖的受力计算与设计。

　　 通过风洞试验, 对不同外形的施扰高层建筑及其在不同相对位置时对大跨屋盖结构风荷载的影响进行了试验研究, 得出了以下主要结论:

　　 (1) 受扰的大跨屋盖结构顶面在静风荷载作用下各部分的风压系数均为负值, 在不同的施扰建筑截面类型中, S_Y/b值在2～4范围内时, 随着S_Y/b值的增加, 受扰建筑屋盖最大风压系数等值线值逐渐减小, 其中S_Y/b=2时屋盖最大风压系数等值线值最大。

　　 (2) 施扰高层建筑的外形不同, 对受扰的大跨屋盖结构的影响也有显著差异。其中椭圆形施扰高层建筑对受扰建筑的影响最为不利, 然后依次为L形、矩形、弧形、正方形。

　　 (3) 施扰高层建筑的相对位置对大跨屋盖结构的干扰效应也有很大影响^[11]。在正方形施扰建筑干扰下, 当S_X=2b时, 施扰建筑主要产生静力放大效应, 而当S_X=3b～4b时, 静力干扰效应主要表现为遮挡效应。

　　 (4) 从受扰建筑屋盖顶面所受总的吸力与局部风荷载两个方面考虑, 施扰建筑相对位置对干扰效应的影响作用基本一致, 但在个别相对位置下, 屋盖总体受力和局部受力变化方向相反, 即一个增大而另一个减小。这些特殊的相对位置因施扰建筑不同而稍有差别。

　　 (5) 在总体受力和局部受力两方面, 施扰建筑的最不利干扰位置略有差别, 但都在S_X=2b处。

　　 由于工况的关系, 本文试验沿S_X方向两施扰建筑间净距变化范围仅设定为0.25b～4b, 沿S_Y方向施扰建筑与受扰建筑间净距变化范围仅为2b～4b, 变化范围均较小, 当S_X=4b或S_Y=4b时, 干扰效应仍比较明显, 故要得出对受扰建筑风压分布影响更全面的施扰建筑的活动范围, 还有待进一步的研究^[3]。另外, 本文仅研究了0°风向角下正方形、矩形、弧形、椭圆形、L形施扰建筑对大跨屋盖结构的静风干扰效应, 对于其他形状施扰建筑以及其他风向角下的影响, 还待进一步研究。