摘 要

群体环境中的建筑物上作用的风压与单体建筑物上的风压不同，这种现象被称为干扰效应。随着城市高层建筑的高度和密度日益增加，使得高层建筑群之间的干扰效应更加复杂。到目前为止，风工程界对风致干扰效应的研究主要集中在两栋或三栋建筑之间，实际上高层建筑群往往都不止两三栋，且尽管高层建筑在结构设计时已经作过风洞试验，在较低风速下仍会出现围护结构破坏的现象。大量的事实表明，选用基于单体建筑得出的体形系数作为风荷载的设计参考还是不够全面的，对于干扰效应产生的某些极值理解还不够准确，规范对此的规定也可能是偏于危险的。基于此，本文就城市环境中某一具体超高层建筑的群体干扰效应进行研究。

本文综合风洞试验和CFD两种方法对高层建筑群体干扰效应进行研究。主要研究结论如下：

1. 选取合适的湍流模型模拟计算超高层建筑的风荷载特性是可行的，且计算结果呈现出较高的精度。
2. 对于极值风压：由于遮挡效应的存在，迎风面正压力值呈减小左右，对结构而言时有利的。
3. 对于平均风压：主建筑与施扰建筑的并列布置产生了狭管区域，主建筑上靠近该区域的侧面平均风压受到很大影响，具体表现为负压力值显著增大，干扰因子达到1.51，在建筑的结构设计和围护结构设计时应予以重视。

关键词：高层建筑；风洞试验；数值模拟；风荷载；干扰效应

Abstract

The results show that the wind pressure on the building in the group environment is different from the wind pressure on the single building, which is called interference effect. With the increasing height and density of urban high-rise buildings, the interference effect between high-rise buildings is more complex. So far, the research on wind-induced interference effect in wind engineering field has mainly focused on two or three buildings. In fact, there are often more than two or three high-rise buildings, and although the wind tunnel test of high-rise buildings has been carried out in structural design, The damage of enclosure structure will still occur at low wind speed. A large number of facts show that it is not comprehensive enough to select the figure coefficient based on single building as the design reference of wind load, and the understanding of some extreme values produced by interference effect is not accurate enough. Regulations on this may also be dangerous. Based on this, the group interference effect of a specific super-high-rise building is studied in this paper. In this paper, wind tunnel test and CFD are used to study the group interference effect of high-rise buildings. The main results are as follows:

(1) it is feasible to select a suitable turbulence model to simulate the wind load characteristics of super high-rise buildings, and the calculation results show high accuracy.

(2) for extreme wind pressure: due to the existence of occlusion effect, the positive pressure value of upwind surface decreases or so, which is beneficial to the structure.

(3) for the average wind pressure: the parallel arrangement of the main building and the disturbed building produces a narrow tube area, and the lateral average wind pressure near the area on the main building is greatly affected, which is manifested in a significant increase in the negative pressure value. The interference factor reaches 1.51, which should be paid attention to in the structural design and envelope design of the building.

Key words: high-rise building; wind tunnel test; numerical simulation; wind load; interference effect

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 干扰问题研究现状 1

1.2.1 国外研究状况 1

1.2.2 国内研究状况 2

1.3 本文的工作 3

第2章 计算原理及数值模型 4

2.1 控制方程 4

2.2 湍流模型 4

2.2.1标准模型 4

2.2.2可实现(Realizable)模型 5

2.3 几何模型 6

2.3.1几何参数 6

2.3.2工况设置 7

2.3.3 计算域设置 7

2.3.4 边界条件 8

2.4 数值模型 9

2.4.1模型建立 9

2.4.2网格划分 10

2.4.3计算准备 12

第3章 高层建筑群体干扰效应的风洞试验分析 13

3.1 风洞试验装置与设备 13

3.1.1 大气边界风洞 13

3.1.2 试验模型与测压孔布置 13

3.2 试验内容 14

3.2.1 风速剖面模拟 14

3.2.2 不同状态下的测压试验 14

3.3 风洞试验结果 15

3.3.1极值风压干扰效应 15

3.3.2平均风压干扰效应 18

第4章 高层建筑群体干扰效应的数值模拟研究 20

4.1 数值模拟与风洞试验的对比 20

4.2 建筑群流场干扰效应 21

4.3 建筑群平均风压系数干扰效应 23

4.3.1 并列干扰 24

4.3.2 串列干扰 25

第5章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 引言

随着我国经济的不断发展，各大城市人口不断增长，而城市可用土地面积的限制和人口密度的爆发式增长，导致城市内高层建筑数量不断增多，高层建筑的高度和密度也在不断提高，虽然这些高层建筑的设计是按照各种规范和行业标准执行的，然而现行规范对于结构抗风的数据大多来自于单体建筑实测或研究所得，对于群体环境中建筑风荷载还只是提了一些建议，如《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中：当高层建筑密集分布且相互间隔较小时，由于存在干扰效应，建筑表面的局部风压会明显增大，这种增大效应严重影响结构的安全性和耐久性^[1]。实际上，根据已有的工程实例和研究显示，城市群体建筑环境中的建筑表面承受的荷载与孤立建筑所测得的数据有很大差异，建筑群中出现的这种风荷载效应被称之为干扰效应。因此，为了满足高层建筑结构设计的安全性和耐久性要求，确定风荷载对群体环境中的高层建筑的作用具有非常重要的理论和使用价值。

1.2 干扰问题研究现状

1.2.1 国外研究状况

风荷载的干扰效应研究始于1965年英国渡桥热电厂的8座并列布置的冷却塔群后三座冷却塔倒塌事故^[2]（图1）。通过调查事故原因，发现倒塌时风速并不是很大，冷却塔迎风面产生的巨大拉力造成的，这种巨大的拉力正是冷却塔群的干扰作用导致。从前方干扰的角度，上游风穿过前方并列布置的两座冷却塔之间形成了“穿堂风”效应，使得后方的几座冷却塔承受的风荷载显著增大。从后方干扰的角度，由于倒塌的冷却塔处于前方冷却塔的尾涡区域中，前方建筑较强的尾涡相关性使得后方建筑上的脉动风荷载明显增大。从此以后，研究人员对于风致干扰效应开始了更为深入的研究，并进行了一系列的实验研究。例如：研究两矩形刚性建筑在空旷地貌下串列和并列布置时受扰建筑的风压，实验结果表明施扰建筑对受扰主建筑有明显的干扰效应^[3]。

20世纪80年代开始，干扰效应在风工程界引起了极大关注。Bailey、kwok、English 等^[4-8]对干扰效应进行了更为细致的研究。研究内容包括有干扰情况下建筑上流体力分布、低矮建筑群体干扰效应，并且不再拘泥于规则理想建筑，增加了复杂体型建筑在多种地貌下的干扰效应，分析角度也不再仅仅是风压分布，而是引入基底弯矩和结构响应等角度直接于结构设计紧密联系起来。这些成果也被写入了相关的荷载规范，如澳大利亚的《结构最小设计荷载规范》列出了遮挡因子和抖振等值分布曲线，为结构设计人员提供了指导，这是干扰效应研究史上的一次飞跃。