发布时间：2021-02-22所属分类：建筑师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要:在高层建筑抗风设计中，正确地评估邻近建筑对风荷载的影响具有重要的理论和实用价值。从干扰机理、基底荷载干扰以及风压干扰3个方面总结与评述了国内外风致干扰效应的研究进展，列举了各国风荷载规范对干扰效应的条文规定;结合作者所在研究团队近十多年
摘要:在高层建筑抗风设计中，正确地评估邻近建筑对风荷载的影响具有重要的理论和实用价值。从干扰机理、基底荷载干扰以及风压干扰3个方面总结与评述了国内外风致干扰效应的研究进展，列举了各国风荷载规范对干扰效应的条文规定;结合作者所在研究团队近十多年来进行的群体高层建筑的研究成果，对GB50009—2012《建筑结构荷载规范》的风致干扰条文进行了补充说明，重点介绍了群体建筑气动干扰的量化方法，并强调了干扰效应的适用条件为折算风速不大于7;根据前期研究存在的问题和实际工程需求，建议进一步开展对群体建筑干扰机理、结构顶部峰值加速度、扭转干扰响应以及不同方向荷载相关性等方面的系统性研究。
关键词:群体高层建筑;风荷载;风压分布;干扰效应;风洞试验
0引言
群体建筑的风荷载和响应特性与单体建筑有很大的不同，这种现象被归结为建筑物间的干扰效应。多年来研究人员在风工程领域进行了大量的探索性研究工作，但目前研究还很少系统地考虑2栋建筑以上的群体之间的相互干扰问题，多数研究均以2栋高层建筑作为研究对象，且较少系统全面地考察结构受扰后的风压变化，研究结果显然不能完全适应目前群体建筑规划和设计的需要。
文中结合作者所在研究团队近十多年来进行的群体高层建筑的研究，从干扰机理、基底荷载干扰、风压干扰以及各国风荷载规范对干扰效应的描述等方面对风致干扰进行回顾与评述。对GB50009—2012《建筑结构荷载规范》中风致干扰条文进行补充说明，并介绍在风工程实践中所遇到的一些较为典型的群体建筑气动干扰现象。最后指出当前研究的不足，并提出进一步研究建议。
1干扰机理
对上游建筑的尾流、干扰效应导致的流动方式的改变以及基本压力分布的变化等研究，用于分析其干扰机理。
Reinhold等[1]、Sykes[2]通过对矩形高层建筑干扰效应的模型风洞试验研究，指出上游施扰建筑漩涡脱落引起的气动力是引起下游受扰建筑振动放大的主要原因。
Sakamoto等[3-4]研究了串列布置的两个同等大小的方形截面建筑在均匀和湍流流场中的干扰效应，研究发现在均匀湍流中，Strouhal数的分布随着间距比x/b(x为两方形截面建筑中心线间距，b为方柱截面宽度)的变化可分为3个区域:1)当x/b<3时，漩涡脱落源于下游建筑;2)当3
Taniike[6]进一步通过干冰薄雾流迹显示法研究了低湍流风场中两临近建筑周边的流场分布，认为上游建筑的出现增加了下游受扰建筑的脉动力，其归因于:1)上游建筑会形成交替脱落的漩涡，对下游建筑产生额外的角动量，从而产生很强的周期性升力;2)上游建筑脱落的尾涡转化成小尺度涡，增加了来流的脉动速度;3)两建筑同步脱落的漩涡经过两建筑间的“狭道”后，使得受扰建筑出现最强的脉动升力。
Wong等[7]研究了2个不同尺寸方形截面建筑并列布置的流体干扰机制，发现在横向间距较小时，截面较大的建筑内侧面发生气流再附;当横向间距较大时，截面较小的建筑内侧面发生气流再附。
Khanduri等[8]对干扰效应产生的机理进行了总结:上游建筑产生的遮挡效应通常会造成下游建筑的顺风向平均风力减小;上游建筑尾流湍流强度的增加将使下游建筑的动荷载增大;周边建筑将导致主建筑周围流场非均匀变化，表面风压也将非均衡分布，因此将产生额外的倾覆力矩和扭矩。由此可见，干扰效应通常是若干种效应综合作用的结果。
Tang等[9]通过气弹模型风洞试验研究了两相同方形截面建筑间的干扰机理。研究指出:上游施扰建筑的尾流对下游建筑气动响应的影响很大，干扰效应的大小取决于两建筑之间的距离以及受扰建筑在尾流中的位置。尾流激励的发生会导致受扰建筑响应谱能量的重分布，当主要的尾流能量发生变化，可能会引起受扰建筑自振频率处共振能量的提高。
Yen等[10]通过烟雾显示技术，研究了并列布置的两方形截面建筑在不同间距比(x/b)下的流体干扰特征。结果表明:1)当0.1≤x/b<5.5时，由于干扰作用，两建筑后的漩涡脱落呈反相位现象;2)当x/b≥5.5时，两建筑后的漩涡脱落互不干扰，表现出同步相位。
Hui等[11]通过PIV(particleimagevelocimetry)技术，研究了两不同矩形截面高层建筑之间的干扰效应，从流场方面研究了干扰效应出现的原因。结果表明，上游建筑的高速剪切流以及两建筑迎风边缘附近的流场相互作用是导致最不利负压出现的主要原因。
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对于群体干扰效应的机理研究需要进一步加强。已有部分风洞试验现象的形成机理还不能得到很好的解释，目前通过流场显示技术对施扰建筑尾流特征的研究还处于定性分析阶段。未来需采用更加精细的定量分析方法，如尾流直接测量、流场显示、计算流体动力学(CFD)等开展对尾流特性的定量分析以及尾流特性和建筑风致效应的相关性研究，以便更好地诠释复杂建筑群体干扰效应的潜在机理。
2基底荷载干扰效应
影响建筑物基底荷载或内力响应干扰效应的主要因素包括:折算风速Vr(Vr=Vh/(fsD))、地貌、施扰建筑的形状和尺寸、风向角和建筑方位角、相对位置以及2个上游施扰建筑的影响等。
2.1折算风速
对于衡量干扰效应的干扰因子而言，折算风速对其具有很大的影响。折算风速不同，相应的干扰因子分布也不相同。
Bailey等[12]研究了上游圆形建筑对下游方形建筑的干扰效应，发现在折算风速为6.8时，受扰建筑的动力响应显著增大，顺、横风向的干扰因子均可达3.2。
Kareem[13]指出干扰因子有随折算风速增加而降低的趋势，认为这主要是在较低折算风速(Vr≤5)时，结构孤立状态的响应较低，这时的干扰因子较大;反之，在较高折算风速(Vr>5)时，结构单体状态的响应较高，受扰后的影响增加不够显著，故干扰因子较低。
Taniike等[5]通过试验研究发现，在开阔地貌和折算风速为5～6时，0.4倍受扰建筑宽度的施扰建筑会对受扰建筑产生较大的共振抖振效应，顺、横风向的动力响应分别是单体时的10倍和20倍。
但Kareem[13]的结论对有些情况并不适用，如与Taniike[5]的观测结果矛盾，因折算风速的影响还要受其他多种因素的制约，不能一概而论。
2.2地貌
邻近建筑导致受扰建筑风荷载的增加量受到地貌的影响。
Bailey等[12]、Blessmann等[14]研究了多种地貌条件下(包括开阔乡村、城市郊区和城市地貌)的风致干扰效应，得到开阔地貌条件下的干扰应最为显著的主要结论。这一方面是由于开阔乡村地貌对应的湍流度较低，而上游建筑尾流中的脉动部分有较强的相关性，因此，引起下游建筑风荷载的增大;另一方面，城市地貌的高湍流度对上游建筑的尾流有阻滞效果因而减小了下游建筑的动力干扰效应，而且流场的高湍流度对结构的漩涡形成和尾流结构也有很大的影响。
Taniike[15]进一步研究了在高湍流城市地貌条件下相邻高层建筑之间的相互干扰效应，结果表明:相互干扰效应随着湍流度的增大呈指数率减小，直至湍流度增大到17%～18%时，相互干扰效应消失。
在比Taniike[15]建议的湍流度更高的地貌条件下，Kwok[16]对高宽比为9的方形截面建筑物间的干扰效应进行了研究，发现顺、横风向的动力响应仍有35%和41%的增加。
以上研究表明，通过改变上游地貌条件，从开阔乡村到城市郊区，上游建筑引起的下游建筑顺风向及横风向的荷载可减小到开阔地貌时的60%～80%。根据建筑物几何形状以及不同的相对位置，从开阔地貌到城市地貌，下流受扰建筑的扭矩可能有50%的减小。因此，在沿海区域、开阔乡村地貌、城市中心边缘的小群建筑对风致干扰效应更加敏感。
2.3施扰建筑宽度
上游施扰建筑的横截面尺寸和形状不仅影响下游建筑的平均风力，而且影响其脉动风力。
Taniike等[5-6]研究等高不同截面尺寸的方形建筑在低湍流度环境下的干扰效应，发现随上游施扰建筑截面尺寸的增大，遮挡效应增大，受扰建筑的顺风向平均风压减少，但顺风向动力响应则呈增大趋势，并认为这是由于大尺寸的上游建筑脱落更大的漩涡，由此增大了流动的脉动速度所引起的。但此结论与其观察到的小截面尺寸建筑在低折算风速下的剧烈干扰效应这一特殊现象[5]存在矛盾。Taniike根据试验结果建议，对于小截面尺寸的干扰建筑(0.4倍受扰建筑宽度)，顺风向脉动阻力的干扰因子可取1.5;对于相同截面尺寸的施扰建筑，则取其为2.0;对于大截面尺寸(2.5倍受扰建筑宽度)的施扰建筑，最大干扰因子增加到3.0，且均发生在两建筑物相距较近的情况。
在横风向上，增大上游施扰建筑截面尺寸会导致作用于下游建筑的动力风荷载呈减小趋势。Taniike等[5]的研究结果表明，小截面尺寸的干扰建筑(0.4倍受扰建筑宽度)在位于特定位置时可使受扰建筑的顺风向和横风向的动力响应分别提高10倍和20倍。
由于小截面宽度施扰建筑可产生频率较高的漩涡，在较低的风速下即可使受扰建筑发生涡激共振，并产生较大的干扰作用，故在实际应用中应更加关注小截面宽度施扰建筑的干扰影响。
2.4施扰建筑高度
Saunders等[17]，English[18]和Sykes[2]等研究了不同上游建筑的高度对下游建筑风荷载的影响，结果表明:随着上游建筑高度的增加，下游建筑的顺风向荷载由于遮挡效应而减小，但动力荷载却有所增大。
Melbourne等[19]指出当上游建筑的高度减小到下游建筑高度的2/3时，其干扰效应会显著减小。
Saunders等[17]研究发现在折算风速为2时，高度相同的上游建筑使下游建筑的顺风向倾覆弯矩较孤立状态增加70%以上。同样，横风向的动力荷载也因建筑高度的增大而增加，这主要是因为随着上游建筑高度的增加，加大了上游建筑脱落的尾涡结构的相关性。
Stathopoulos[20]研究了邻近高层建筑和低矮建筑之间的干扰效应，发现邻近高层建筑的存在使得低矮建筑屋面风压被显著放大。
因此，在高层建筑结构抗风设计时，应重点关注高于受扰建筑的施扰建筑影响。
2.5建筑外形
建筑截面形状的不同也会引起干扰效应的变化。Bailey等[12]通过研究圆形截面建筑和方形截面建筑对方形截面受扰建筑物的干扰效应时发现:圆形截面施扰建筑和方形截面施扰建筑相比，顺、横风向的干扰因子均增加80%，其中圆形截面施扰建筑和方形截面受扰建筑之间的干扰因子可高达3.23，但其干扰因子分布与两方形截面建筑间的干扰因子分布有很大差别，其显著干扰位置也不相同。
黄鹏[21]考虑了受扰建筑截面为正方形凹角和切角情况的干扰因子变化情况，结果表明其干扰因子比建筑截面为正方形时的大，这与凹角和切角体型建筑在单体情况本身的响应偏小有关。
建筑气动外形的优化虽然导致了较大的干扰因子，但结构整体的风荷载作用及响应减小了，有利于结构安全。
2.6风向角
风效应不仅与风速有关，还和风向角关系密切。
Sykes[2]研究发现两方形截面建筑模型在30°风向角作用时，其干扰效应较其他条件大致相似时的0°风向角作用下的结果偏小。
黄鹏[21]研究了两建筑在不同风向角情况下的干扰特性并和0°风向角作用下的结果进行了比较，发现在某些施扰建筑位置(如[3b，0])，干扰因子有很大的增加，最大值可达3.0以上，但在大部分位置仍没超过0°风向角作用时的结果。
通常风洞试验中风向角是以10°或15°为间隔进行，并从中测出最不利风向角。由于实际情况下风向的不确定性，研究风向对干扰效应的影响具有较大的应用价值。
2.7相对位置邻近建筑间的距离及相对位置是风致干扰效应中最重要的参数。一般认为，两建筑间的干扰效应随分离距离的增大而逐渐减小，当超过一定距离后，干扰效应消失。
Sakamoto等[4]、Taniike[6]通过试验均发现:两个建筑物越近，其遮挡效应越明显。在建筑串列布置下，当顺风向间距约为3倍建筑物宽度时，下游建筑物的平均阻力基本为零;间距更小时，下游建筑物上的平均阻力为负;而当间距达13倍建筑物宽度时，遮挡效应仍较为明显，遮挡因子仍达0.7。在建筑并列位置下，横风向间距在超过3倍建筑物宽度时平均升力接近0(相当于孤立情况)，而间距更小时，由于狭管效应作用，受扰建筑上会产生指向施扰建筑方向的风力。
English[22]分析和比较了前期在不同地貌类型下得到的试验结果，给出了描述两建筑干扰情况下顺风向平均荷载遮挡。
2.8两栋上游施扰建筑由于试验工作量的原因，目前大部分研究均局限在两栋建筑物间的干扰效应的研究上，只有较少研究在简化工况的情况下考虑了3栋建筑物间的干扰问题。
Saunders等[17]研究了2栋上游建筑物在不同位置对下游建筑的影响，发现对称排列的2栋上游建筑位于[8b，±3b]时，比在同样位置的单栋施扰建筑情况的干扰因子高出80%。但Kareem[13]在4个特定施扰位置对2栋上游施扰建筑的干扰效应进行了研究，发现其结果和单栋上游施扰建筑物产生的干扰效应情况近似，这可能是由于试验的干扰位置太少，导致其试验结论较片面。谢壮宁等[24-28]通过风洞试验系统地研究了3栋高层建筑间的干扰效应。结果表明，与2栋建筑干扰效应相比，3栋建筑之间的动力干扰效应更为明显。对于施扰建筑和受扰建筑尺寸一致的情况(基本配置)，在B类地貌下折算风速为8时，由3栋建筑物试验测出的干扰因子较两建筑物试验结果增加80%，而在D类地貌下仍有25%～30%的显著差别。对于考虑折算风速范围2～9的包络干扰因子分布或非基本配置情况，差别会进一步增大。
以上研究表明，2栋上游施扰建筑的干扰效应较1栋上游施扰建筑更为显著。而实际工程中常常存在两栋或更多施扰建筑的影响，此时受扰建筑的表面风压和基底风致荷载响应需重点关注。3风压干扰效应目前，对干扰效应的研究主要集中于建筑基底气动力或基底内力响应，而实际高层建筑由于干扰而导致倒塌的现象较少，但强风中仍频现围护结构破坏的现象，说明对处于复杂群体环境下的建筑物峰值风压特性的理解尚不准确，从而影响到围护结构设计。
Gowda等[29]研究了不同的串列间距对下游建筑表面风压干扰影响，结果表明，当串列距离很小时，下游建筑完全处于上游建筑的剪切层中，其所有表面上都承受高负压。Józ'wiak等[30]通过对一栋11层的实际工程建筑的风洞干扰试验发现，当附近有周围建筑物时，风向角210°时，其背风面局部测点风压系数是单体情况下的1.8倍，但如果合理改变拟建建筑的位置时，干扰效应将会明显减弱。
Kim等[31]通过风洞试验研究了5种高度的施扰建筑对受扰建筑局部风压的影响。结果表明，受扰建筑表面最大负峰值风压随着施扰建筑的高度增加而增大;斜列布置比串列布置产生更大的负峰值风压。
谢壮宁等[32]的研究认为，处于受扰物体尾流边界上的施扰物体可以降低来流在受扰物体上的分离速度，从而使最大负压系数降低，最多可降低到45%，并列布置产生的峡谷效应可使最大负压系数增大到39%。
Hui等[33]通过风洞试验，研究了不同截面的两高层建筑的局部风压干扰效应，结果表明:最大正、负峰值风压干扰因子与建筑外形和风向关系密切，最不利位置通常集中于建筑物的边缘和角落区域;干扰情况下的负峰值风压较单体时放大高达50%。
在国内，近年来采用同步测压技术对超高层建筑在受扰下的风压变化进行研究[34-36]，分析了高层建筑在受扰后立面平均风压和峰值风压的分布特征，从大量试验工况的数据分析对比发现，并列布置产生的峡谷效应对受扰建筑立面的风压放大效应最为严重，图1所示为两建筑并列布置时，相邻立面风压干扰因子随间距比的变化。——论文作者：余先锋1，谢壮宁1，顾明2
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