超高層建筑風洞試驗中風壓偏度和峰度的計算

超高層建筑風洞試驗中風壓偏度和峰度的計算

對于大型建筑來說，玻璃窗簾等圍欄結構具有很強的強度。在早期的風工程研究中,以Davenport當連體超高層結構正面迎風時,由于雙塔結構的干擾作用,雙塔內側表面風壓有增大趨勢;而側面迎風時,上游結構的渦脫尾流會使得下游結構的表面風壓出現(xiàn)變異;當斜向迎風時,情況會更加復雜.本文在分析某連體超高層結構剛性測壓模型風洞試驗數(shù)據的基礎上,選取0°,45°,90°這3個風向角數(shù)據作為研究對象,對連體超高層建筑結構表面風壓時程的高階統(tǒng)計矩的分布規(guī)律進行了分析,為將來規(guī)范修訂提供支撐.1結構表面極值風壓風洞試驗在武漢大學大氣邊界層風洞試驗室內進行.風場按C類地貌考慮,模型比例為1∶300,剛性測壓模型由工程塑料制成,以15°為間隔,采用同步測壓技術測得24個風向角下建筑物的風壓時程,測壓模型四周放置周邊建筑物模型對結構附近風場進行模擬,采樣頻率為331Hz,采樣時間為120s,相關實驗模型和風場參數(shù)如圖1所示.取結構表面490個測點所測的數(shù)據作為研究對象,對結構表面極值風壓進行計算分析.2概率密度函數(shù)的描述根據空氣動力學中的點渦模型理論對于非高斯信號,我們很難直接獲得其概率密度函數(shù),在處理過程中常采用多階統(tǒng)計矩(特別是三階和四階)來描述概率密度函數(shù)的特征式中:X為隨機變量;μ為樣本均值;σ為樣本方差.本文所涉及的結構為非典型超高層連體建筑,由于受氣流撞擊、分離、再附著、渦脫等影響,建筑表面風壓大多表現(xiàn)出非高斯特性,圖2和圖3給出了其中490個測點的偏度和峰度值.2.1偏度值分布分析不同風向角時各測點偏度分布如圖2所示.如果以上下浮動0.4作為閾值,模型側向迎風(90°風向角)時,有超過50%的測點偏度值表現(xiàn)出明顯的非高斯特征,模型斜向迎風(45°風向角)時,由于特征湍流強度增加,出現(xiàn)了偏度值的極大值.2.2峰度值分布分析不同風向角時各測點峰度分布如圖3所示,如果以上下浮動0.7作為閾值,模型側向迎風(90°風向角)時,有超過45%的測點峰度值表現(xiàn)出明顯的非高斯特征,模型斜向迎風(45°風向角)時,由于特征湍流強度增加,出現(xiàn)了峰度值的極大值.2.3結構非高斯特性不同風向角時南立面偏度和峰度分布如圖4所示.不同風向角時南立面偏度分布如圖4a～圖4c所示,0°風向角時,南立面處于迎風面位置,大部分測點偏度在-0.2～0.2范圍內浮動,基本服從高斯分布;45°風向角時,大部分測點偏度值在-0.2～0.4范圍內,上部結構偏度絕對值明顯小于下部結構偏度值;在90°風向角時,南立面處于側風面位置,整體結構偏度在-1.1～0.0范圍內浮動,上游測點偏度小于下游測點偏度,說明上游柱體的尾流對下游柱體表面風壓的非高斯特性產生了較大影響.不同風向角時南立面峰度分布如圖4d～圖4f所示,0°風向角時,南立面正面迎風,結構上部峰度在3左右浮動,說明上部測點基本服從高斯分布,而下部測點由于受到周邊建筑的干擾,測點的峰度極大值達到6.5,表現(xiàn)出明顯的非高斯性;45°風向角時,上部來流分離點附近測點的峰度值在3左右波動0.2,而氣流再附區(qū)的峰度值基本上為3,這說明來流再附會引起局部峰度值有小幅波動;在90°風向角時,這一規(guī)律也有所體現(xiàn),此時南立面處于側面迎風狀態(tài),上游柱體表面峰度值達到9.5的峰值,說明強分離區(qū)內的氣壓非高斯性達到極高水平,而下游柱體表面風壓的峰度值也達到6左右,下游的非高斯性也不可忽略.2.4東立面整體非高斯分布,下部結構表面偏度不同風向角時東側外立面偏度和峰度分布如圖5所示.不同風向角時東側外立面偏度分布如圖5a～圖5c所示,0°風向角時,東側外立面處于側面迎風狀態(tài),結構偏度在-0.9～-0.1范圍內浮動,且結構上部偏度絕對值小于結構下部峰度,說明東側外立面脈動風荷載服從非高斯分布,且下部非高斯性強于下部的非高斯特性;45°風向角時,大部分測點偏度值在0.1～0.3范圍內,但在下部部分測點達到0.4～0.6;在90°風向角時,東側外立面處于正面迎風位置,上部結構偏度在0.1～0.2附近浮動,下部結構表面偏度略大,達到0.5～0.8.不同風向角時東側外立面峰度分布如圖5d～圖5f所示,0°風向角時,東立面?zhèn)让嬗L,結構上部峰度在3.5左右浮動,下部峰度在5.5～7.5范圍內浮動,說明東立面整體非高斯分布,下部測點由于受到周邊建筑的干擾,表現(xiàn)出明顯的非高斯性;45°風向角時,上部來流分離點附近測點的峰度值在3左右波動0.2,而氣流再附區(qū)的峰度值基本上為3,這說明來流再附會引起局部峰度值有小幅波動;在90°風向角時,東側外立面處于正面迎風狀態(tài),峰度值與3之間的差異相對較小,整體處于弱非高斯分布狀態(tài)2.5底部峰度的測定不同風向角時東側內立面偏度和峰度分布如圖6所示.不同風向角時東側內立面偏度分布如圖6a～圖6c所示,0°風向角時,東側內立面處于側面迎風狀態(tài),結構偏度在-1.4～-0.1范圍內浮動,且結構上部偏度絕對值小于結構下部峰度,說明東側內立面脈動風荷載服從非高斯分布,且下部非高斯性強于下部的非高斯特性,相對于外立面,東側內立面由于受到到西側塔樓的干擾,偏度絕對值有所增加;45°風向角時,大部分測點偏度值在-0.5～-0.1范圍內,但在下部部分測點達到0.4～0.9;在90°風向角時,東側內立面處于背風面位置,上部結構偏度在-0.3～-0.1附近浮動,下部結構表面偏度略大,達到-0.4～-0.6.不同風向角時東側內立面峰度分布如圖6d～圖6f所示,0°風向角時,東側內立面?zhèn)让嬗L,結構上部峰度在3.5左右浮動,下部峰度在5.5～7.5范圍內浮動,說明東側內立面脈動風荷載服從非高斯分布,下部測點由于受到周邊建筑的干擾,表現(xiàn)出強非高斯性2.6同風向角時的峰度不同風向角時西側內立面偏度和峰度分布如圖7所示.不同風向角時西側內立面偏度分布如圖7a～圖7c所示,0°風向角時,西側內立面處于側面迎風位置,結構偏度在-1.4～-0.1范圍內浮動,且結構上部偏度絕對值小于結構下部峰度,說明西側內立面脈動風荷載服從非高斯分布,且下部非高斯性強于下部的非高斯特性,偏度絕對值有所增加;45°風向角時,大部分測點偏度值在-0.1～0.3范圍內,基本屬于高斯分布范疇;在90°風向角時,西側內立面位于風場上游且處于背風面位置,上部角落結構偏度在-0.9～-0.7附近浮動,下部結構表面偏度相對較小,在-0.5～-0.3范圍內波動.不同風向角時西側內立面峰度分布如圖7d～圖7f所示,0°風向角時,西側內立面?zhèn)让嬗L,結構峰度在5.5～7.5范圍內浮動,說明西側內立面脈動風荷載服從非高斯分布,下部測點由于受到周邊建筑的干擾,峰度值較上部結構略大,表現(xiàn)出強非高斯性;45°風向角時,上部來流分離點附近測點的峰度值在3.5左右,局部由于周邊建筑的干擾達到7.5;在90°風向角時,西側內立面處于迎風面位置,但受到上游柱體的干擾,峰度值與3之間的差異相對較小,除小部分區(qū)域外,大部分測點風壓服從強非高斯分布.2.7部分風向角對部分改性板中峰度的影響不同風向角時連體結構下部偏度和峰度分布如圖8所示.不同風向角時連體結構下部偏度分布如圖8a～圖8c所示,0°～90°風向角時,連體結構下部偏度在-1.4～-0.4范圍內浮動,且偏度絕對值隨風向角增大有增大趨勢,為強非高斯分布狀態(tài).不同風向角時連體結構下部峰度分布如圖8d～圖8f所示,0°風向角時,連體結構下部峰度在3.0～4.5范圍內浮動;45°風向角時,連體結構下部峰度在3.2～6.5范圍內浮動;90°風向角時,連體結構下部峰度在4.0～8.5范圍內浮動,隨著風向角的增大,峰度值有明顯的增大趨勢,且在模型短邊迎風時,模型明顯受到兩個柱體的干擾,局部出現(xiàn)峰度值超過8.5的強非高斯情況.2.8北立面為高斯分布結構不同風向角時北面偏度和峰度分布如圖9所示.不同風向角時北立面偏度分布如圖9a～圖9c所示,0°風向角時,北立面處于背風面位置,大部分測點偏度在-0.7～-0.4范圍內浮動;45°風向角時,大部分測點偏度值在-0.2～0.4范圍內,基本屬于高斯分布范疇,但在局部由于干擾及分離流作用,偏度達到0.8以上,表現(xiàn)出強非高斯特性;在90°風向角時,北立面處于側風面位置,上部角落結構偏度在-1.1～0.0范圍內浮動,整體而言上游測點偏度小于下游測點偏度,說明上游柱體的尾流對下游柱體表面風壓的非高斯特性產生了較大影響.不同風向角時北面峰度分布如圖9d～圖9f所示,0°風向角時,北立面處于側面迎風狀態(tài),結構峰度在3.4～5.4范圍內浮動,且結構上部峰度小于結構下部峰度,說明北立面脈動風荷載服從非高斯分布;45°風向角時,大部分測點峰度值在4～5范圍內,但在局部達到10～15;在90°風向角時,北立面處于側面迎風位置,上部結構峰度在3.5附近浮動,下部結構表面峰度略大,達到6.5.3結構表面風荷載非高斯特性與建筑干擾關系1)結構表面大量測點數(shù)據不符合高斯假定,規(guī)范中以高斯假定為前提的陣風因子法存在誤差