2019, Vol. 47
随着城市化的不断推进，建筑向着更高更柔更密集的方向发展，风荷载逐渐成为高层建筑结构设计时需要考虑的主要荷载之一，甚至控制性荷载.在大城市中，高层建筑之间的距离一般不会很大，气动干扰效应相当复杂.早在20世纪8、90年代，Sakamoto[1]、Taniike[2]和Khanduri[3]等最早对高层建筑间的气动干扰效应展开研究.在此后三十多年里，越来越多的学者开始从事建筑间气动干扰领域的研究，并作出了一系列研究贡献.Xie[4]和Gu[5]等通过一系列详细的风洞试验，研究了两栋和三栋高层建筑之间的风致干扰效应，并分别定性讨论了遮挡效应和狭缝效应的影响.Xie等[6]对三幢高层建筑的平均干扰效应进行了进一步研究，提出了描述动态干扰效应的包络干扰因子(EIF).Lam等[7]研究了连续5个近距离平行布置的一排高层建筑之间的风致干扰效应，并解释了这种布置下的一些特有的气动干扰机制.之后，Lam等[8]进一步研究了近距离平行以及菱形排列的5个高层建筑的风致干扰效应，对建筑平均和脉动风荷载进行测量，并对建筑物风振动力响应进行估计.Kim等[9]研究了风向、施扰建筑的相对高度和相对位置等干扰因素对目标建筑的局部峰值风压的干扰作用，之后Kim等[10]进一步研究了两幢建筑间的风致干扰对整体风荷载的影响.还有很多学者对不同形状及布置形式的两栋高层建筑之间的各类气动干扰效应做过研究[11-14].
虽然人们对建筑间气动干扰效应的研究已经有很多，但一般仅考虑相对简单的情况，如施扰建筑和受扰建筑均为规则的方形截面，周边建筑排布整齐(如直线排列、斜向排列、L形排列等)，施扰建筑的横截面大小与受扰建筑相当，等等.而大城市随机密集城区对目标建筑的影响，尚未得到深入的研究.在新建一栋高大建筑时，周边建筑对拟建建筑的影响往往能够得到人们的足够重视，但拟建高大建筑对邻近相对低矮的高层建筑可能会有更严重的影响，却常常被人们忽视.
本文基于一栋高150 m左右的实际超高层建筑的刚性模型测压风洞试验，分析了其邻近更加高大(高度约400 m)的大型超高层建筑、等高的姊妹楼建筑和其他相对低矮的背景建筑群对其风荷载的影响.
1 目标建筑及周边建筑概况目标建筑为一栋高150 m的实际超高层建筑，宽度和厚度分别为38 m和23 m左右，横截面形状沿高度无变化.图 1为其风洞试验测压刚性模型的测点布置示意图.模型外表面共布置了210个测点，分10层布置，每层21个测点.
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图 1 测点层位置示意 Fig.1 Positions of measurement points |
周边干扰建筑信息如图 2所示，模型试验模拟的建筑场地范围是半径为750 m的圆形区域.目标建筑+y轴方向约170 m处是一栋高度约400 m的拟建大型超高层建筑(下文简称“大高楼”)，其横截面基本形状为边长57 m的有斜切角的正方形; 目标建筑+x轴方向有一栋高度与目标建筑相同，横截面形状与目标建筑相似的姊妹建筑(下文简称“姊妹楼”)，它与目标建筑平行布置，间隔23 m; 其他周边建筑(下文简称“背景建筑群”)大多比目标建筑低矮，分布情况总体表现为东半侧(+x方向)稀疏西半侧(-x方向)密集; 北侧及西侧的背景建筑相对偏高，高度多数集中在20~50 m之间，个别建筑高度也达到了100 m; 在+y轴方向较远处(距离550 m左右)，还有3栋背景建筑与目标建筑等高.
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图 2 周边建筑及风向角信息(单位：m) Fig.2 Surrounding buildings and wind directions(unit:m) |
风洞试验以正北方向定义为0°风向角，正东方向定义为90°风向角，以每10°取一个试验工况，共计36个试验风向工况.目标建筑体轴Y方向与地理北方向呈23°夹角.
2 试验概况在同济大学TJ-2大气边界层风洞中进行了风洞试验.该风洞试验段高2.5 m，宽3.0 m.风洞试验在模拟D类风场中进行，几何缩尺比取1/500，全部建筑模型对试验段横截面的阻塞比在5%左右.模型顶部高度处的试验风速为11.2 m·s-1.相对于建设场地50年重现期基本风压0.75 Kpa，该试验的风速和时间缩尺比分别为1:3.6和1:140.图 3为试验中模拟的平均风速和紊流度剖面与建筑结构荷载规范中D类地貌值的对比, 其中U为各高度处风速；U_ref为110 cm高度处的风速.
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图 3 风场模拟结果 Fig.3 Parameters of the simulated wind field |
为了更好地研究周边建筑对目标建筑的影响，试验设置了5个工况，如表 1和图 4所示.其中，工况1为孤立工况，周边无任何建筑; 工况2的周边仅有姊妹楼一栋建筑; 工况3的周边只有姊妹楼和大高楼两栋建筑; 工况4的周边有姊妹楼和背景建筑群，无大高楼; 工况5有全部周边建筑，包括大高楼、姊妹楼和背景建筑群.
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下载CSV 表 1 工况说明 Tab.1 Explanation of test cases |
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图 4 各工况平面示意 Fig.4 Layout of surrounding buildings under each test case |
基于测压试验得出的测点风压数据，通过空间积分可得到每个风向角下目标建筑模型基底气动力6分量(Qx、Qy、Qz、Mx、My和Tz)时程信息，其中竖向分力Qz和气动基底扭矩Tz并非本文所关心的内容，故只考虑剩下的4个分量.本文选择具有代表性的x轴和y轴方向的侧弯模态广义力系数CFx和CFy(分别与绕建筑y轴和x轴的基底弯矩系数相当)分析建筑整体结构的受力状况.广义气动力系数定义为CF(θ, t)=M(θ, t)/(0.5ρaUH2BaH2)，其中，H、Ba和UH分别为建筑的高度、迎风宽度和建筑高度处的来流平均风速; M(θ, t)为风向角为θ时的基底弯矩时程; ρa为空气密度.不考虑建筑振动的x轴和y轴向的广义气动力系数均值和脉动值(均方根值)分别用CFx_mean(θ)、CFx_rms(θ)、CFy_mean(θ)和CFy_rms(θ)表示.考虑建筑振动后的x轴和y轴向风荷载系数脉动值分别用CFx_rms″(θ)和CFy_rms″(θ)表示.气动力系数功率谱表示量纲为一时折算功率谱形式S*CF(θ, f)=fSM(θ, f)/(0.5ρUH2BaH2)2，其中,
SM(θ, f)为风向角为θ下的基底弯矩响应功率谱.最大与最小风荷载系数分别定义为CF_max(θ)=CF_mean(θ)+gCF_rms″(θ)和CF_min(θ)=CF_mean(θ)－
gCF_rms″(θ).其中，峰值因子
基于上述方法计算得到的各工况下的风荷载系数，可分析各周边建筑的影响.
4.1 拟建大高楼的影响图 5a和5b分别给出目标建筑在工况2和工况3下CFx和CFy随风向角变化的情况.通过比较可以发现，在风向角350°附近，目标建筑受拟建大高楼的影响最为突出.相比于“既没有大高楼也没有背景建筑群”的工况2，工况3中新增的大高楼使得目标建筑x轴向和y轴向的峰值风荷载都有所增大，且x轴向峰值风荷载增大的幅度更加显著.
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图 5 工况2和工况3的CF统计值对比 Fig.5 The comparison of CF between Case 2 & Case 3 |
为了解释这一现象，图 6给出了目标建筑在工况2和工况3下CFx_rms和CFy_rms随风向角变化的曲线图.可以观察到在350°风向角，顺风向CFy_rms受拟建大高楼影响增大了约41%，而横风向CFx_rms的增幅甚至达到了105%.
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图 6 工况2和工况3的CFx_rms和CFy_rms值随风向角变化 Fig.6 CF_rms of Case 2 & Case 3 versus wind angles |
350°风向角附近，目标建筑脉动气动力的增大与上游拟建大高楼的尾流旋涡脱落有关.在350°风向角附近，大高楼正好处于目标建筑上游，来流经过大高楼后会发生旋涡脱落现象，尾流中相互交替的旋涡会极大地激励下游建筑的横风向气动力，使其横风向气动力脉动值显著增大.顺风向气动力的脉动值也会受到上游大高楼的干扰，但不会有横风向显著，这与图 6中的分析结果一致.
图 7给出目标建筑在350°风向角下x轴和y轴向的气动力系数功率谱.观察发现，不论是SFx*还是SFy*，工况3中功率谱的能量在关注的频率范围都比工况2中要大很多，甚至在某些频率点出现了明显的谱峰，这与拟建大高楼对来流的干扰以及尾流旋涡脱落的频率有一定关系.
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图 7 工况2和工况3在350°风向工况下的S*CF Fig.7 S*CF of Case 2 & Case 3 at a wind angle of 350° |
撇开拟建大高楼对目标建筑气动力脉动值的影响，考查图 5a和5b中各工况的气动力系数平均值，可以发现在350°附近风向角，由于拟建大高楼的遮挡作用使得气流的方向发生一定变化，原本接近0值的CFx_mean显著偏离0值附近，并使得原本绝对值较大的CFy_mean却明显减小.可见，当拟建大高楼相对目标建筑处在来流上游时，它的遮挡效应以及尾流旋涡脱落，会使得目标建筑横风向气动力平均值显著增大的同时, 顺风向气动力平均值明显减小.
为了进一步研究在实际情况下拟建大高楼对目标建筑风荷载的影响，图 8和图 9分别给出了在工况4和工况5中目标建筑CFx和CFy随风向角变化情况.其中工况5为全部干扰建筑均存在的工况，而工况4相比工况5去掉了拟建大高楼.与前文中理想状态下的“工况2和工况3”不同，“工况4和工况5”的对比研究是在有背景建筑群干扰的前提下进行的，以反映目标建筑在实际情况下的受扰情况.
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图 8 工况4和工况5的CFx统计值对比 Fig.8 The comparison of CFx between Case 4 & Case 5 |
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图 9 工况4和工况5的CFy统计值对比 Fig.9 The comparison of CFy between Case 4 & Case 5 |
通过对比工况4与工况5，发现在350°风向角附近有与工况3相对于工况2一致的变化规律：在x轴方向，目标建筑CFx_mean的绝对值和CFx_rms都由于拟建大高楼的尾流旋涡脱落的影响而显著增大，最终导致目标建筑CFx_peak增大，使得其控制值(所有风向下CFx_peak的最不利值)增大了10%左右；在y轴方向，目标建筑的CFy_rms也会受大高楼尾流旋涡脱落的影响而有所上升，同时由于拟建大高楼的遮挡效应，目标建筑的CFy_mean绝对值会下降.
此外，仔细观察图 8还可以发现在170°风向角附近，目标建筑的CFx_peak受拟建大高楼的影响而显著降低.反观图 5a，虽不如图 8明显，但在180°风向角附近也能观察到的类似情况，即目标建筑CFx_peak被背风面的拟建大高楼削弱.为了解释这一情况，图 10和图 11分别给出了上述两种情况下目标建筑的x轴向气动力系数功率谱SCFx*.通过观察发现，两功率谱图中均可以看出目标建筑的横风向气动力系数均方根值会由于拟建大高楼的干扰而有所降低，图 10中目标建筑受拟建大高楼影响较图 11更为明显.
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图 10 工况4和工况5在170°风向角下的SCFx* Fig.10 SCFx* of Case 4 & Case 5 at a wind angle of 170° |
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图 11 工况2和工况3在180°风向角下的SCFx* Fig.11 SCFx* of Case 2 & Case 3 at a wind angle of 180° |
可见，拟建的大高楼对目标建筑风荷载的影响并非仅发生在其位于目标建筑上游时，当拟建大高楼相对于目标建筑处在来流下游时，它会一定程度上削弱目标建筑的横风向脉动气动力，且不同于理想状态，在实际城市中目标建筑的周边有众多低矮建筑存在，下游拟建大高楼的影响可能更为显著.
综上所述，当拟建大高楼处在目标建筑上游时，其遮挡效应会减小目标建筑的顺风向气动力平均值，其尾流旋涡脱落现象将增大目标建筑顺风向和横风向的气动力脉动值，最终可能会导致目标建筑横风向的风荷载峰值显著增大；拟建大高楼处在目标建筑下游时，它会一定程度上削弱目标建筑横风向脉动气动力，且背景建筑群的出现不但不会改变大高楼对目标建筑的影响规律，可能还会使得下游拟建大高楼的影响更为显著.
4.2 等高姊妹楼的影响图 12和图 13分别为目标建筑在工况1和工况2下CFx和CFy随风向角变化情况.工况2在工况1基础上仅仅新增了等高的姊妹楼.
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图 12 工况1和工况2的CFx统计值对比 Fig.12 The comparison of CFx between Case 1 & Case 2 |
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图 13 工况1和工况2的CFy统计值对比 Fig.13 The comparison of CFy between Case 1 & Case 2 |
就平均气动力而言，等规模姊妹楼的影响主要体现在对目标建筑CFx_mean的影响上，而对目标建筑CFy_mean的影响很小.从工况2与工况1的差异可以看出，在风向角为20°~120°时，目标建筑的CFx_mean绝对值受姊妹楼干扰显著.其中，在40°风向角附近，目标建筑CFx_mean的绝对值因姊妹楼影响减小了约38%，而在风向角为70°附近(姊妹楼位于目标建筑正上游方向)时，姊妹楼对目标建筑的影响最大，它使目标建筑CFx_mean的绝对值减小了约67%.
就峰值风荷载而言，观察图 12和图 13可以发现，从0°~140°风向角附近，目标建筑的x轴和y轴向的风荷载峰值均会由于新增姊妹楼的影响而有所降低.为了解释这种现象，图 14给出了目标建筑在工况1和工况2下, CFx_rms和CFy_rms随风向角变化的曲线图.
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图 14 工况1和工况2的CFx_rms和CFy_rms值随风向角变化图 Fig.14 CF_rms of Case 1 & Case 2 versus wind angles |
通过比较图 14中工况1与工况2的差异可知，等高姊妹楼对目标建筑脉动气动力的影响从0°风向角开始，一直到140°风向角结束.这期间目标建筑的CFx_peak和CFy_peak均会受姊妹楼干扰而有所降低.风向角在70°左右时，姊妹楼处在目标建筑正上游，对目标建筑CFx_peak的影响最为显著，使之从0.86降低到0.35，减小了约60%.
可见，当等高的姊妹楼处在来流上游时，它不但会使目标建筑顺风向的平均和脉动气动力都显著降低，同时还会使其横风向脉动气动力也有所下降，这主要是由于姊妹楼与目标建筑距离非常近，遮挡效应十分显著.目标建筑迎风面在被上游姊妹楼遮挡的情况下，减小了来流的直接作用，迎风面的风压不论是平均值还是脉动值均显著降低，而其背风面的风压变化不大，故其顺风向不论是平均气动力还是脉动气动力均会显著下降.同时，来流在姊妹楼迎风面发生分离，尽管在姊妹楼自身的侧风面迎风边缘附近的风压脉动值会很大，但当气流从姊妹楼迎风边缘沿其侧立面流向背风边缘时，其风压脉动值不断减小并逐渐趋于稳定，等到达目标建筑侧立面时风压脉动值远小于没有姊妹楼的情况.
仔细观察图 12还可以发现，相对于工况1而言，新增姊妹楼后的工况2中CFx_peak在160°~190°风向角之间明显增大，相同的情况还可在300°~340°风向角之间观察到.这表明，当姊妹楼相对于来流处在目标建筑一侧时，会增大目标建筑的横风向峰值风荷载，这是由于狭管效应导致目标建筑与姊妹楼之间的气流流速显著增大导致的.
图 15给出了目标建筑在70°和180°风向角下x轴向的气动力系数功率谱SCFx*.图中可观察到，在70°风向角下，SCFx*低频段的能量在工况2中的值小于在工况1中的值，而在高频段工况2中的值稍大于工况1中的值，这是由于低频段能量来源于来流紊流，受姊妹楼的遮挡后不能直接作用于目标建筑，而高频段能力的增大来源于姊妹楼的尾流脉动.最终导致工况2中功率谱曲线函数对频率的积分值
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图 15 70和180°风向角下工况1和工况2的SCFx* Fig.15 SCFx* of Case 1 & Case 2 for 70°& 180° |
综上所述，当姊妹楼相对于目标建筑处在来流上游时，其遮挡效应不但会使目标建筑顺风向气动力平均值和脉动值都显著降低，同时还会使目标建筑横风向气动力脉动值也有所下降，从而降低目标建筑顺风向和横风向的风荷载峰值；当姊妹楼相对于来流处在目标建筑一侧时，它与目标建筑间狭管效应会增大目标建筑的横风向气动力脉动值，从而最终增大目标建筑的横风向风荷载峰值.
4.3 背景建筑群的影响图 16和图 17分别为目标建筑在工况2和工况4下x轴及y轴向的风荷载系数CFx和CFy随风向角变化的情况，其中, 工况4是在工况2的基础上新增了背景建筑群.
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图 16 工况2和工况4的CFx统计值对比 Fig.16 The comparison of CFx between Case 2 & Case 4 |
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图 17 工况2和工况4的CFy统计值对比 Fig.17 The comparison of CFy between Case 2 & Case 4 |
通过比较工况2与工况4的气动力系数平均值的差异可以看出，风向角处于270°~290°之间时工况4中的CFx_mean显著降低，风向角为290°~340°时CFy_mean的绝对值也降低了很多.这主要是由于在270°~340°方向有密集的背景建筑群，它们虽然相对于拟建大高楼较低矮，但也不乏与目标建筑高度相当的建筑存在，其遮挡作用不可忽视.
比较图 16和图 17中工况2和工况4的风荷载系数峰值还可以发现，在340°风向角附近，背景建筑群的存在会使目标建筑x轴向的峰值风荷载有所增强.这主要是由于在北偏西20°方向(风向角340°，目标建筑+y方向)较远的地方，都是与目标建筑等高的背景建筑，当来流经过他们再到达目标建筑时，目标建筑的脉动气动力不论是x轴向还是y轴向均显著增大，最终可能导致目标建筑风荷载峰值的增大.
为了进一步在有拟建大高楼的前提下研究背景建筑群对目标建筑的干扰效应，图 18和图 19分别为目标建筑在工况2、工况3和工况5下风荷载系数CFx和CFy随风向角变化情况，其中，工况3和工况5均有拟建大高楼，且工况5相比工况3新增了周边的背景建筑群.
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图 18 工况2，工况3和工况5各工况的CFx统计值对比 Fig.18 The comparison of CFx among Case 2, Case 3 & Case 5 |
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图 19 工况2，工况3和工况5各工况的CFy统计值对比 Fig.19 The comparison of CFy among Case 2, Case 3 & Case 5 |
通过比较图 18和图 19中工况3和工况5的差异，可以看到就气动力平均值而言, 背景建筑群对目标建筑的影响与图 16和图 17中所示的规律一样，即在背景建筑群较密集的风向角下主要起遮挡来流的作用.而就风荷载峰值而言，在拟建大高楼影响最为突出的350°风向角附近，背景建筑群的存在会使目标建筑x轴向及y轴向的风荷载峰值都有略微的降低，但与工况2相比，目标建筑受拟建大高楼的影响依然十分显著.
同样的情况也出现在目标建筑的气动力脉动值上.在图 20和图 21中，通过比较350°风向角附近工况5和工况3的差异，可以发现，在无背景建筑群的工况3里，CFx_rms受拟建大高楼影响上升最大，而当有背景建筑群的影响时，CFx_rms有略微降低，但仍然很高.可见，尽管背景建筑群的存在的确可略微削弱上游拟建大高楼对目标建筑气动力脉动值的干扰作用，但拟建大高楼对目标建筑的影响仍然十分显著.
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图 20 工况2，工况3和工况5各工况CFx_rms随风向角变化 Fig.20 CFx_rms of Case 2, Case 3 & Case 5 versus wind angles |
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图 21 工况2，工况3和工况5各工况CFy_rms随风向角变化 Fig.21 CFy_rms of Case 2, Case 3 & Case 5 versus wind angle |
图 22和图 23给出各工况下目标建筑在350°风向角时的x轴向和y轴向气动力系数功率谱.图中可以清楚的看到，相比于工况3中的情况，工况5中由于背景建筑群的出现，目标建筑的x轴向和y轴向气动力系数均方根值都有所削弱，但还是显然要比没拟建大高楼的工况2要大很多.
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图 22 350°风向角下工况2，工况3和工况5各工况的SCFx* Fig.22 SCFx* of Case 2, Case 3 & Case 5 at a wind angle of 350° |
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图 23 350°风向角下工况2，工况3和工况5的SCFy* Fig.23 SCFy* of Case 2, Case 3 & Case 5 at a wind angle of 350° |
综上所述，来流经密集的背景建筑群时，目标建筑顺风向气动力平均值会显著减小.一些与目标建筑等规模的背景建筑群可能会增大目标建筑的顺风向和横风向气动力脉动气值，最终导致目标建筑风荷载峰值的增大；同时，尽管背景建筑群的存在会削弱上游拟建大高楼对目标建筑的干扰，但大高楼对目标建筑的影响仍然相当显著.
5 结论基于一栋超高层建筑模型的刚性模型测压风洞试验，本文通过分析不同工况下目标建筑x方向及y方向风荷载系数试验结果的变化情况，讨论了邻近更加高大的大型超高层、等高的姐妹楼及其他背景建筑对目标建筑风荷载系数的影响，得出如下结论：
(1) 拟建“高大”建筑的遮挡效应会减小下游既有较低矮建筑的顺风向气动力平均值.但与此同时，由于尾流旋涡脱落的影响，“高大”建筑的出现也可能会显著放大下游“低矮”建筑的顺风向和横风向气动力脉动，最终导致其横风向风荷载峰值显著增大，这可能使得原结构设计变得不安全.
(2) 拟建“高大”建筑也会在一定程度上削弱其上游邻近较低矮建筑的横风向气动力脉动，背景建筑较密集时这种影响有可能更为显著.
(3) 紧邻的等高姊妹楼的遮挡效应可能会使下游目标建筑的顺风向气动力平均值和脉动值以及横风向气动力脉动值都有所下降；当姊妹楼相对于来流处在目标建筑一侧时，它与目标建筑间的气流可能会产生狭管效应，导致目标建筑横风向气动力脉动值的增大.
(4) 背景建筑群主要起遮挡来流的作用.在上游背景建筑比较密集时，下游建筑的顺风向气动力系数均值会显著降低.当上游出现一些与目标建筑等高度的背景建筑群时，目标建筑的顺风向和横风向气动力脉动值可能会被放大，导致风荷载峰值的增大.当拟建大型超高层建筑处在目标建筑上游时，背景建筑群的存在会略微削弱大型超高层对目标建筑的干扰效应.
(5) 在实际工程中建设一座比周边建筑更高大的超高层建筑时，它可能会对周围的邻近建筑有不利影响.设计者在关注周边建筑对其风荷载的影响时，也应该就拟建高大建筑的出现对邻近建筑风荷载的影响给予足够的重视.
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