流场对垂直森林建筑风荷载影响的研究

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城市化进程的加快,推动着经济的发展也带来了日趋严重的环境问题,城市可持续发展的理念日渐深入人心。垂直森林建筑通过在建筑物上进行立体化的植被种植,不仅满足传统建筑功能,也能体现出人、自然与建筑的和谐共处。随着垂直森林建筑高度的逐渐增加,风荷载成为主要控制荷载。相较传统矩形截面高层建筑,垂直森林建筑外立面布置大量的阳台和高大的树木,不同风场类型对其风荷载有明显影响。鉴于此,开展此类研究可以更好地理解垂直森林建筑风荷载特性,从而提高结构的抗风性能,为相关建筑的设计提供参考。
  本文基于刚性模型同步测压和高频底座天平测力试验,对均匀流场和A类风场中垂直森林建筑进行风荷载特性研究,主要工作和结论如下:
  (1)以米兰“垂直森林”(BoscoVerticale)为主体结构原型并布置408棵不同类型树木进行测压和测力试验模型设计。为考虑风与树之间的相互作用,对部分树木进行Cauchy数相似的气弹模型设计。
  (2)进行刚性模型测压试验,分析不同风场中各立面及屋面风压系数。结果表明,A类风场中,各立面脉动风压显著增加,侧风面、背风面及屋面处平均负压增加,迎风面平均正压有所降低。
  (3)对测压试验中脉动风压结果进行水平和竖向的功率谱、相关系数及相干函数分析,研究不同风场类型对脉动风压频谱特性及相关(干)性的影响。与普通矩形截面建筑相比,侧风面分离和再附会发生在更低的湍流度和宽厚比中。宽厚比为1.67时,来流风在侧风面发生分离与再附,再附区内水平相关性升高。湍流度的增加使得结构在0.81H处上下流动特性发生变化同时增加表面风压的水平和竖向相干性。
  (4)进行刚性模型测力试验,通过平均、脉动基底气动力和基底弯矩功率分析,研究不同风场对基底气动力特征的影响。A类风场中,横风向弯矩功率谱在长边迎风时表现为窄带高峰值特征;短边迎风时峰值降低,带宽增加。根据改进的经验公式对不同风场类型基底弯矩功率谱进行拟合,拟合程度较好。
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