河南藝術中心建筑群體結構的風效應分析

1風對結構的作用河南藝術中心由大型劇院、音樂舞蹈場、音樂舞蹈館、美術館、南北藝術墻和共享廳組成。這是一座獨特的建筑，由不同的建筑類型組成。藝術墻位于建筑群體中央,各單體建筑對藝術墻干擾的集群效應明顯,其獨特的喇叭口造型產生聚風效應。基于上述建筑體型特點,藝術墻結構風荷載體型系數分布將十分復雜。藝術墻結構具有質量輕、柔性大、阻尼小的特點,為風敏感結構體系。風荷載是藝術墻結構安全設計的控制因素,體型系數是風荷載計算的重要參數,同時是結構風振響應計算的基本參數。因此,為保證藝術墻抗風安全性能,進行了風洞試驗。工程依據風洞試驗結果,重點對藝術墻典型部位的風荷載體型系數進行歸納對比分析,總結集群建筑中的遮擋作用、峽谷效應、漩渦效應交互作用的集群效應影響規律,為類似工程提供參考。2大氣邊界層模擬模型風洞試驗是在同濟大學土木工程防災國家重點試驗室風洞試驗室的TJ-2大氣邊界層風洞中進行的(圖1)。南、北共享大廳藝術墻模型內外表面上共布置了280個測點。根據河南藝術中心周圍數公里范圍內的建筑環境,風洞試驗的大氣邊界層流場模擬為B類地貌風場。試驗以1/150的幾何縮尺比模擬B類風場。定義來流風從東北方向吹向河南藝術中心中軸線時的風向角為0°,按順時針方向增加。模型方位及風向角定義見圖2。風向角間隔取為15°,每一輪試驗共有24個風向(即24個試驗工況)。試驗分四輪進行,則共有96個試驗工況。對于藝術墻主體結構設計,需要用到的是各對應測點上的凈壓差值,即將各測壓點內外表面同步測壓所獲得的測點對的兩個時域信號相減后得到該測點處的凈風壓時域信號,再對其進行統計分析。算得各測點對總內外測點的凈壓力系數及體型系數。3藝術墻模型的風洞試驗數據和分析3.1風荷載體型系數按測得的平均風壓系數轉換得出的風荷載體型系數最大、最小值見表1。風荷載體型系數以風荷載指向藝術墻圓心為正,偏離圓心為負。風荷載體型系數按荷載規范(GB50009—2001)取值,參考第33項獨立墻及圍墻,μs=+1.3,其中迎風面體型系數為0.80,背風面體型系數為0.5。而按風洞試驗得出的體型系數最大值為μs=+2.38,最小值為μs=-3.84。由此可見集群建筑的干擾效應對藝術墻風荷載體型系數影響非常大,并且影響程度、范圍復雜多變,值得深入分析。3.2分析研究點現對藝術墻上比較有代表意義的測點風荷載體型系數分布規律進行分析研究。在南北藝術墻上找出相對應的七個測點。風洞試驗測點布置見圖3,測點的風荷載體型系數沿風向角變化趨勢見圖4。4系數分布規律及原因分析4.1藝術墻是指以弧圓為中心的正風壓系數4.1.1南墻大力性能藝術墻高點正風壓體型系數最大值均出現在藝術墻指向圓心的法線來流風向,體型系數最大值為1.10～1.50,平均值為1.30,接近規范單片墻取值。正風壓體型系數沿墻弧線長度方向呈現兩端大、中間小的分布形態,端部最大值與規范取值1.30的比值為1.44/1.30≈1.10。南墻高端高點12-1迎風面體型系數0.35×(350/40)0.32=0.70,背風面體型系數0.37×(350/40)0.32=0.74。可見體型系數干擾放大(0.74/0.50=1.48)主要是背風面漩渦作用引起的。藝術墻高點指向其圓心的法線來流風速,基本不受五個蛋體建筑的干擾影響,兩片藝術墻之間僅在墻的中間部分存在程度較小的遮擋減速相互干擾,這正是形成藝術墻高點指向圓心正風壓體型系數分布規律的機理。4.1.2北藝術墻大力推進不穩定區域內的體型系數藝術墻低點正風壓體型系數最大值與高點一樣,出現在藝術墻指向圓心的法線來流風向。形成該規律的原因同樣是因為五個蛋體未對該方向的來流風產生遮擋減速影響。但藝術墻低點體型系數最大值范圍與高點相比,呈現出大幅度變化。高端低點處最大值為1.90～2.40,干擾系數為2.40/1.30≈1.85。低端低點處最大值為1.20～1.50。北藝術墻弧線內蛋體建筑與藝術墻距離更近,其高端低點最大值也更大(2.40)。形成該規律的原因是來流風在越過藝術墻后,突遇受到蛋體遮擋,從而在墻弧線內側與蛋體間形成強漩渦,局部形成強大風速。墻體愈高,蛋體愈近,局部風速愈強,其背風面體型系數愈大。根據風洞試驗報告數據,北藝術墻高端低點(測點10-13)的135°來流風時其迎風面體型系數0.31×(350/12.5)0.32=0.90,背風面體型系數0.51×(350/12.5)0.32=1.48,蛋體對藝術墻漩渦加速干擾對背風面體型系數放大1.48/0.50=2.96倍。沿墻弧線長度方向的中間部位,體型系數數值范圍為0.26～0.91,比兩端低點值偏低很多。原因一是其弧墻內側為封閉共享大廳,無負風壓;二是相鄰藝術墻對其遮擋減速程度較大。4.2藝術墻偏離圓弧圓的負風壓系數4.2.1最大體型系數藝術墻高點負風壓體型系數最大值,對應的來流風向與正風壓不同,均沒有出現在對應測點藝術墻偏離圓心的法線來流風向,而是出現在藝術墻與蛋體之間形成的“峽谷”方向。例如南、北藝術墻高端法線分別為60°,300°來流風向,而最大風方向分別為沿“峽谷”方向的120°,210°來流風向。北藝術墻由于大劇院、音樂廳、小劇場三個蛋體遮擋的高度、范圍均較大,總體上最大的體型系數數值偏低。在負風壓全部來流風向有遮擋的測點(10-42～10-49)區域數值0～-1.0,其它部位為-1.2～-1.6之間,平均值為-1.4,干擾系數為1.1。與南藝術墻一組的美術館、藝術館兩個蛋體的遮擋高度、范圍均較小,因此總體上最大體型系數數值比北藝術墻偏高,分布在-1.3～-1.7之間,平均值為-1.5,干擾系數為1.15。總之,藝術墻高點負風壓體型系數最大值受集群建筑的干擾較小,這是因為蛋體與墻體高度相差不大,對藝術墻高端的遮擋減速作用有限。例如北藝術墻盡管各測點在法線來流風向均受遮擋,但總有來自“峽谷”的來流風,“峽谷”來流風向與法線負風壓的夾角造成風速損失。由于“峽谷”來流風具有強勁的流體加速效應,使得該點的負風壓體型系數的集群效應仍是放大作用,干擾系數為1.1～1.15。4.2.2南藝術墻高端點側面體型系數壓力型藝術墻低點負風壓體型系數最大值對應的來流風向與高點負風壓體型系數最大值基本吻合。該現象很容易由固體與流體相互作用的流體力學概念得到解釋。藝術墻負風壓體型系數最大值在其高端高、低點數值分布差距不大,干擾系數為1.1左右。值得關注的是南藝術墻低端低點(測點12-51)負風壓體型系數數值明顯偏大,達-3.84。迎風面體型系數-0.45×(350/11.9)0.32=-1.33,峽谷風壓放大效應1.33/0.80=1.66;背風面體型系數-0.85×(350/11.9)0.32=-2.51,漩渦干擾系數2.51/0.50=5.02;綜合干擾放大系數3.84/1.30=2.95。但是,在南藝術墻高端低點(測點12-13),迎風面體型系數-0.33×(350/11.9)0.32=-0.98,峽谷風壓放大效應為1.23;背風面體型系數-0.25×(350/11.9)0.32=-0.74,漩渦干擾系數為1.50;綜合干擾放大系數1.72/1.30=1.32。由此可見對于特殊復雜體型的集群建筑,其風荷載體型系數是無法進行理論計算和一般經驗判斷的,進行風洞試驗測定該類建筑體型系數對保證結構安全是非常必要的。5建筑中高端相對偏小的傳播特性,尤其體現在限制制度上的干擾效應處于特殊復雜體型的集群建筑中的藝術墻,其風荷載體型系數的干擾系數(風洞試驗測試值/單面墻按規范取值)具有以下規律:1)集群建筑中突出于群體的高點部位干擾效應小,干擾