关键词：高层建筑 ；双层幕墙；风洞模型试验
玻璃幕墙由于它的轻盈、美观和采光好等优点在现代建筑中被广泛应用。“双层皮”幕墙是当今生态节能建筑中被广泛关注的一项先进技术,双层幕墙根据外、内通风的不同以及层间水平分隔的有、无等,可分为多种类型。其中以廊道式双幕墙, 即开敞式外通风双幕墙 ,应用最为广泛。它具备可自然通风,运行和维护费用低等优点。廊道式双层幕墙由内幕墙、外幕墙、及夹在中间而与外界通风的空腔组成。
一、双层幕墙的分类
1、自然通风幕墙：在建筑围护结构外增加，在没有太阳辐射时，外幕墙可以增加保温隔热作用。在有太阳辐射时，幕墙内通过烟囱效应，可实现和室外空气的自然通风。
2、主动幕墙：建筑围护结构外设置的另一层幕墙，内部回风通过幕墙的空气腔返回通风系统。有太阳辐射时，被遮阳幕吸收的热量可以由排风带走。在需要供热时，太阳辐射的能量可以通过热交换器回收。不管是在冬季没有或者很少有太阳辐射的时候，还是在夏季有辐射得热或冷负荷的时候，内层玻璃表面都能保持与室内温度接近，这可以提高外区幕墙附近使用者的舒适性。
3、互动幕墙：互动幕墙的基本原理与自然通风幕墙很相似，最大不同的是通风是强制性的。这意味着，系统可以工作在较高的环境温度中，而不是仅仅依靠烟囱效应。该系统适合炎热气候下冷负荷高的建筑。在冬季没有太阳辐射而室外温度较低时，可以使用最小通风增加保温效果。
二、模型试验
某楼为圆柱形塔楼总高度 111.6 m, 采用了双层幕墙体系内、外层幕墙的平均间距为0.7 m。在每个楼层顶部和底部的外层幕墙上分别设有出风和进风百叶 窗,利用热压原理和风压原理与外界进行自然通风,并模拟了外幕墙的通风口及双幕墙之间的通风廊道，由于综合办公楼高 82.6 m, 为一矩形截面建筑 ,横截面长 73.2 m, 宽 36.0 m, 长宽比较大 ,属于典型的板楼，整个外墙面饰以玻璃幕墙, 并在立面采用同类型的“开敞式外通风双幕墙 ”,见图。
该内、外幕墙之间距离最大为 4.2 m,最小 1.2 m,外幕墙在水平面内呈较小的斜度 (<4°)。刚性模型 为 1:100,同样按透空率相似原则在外幕墙上相应位置开孔来模拟通风百叶窗,以获得通风状态下双幕墙表面的风压，模型试验在模拟地貌 (α=0.16)的大气边界层建筑风洞中进行,平均风速和湍流强度沿高度的变化均满足 B类地貌的要求；在离地面高度30 m处,湍流强度为16%。参考点均选在风洞高度 1 m处,在风洞试验中, 采用各测点的压力相对于参考点高度处动压无量纲化的方法,得到风压系数：
对于玻璃幕墙等维护体系,脉动风压是其设计的重要依据。脉动风压试验得到的是一段时间内各测点的风压系数时间历程 Cpi(t),从中得到风压系数的平均值 Cpi和均方根值 Cpi,并按下式求出测点风压系数的极大值和极小值：
三、圆柱形建筑双幕墙风压分布规律
1、廊道两侧风压分布。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆试验在标高 24.6 m、46.8 m和 65.3 m等楼层布置了测点，根据高层建筑表面风压沿高度变化规律,对于玻璃幕墙等维护结构, 在(1/3)～ (3/4)的建筑高度范围内风压最大[1]；同时研究发现不同高程风压水平分布规律一致 ,故选其中有代表性的 C层 (标高 46.8 m)数据作为研究。
从图可以看出,无论是圆弧面上的测点还是凹槽处的测点,各风向角下廊道两侧墙面对应测点的平均风压系数基本一致,风压系数均方根值的对比也有同样的规律:(1)外幕墙的内表面和内幕墙的外表面风压基本一致。对于结构整体而言 ,它属于内力系统,因而在整体结构抗风计算时,只须考虑外幕墙外表面的风压作用, 其风载值与单幕墙基本一致。(2)可以用内层幕墙的外压来代替外层幕墙的内压。在双幕墙整体模型风洞试验中,由于模型的内外幕墙之间间距很小,不利于在廊道两侧相应测点同时布置测压管。因而可以只布置内幕墙外侧测点压力管,以此管测得的压力代替外幕墙内侧对应点压力,双幕墙廊道两侧压力一致, 这是由于双层玻璃幕墙在其外层幕墙和内层幕墙之间的换气廊道仅仅通过分布在外层幕墙上的有限开口与外界相通,形成了一个与外界相对隔绝的气室。
2、内 、外层幕墙负风压沿圆弧面分布。外层幕墙所受到的实际风荷载应为其内、外表面压力差,即净风压,净风压系数时程由内外表面对应测点同步测定的风压系数时程相减得到，抗风设计中,在考虑当地主导风向的前提下,同时必须兼顾各部位在0～360o风向角下的最大风压值,各风向角下的最大正风压和最大负风压起着控制作用,其脉动后各测点负风压值,脉动风压系数极大、极小值可由计算得到，大楼标准层截面外幕墙在各风向角下的最大净负风压系数和内幕墙外表面最大负风压系数分布: 沿着圆弧表面,内幕墙外压的分布趋于均匀。而外幕墙净风压分布则很不均匀:在圆弧端部附近净负风压系数最大达到近 -1.8,而圆弧中间段最大净负风压系数不到-0.5。造成内外幕墙净风压沿圆弧水平分布规律不同的原因如下:对于外层幕墙,由于其圆弧两端在建筑外形上有凹槽,气流在这里形成漩涡和分离,变化剧烈, 故对外幕墙端部产生比圆弧中间段大得多的吸力,外层幕墙的净风压小于内层幕墙的外风压，这是由于当建筑物外表面有小缝隙和气孔时,内压泄漏缓慢, 近似处于压力平衡的内压呈均匀分布 ,并近似等于建筑物表面上的外压力。
四、矩形建筑双幕墙风压分布规律
1、通风廊道两侧墙面风压分布。某办公楼双幕墙呈矩形,西墙短,南墙长, 取标高为45.6 m的标准层 C层测点数据作为研究对象。各风向角下双幕墙外墙内表面和内墙外表面的平均风压系数最大值，不论是正压还是负压,廊道两侧对应测点的风压系数值都很接近；只是在转角处, 由于气流转向时发生碰撞 ,略有不一致。[2]表明廊道两侧对应测点出现最大风压值的风向角一致。虽然圆弧形和矩形建筑外形不同, 但由于双幕墙气动结构和通风机理相同, 因而,在整体结构抗风计算时 ,同样可按相同体型单幕墙建筑的风载取值。
2、外幕墙净风压分布规律。全风向角下外幕墙风压系数最大值:①脉动风压分布规律与平均风压分布规律相似；②矩形长边中部区域测点 12～15的平均风压接近零值,脉动风压也较小 ,这说明在这一区域外幕墙的内、外风压基本一致 ,相互抵消； ③矩形短边及拐角处测点1～7以及测点18和19外幕墙净风压明显大于矩形长边处；尤其在拐角处测点外幕墙净风压很大,脉动风压系数达-1.71, 超过单幕墙对应值-1.26, 这说明在拐角处 ,外幕墙内、外风压出现异号 ,相互叠加。如图。
基于圆柱形建筑,不管圆弧中段还是圆弧端部,外幕墙内侧、内幕墙外侧两个面上的风压基一致。对于矩形建筑,外幕墙内侧、内幕墙外侧两个面上的风压也基本一致。不管圆形建筑,还是矩形建筑,在整体结构抗风计算时,可按相同体型单幕墙建筑的风载取值。对于 L形廊道式通风双幕墙,内幕墙风载可按单幕墙的取值,并偏向安全。
参考文献：
[1] 黄鹏, 顾明.双层玻璃幕墙风压分布特性的试验研究 [C]结构风工程学术, 2017.22.
[2] 赵西安，楼文娟, 孙炳楠.复杂体形高层建筑表面风压分布的特征 [J] .建筑结构学报,2018, 16(6):38 -44.
[3] 楼文娟, 金虎, 陈勇.双幕墙长矩形建筑风荷载特性的试验研究[J] .建筑结构学报, 2017, 26(1):65 -70.
论文作者:戴世佩
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第3期
论文发表时间:2020/4/22
标签：幕墙论文; 风压论文; 廊道论文; 系数论文; 建筑论文; 矩形论文; 圆弧论文; 《工程管理前沿》2020年第3期论文;