静止龙卷风状涡旋作用下高层建筑风荷载特性的实验研究

《Engineering Structures》：Experimental investigation on wind load characteristics of a high-rise building exposed to stationary tornado-like vortices

　　

## 摘要

当前国际高层建筑风荷载规范缺乏对龙卷风效应的相关规定。本研究通过风洞试验系统研究了龙卷风荷载特性，采用龙卷风涡旋模拟器，重点考察了不同漩涡比、建筑朝向角和与涡核中心的距离下风压系数、层风力系数和结构力系数的分布规律。此外，利用正交分解（POD）方法对近地表流场进行分析，以阐明龙卷风类似流场条件下结构荷载变化的驱动机制。结果表明，龙卷风荷载与大气的边界层（ABL）风荷载相比具有显著不同的特征，其独特的风压分布表现为顶部数值较低、底部数值较高。此外，漩涡比较小的龙卷风风场比漩涡比较大的表现出更随机的荷载特征。基于对比分析，提出了初步的龙卷风影响系数，以弥合常规风荷载计算与抗龙卷风设计需求之间的差距。

## 引言

全球快速城市化推动了高层建筑的建设，成为优化土地利用和缓解城市蔓延的关键策略。与中低层建筑不同，高层建筑具有低阻尼和高柔性的特点，使得水平风荷载成为结构安全和居住舒适度设计中的控制因素[1]。经过六十余年的风工程研究，通过理论框架和实验方法，在量化高层建筑风荷载和动态响应方面已取得重大进展[[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]]。然而，一个关键的知识缺口仍然存在：当前设计规范主要依赖天气系统风模型（如台风、冷锋），而对于龙卷风和下击暴流等非天气系统风灾缺乏经验数据或经经验证的协议。这些瞬态事件具有独特的气动特征，传统的大气边界层（ABL）风洞技术难以再现，从而降低了极端风条件下结构安全评估的可靠性。

全球气象记录强调了填补这一缺口的紧迫性。在中国，1961年至2010年间发生了165次EF2级龙卷风（瞬时风速：50-60 m/s），造成1772人死亡、32000人受伤以及灾难性的财产损失[12]。根据中国气象局（CMA）的气象灾害普查数据库，2007年至2017年间中国共记录了441次龙卷风灾害，累计经济损失超过13亿美元。年均经济损失达1.2亿美元，峰值损失发生在2016年，总计6.45亿美元[13]。随着风暴预测中心持续确认2024年发生的龙卷风，当前计数为1735次，这是有记录以来第二高的确认龙卷风数量（2004年为1817次），是30年（1991-2020年）平均值的142%（平均值为1225次）。2024年确认了四次EF-4级龙卷风。[14] 尽管存在这些风险，关于抗龙卷风设计的研究仍然主要集中于低层建筑。Mishra等人[15]率先测量了在不同距离的龙卷风类似涡核附近的立方体建筑上的压力分布，建立了关于空间荷载变化的基础性认识。后续研究扩展了这一范围：Sengupta等人[16]对比了微下击暴流和龙卷风作用下立方体建筑上准稳态和瞬态风荷载效应，而Yang等人[17]系统表征了龙卷风类似涡旋下低层模型上的流场结构和风荷载结果（包括力和力矩）。Case等人[18]进一步探讨了几何影响，量化了不同建筑形状和朝向角下的龙卷风荷载特性。Cao等人[19]通过大涡模拟补充了数值工作，评估了龙卷风在平顶和山墙屋顶低层建筑上的诱发的压力，而Wang等人[20]则实验研究了木结构建筑中屋顶的损伤机制。与此同时，Zhang等人[21]利用艾奥瓦州立大学的微下击暴流模拟器系统分析了高层建筑模型上的静力和动力风荷载行为，提供了与传统大气边界层（ABL）风条件下的关键对比。

然而，专门针对高层建筑在龙卷风下荷载特性的研究仍然明显碎片化，导致在开发可编码化设计准则所需的关键共识方面严重缺乏。关键缺口存在于三个层面：(1) 在基础层面，虽然Ashrafi等人[22]等研究已经观察到与大气的边界层（ABL）流动相比的表观差异，但龙卷风类似涡旋动力学（如漩涡比、涡核漂移）与高层建筑上的荷载分布之间的定量、机制性联系仍然缺失。(2) 在实验层面，现有研究往往关注孤立参数——如与大气边界层响应的对比[23]）或数值验证挑战[24]）——而非提供涵盖漩涡比、建筑朝向和涡核距离等关键变量的系统化、参数化数据集。(3) 在实际层面，这导致缺乏可量化的影响系数，无法调整常规大气边界层风荷载计算以适应龙卷风场景，使结构设计师缺乏可行的指导。

为了弥补这些缺口，本研究探讨了静止龙卷风类似涡旋动力学与高层建筑结构荷载之间的关系，旨在阐明特定气动特征对总体荷载模式的贡献。需要注意的是，本研究关注的是静止的龙卷风类似涡旋，而实际的龙卷风会沿地面移动。龙卷风的平移速度、路径距离和相对于建筑的方向可能会影响建筑物上风荷载的时空分布。关于平移龙卷风效应的先前研究表明：(1) 峰值风荷载可能在龙卷风中心经过建筑之后才发生[25]；(2) 平移运动可能会延迟最大平均和脉动压力的出现并略微降低峰值响应[26]；(3) 峰值压力和力倾向于随着平移速度的增加而减小[27]；以及(4) 静止涡旋产生的峰值压力可能比平移涡旋高出45%，这表明静止结果可能代表了最坏情况情景的包络[28]。虽然本研究的静止结果作为理解基本荷载特性的必要基线，但龙卷风平移效应被确定为未来工作的重要方向。

通过系统的风洞试验，控制三个主要参数——漩涡比（Sr）、建筑朝向角（α）和与涡核中心的径向距离（d/r）——本研究系统研究了静止龙卷风类似涡旋下高层建筑的风荷载特性。第2节描述了实验装置，包括建筑模型、龙卷风涡旋模拟器和风压测量系统，以及风压系数和力系数的定义。第3节展示了建筑表面的平均、脉动和峰值风压系数的分布，特别强调了漩涡比和建筑朝向角的影响。第4节考察了层风力系数和整体风力系数，包括环向压力分布和合力高度。第5节提供了与大气的边界层（ABL）风洞结果的对比分析，并提出了用于层力和局部峰值压力系数的初步龙卷风影响系数。

## 章节片段

### 建筑模型

本研究采用同济大学龙卷风涡旋模拟器，对在受控漩涡比龙卷风类似涡旋作用下矩形高层建筑进行刚性模型压力测量。原型结构为方形截面高层建筑，高度120 m，平面尺寸24 m × 24 m，按几何缩尺比1:500进行测试。48 mm（宽）× 48 mm（深）× 240 mm（高）的比例模型在四个立面上分布了256个压力测点（16个/立面）。

### 平均压力分布

图6展示了建筑朝向角α = 0°、漩涡比Sr = 0.09条件下的平均和脉动风压分布（A-D面）。在涡核半径内（|d/r| ≤ 1.13），龙卷风类似涡旋下的平均风压系数分布与大气边界层风（见第5节和图17的ABL结果和对比）完全不同，建筑所有表面的数值均为负值。

### 层风力系数

图13展示了不同漩涡比龙卷风类似涡旋下每层平均水平合力系数的垂直分布。与大气边界层（ABL）风洞试验相比，龙卷风诱发的层力系数表现出根本不同的荷载特征。在大多数情况下，下层力系数超过上层数值。

### 风压系数

为了阐明高层建筑在龙卷风类似涡旋下的独特荷载特征，本研究与大气的边界层（ABL）流（缩尺比：1/500）下的结果进行了对比分析，幂律指数αu = 0.15。平均风速廓线和湍流强度廓线如式(14)-(15)所示。

$$U(z) = 7 \times (z_{0.35})^{0.15}$$
$$I(z) = 0.11 \times (z_{0.35})^{-0.15}$$

其中z表示测试的实际高度。

图17展示了平均和脉动风压...

## 结论

本研究通过龙卷风涡旋模拟器中的风压测量，调查了高层建筑在龙卷风类似涡旋下的风荷载特性，包括风压系数、层风力系数和整体风力系数。采用正交分解（POD）方法对地面压力进行分析，以解释不同漩涡比下的风荷载机制。通过比较龙卷风下和大气的边界层风下的风荷载，提出了龙卷风影响系数。

## CRediT作者贡献声明

金镇江：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，方法学，形式分析，数据整理。曹晋信：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，指导，项目管理，资金获取，概念设计。曹书阳：写作—审阅与编辑，指导，概念设计。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

## 致谢

本研究由中国国家重点研发计划（批准号：2022YFC3803002）、国家自然科学基金（NSFC）（批准号：52178502和51878504）以及土木工程防灾减灾国家重点实验室研究基金（批准号：SLDRCE19-B-01）资助，谨致谢忱。

金镇江 | 曹晋信 | 曹书阳
同济大学 土木工程学院 桥梁工程系，上海，200092，中国