规范玻璃幕墙风洞试验的若干思考

                                                                                 张 芹

      玻璃幕墙风荷载是玻璃幕墙设计诸荷载(作用)中最重要的一项。它的取值直接影响玻璃幕墙的安全，尤其是体型复杂的高层建筑玻璃幕墙的设计风荷载更要慎重采用。《玻璃幕墙工程技术规范》JGl02—2003规定：  “玻璃幕墙的风荷载标准值可按风洞试验结果确定；玻璃幕墙高度大于200m或体型、风荷载环境复杂时，宜进行风洞试验确定风荷载。”
      风压是速度压，风速只是代表在自由气流中某点的风速，房屋建筑设计时不能直接以该风速作为结构荷载，因为房屋本身并不是理想地使原来的自由风流停滞，而是让气流以不同方式在房屋表面绕过，因此房屋对气流形成某种干扰，要完全从理论上确定气流影响的物体表面的压力，目前还是做不到。一般都是通过试验的方法确定风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与来流风压的比值，即风荷载体型系数，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型与尺度有关(荷载规范共列出38种基本体型)，当周围有较多高层建筑时，这一群体对风产生特定的群体干扰因而形成了特定的风环境，对所设计的高层建筑也会产生影响，受到群体干扰影响时，对称的截面形状会出现并不对称的风压分布，特别是上游和下游建筑物对气流产生的干扰造成群体干扰影响下的气流特性与单体有很大差别，而我国现行规范未考虑群体干扰的影响因素，还有一些高层建筑采用一些特殊的体型(非基本体型)，且不同高度采用不同的截面形状，沿高度变化的截面风压分布，再加上群体干扰的影响，其风压分布复杂多变，例如正负风压系数都出现在双园弧面尖角拐角，双园弧面与过渡段交接处的尖角上有极强的压力脉动等，这些分布规律在荷载规范风荷载体型系数表中是查不到的，需要通过风洞试验来验证和确定。一些高层建筑即使平面形状与基本体型相似，但周围环境不尽相同，最好还是通过风洞试验来确定风荷载体型系数。现在已有很多高层建筑采用风洞试验来确定风荷载，经过对一部份风洞试验报告分析，发现在同一地点，高度、体型均相近的建筑设计风荷载取值悬殊，也有同一建筑由两个试验单位试验，试验结果差别很大，甚至有些试验单位的试验报告提出的设计风荷载方案中，出现按C类地区计算出的风压比按B类计算的数据要大的不正常情况。产生这些问题的原因主要是没有规范风洞试验，风洞试验单位各自为政，有些试验单位对同一个建筑的风洞试验中各个参数采用不同国家规范或学者的著作，拼凑出试验报告，计算出风荷载，这种风洞试验报告得出的设计风荷载的结论是不科学的，也就自然谈不上可靠度，用这样的设计风荷载来设计幕墙就使设计埋下不安全隐患，因此规范玻璃幕墙风洞试验实为当务之急。
      目前，大多数风洞试验都是在模拟了大气流动的风洞中进行的。因此我们认识地球边界层中风流通的性质很有意义，然后我们才能在风洞中再现它，这些要在风洞试验中再现的“目标”性质是通过对大气边界层的气象研究获得的。上面所述风洞试验中出现的种种问题都是由于在风洞试验中再现的地球边界层中风流动的性质不规范所造成的。怎样来规范玻璃幕墙风洞试验呢?我认为只有依据中华人民共和国国家标准《建筑结构荷载规范)GB50009规定的有关参数来确定再现在风洞试验中风场的性质，才能得出正确的结果。这是因为荷载规范是对地球边界层中风场的性质的科学总结，她是国家的技术法规，是强制性标准，她是在结构的可靠与经济之间的一种合理平衡，达到失效概率足够小的设计参数。
    下面分五个问题来讨论：
    1、风洞试验中风剖面的模拟。风洞试验要求在边界层风洞内进行，应当注意地面粗糙性质的模拟，不同地貌模拟得出的结果很不相同。平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速，也常称为风剖面，它是风的重要特征之一，在大气边界层内，风速随离地面高度而增加，当气压场随高度不变时，风速随高度的增加的规律主要取决于地面粗糙度，即地面磨擦的结果。通常认为在离地面300500米时，风速不再受地面粗糙度的影响，能够在风压梯度的作用下自由流动，也即达到“梯度风速”，达到该风速的高度称为梯度风高度，荷载规范将地面粗糙度分为A、B、C、D四类，各类地区的梯度风高度和用指数律描述风压高度变化系数的指数规定如下：
    地面粗糙度类别  梯度风高度(m)

      至于有些地方标准规定的。值也可采用为该地区设计用。值。如果科研所，设计单位根据多年利用高塔气球的大量风速观测资料，经统计分析得出的指数值o，经专家评审通过并经当地建设行政主管部门批准后也可采用。那些凭个人推想或随便摘抄外国规范和专著的参数是不能采取的。
     2、风洞试验用风速与自然风场中风速对应高度的选择，也是风洞试验时确定风剖面的重要问题，现在风洞试验有两种选择，一种是选择该建筑物高度上某一标高处；另一种是选择建筑物上空梯度风高度标高处的风速与风洞模拟高度相应。只有采用后者模拟的风速剖面才更吻合大气层气流对建筑物表面的压力(吸力)分布规律，且为下一步计算带来方便。

     3、风洞试验时，对周围建筑物按现状或设计规划，模拟高层建筑群体形成的局部风环境，但这一风环境在此建筑生存期间可能会改变，即有可能出现对本建筑更不利的群体干扰影响，因此在试验时，还要对周围环境进行调整，取最不利组合进行补充试验，得出该组合时群体干扰影响和压力分布。
     4、随机变量概率分布模型及可靠度指标的选择。在风洞试验时，紊流场中风压脉动是个随机变量，必须对所记录的数据进行概率统计分析，根据多个风洞试验所记录的数据

    还有的试验单位用其它国家资料中戴维氏与哈利氏风模的参数计算，得出上海市某C类地区风速大于B类同一高度风压。
    C．建筑物设计用地区粗糙度类别，只能按现有周围规划范围内建筑物平均高度确定。不能考虑这地区开发前景若干年后可能建成的建筑物平均高度来确定，例如将上海浦东金桥地区“随着发展考虑为市区”，因为在此未完成发展期间谁也不能保证不发生设计
规定重现周期的大风，如果发生这样的大风，此建筑的失效概率将超过国家允许值。

       E．有的风洞试验报告“设计风速根据中国国家规范”而在计算风压时“按澳大利亚标准AS1170．2—1989计算设计风压”，由于两个规范据以制定的设计原则不一样，是不能混用的。

综上所述，我们可以看出，风洞不能自动创造某建筑物所在地点的风环境，并得出建筑物表面各处风荷载。建筑物所在地点的风速是通过风速仪等仪器长期观测纪录、并经数理统计分析得出的；对风剖面还要用高桅塔或高空气球来测得不同高度风速后进行数理分析、回归成公式来表述。因此不是风洞创造风环境，而是人根据长期观测资料的分析结果确定风环境有关参数，风洞试验时，在风洞中摸拟预定的风环境，风洞中摸拟的风环境与再现的预计风环境近似程度完全取决于人对风环境有关参数的理解和运用。如果风环境参数选择不当，则模拟的风环境与预定情况大相径庭。同时还要指出风洞试验的结果主要是体型系数——来流风压与建筑表面实际(压)吸力的比值，也有的风洞试验可在风洞中的各高度调整风速来测得不同高度的体型系数(即体型系数与高度系数近似乘积)，各处的风荷载是将测点的压力系数乘以风洞对应点风速换算成实际风环境中风速计算出来的，即风荷载是计算值，而不是直接从风洞试验中得到，在计算中采用的风环境计算参数取值直接影响风荷载计算结果。
      同时，还要指出，风洞试验只能得到建筑物外表面的体型系数，GB50009规定对围护构件尚需考虑内表面的体型系数+0．2或—0．2，因此要在风洞试验基础上考虑内表面的体型系数的增加值。
      为了保证风洞试验结果正确应用，对风洞试验单位提出的风洞试验报告要进行评审，根据评审结果修正后才能采用。