高樓柔性模型風洞實驗結果探討

此高樓柔性模型氣彈實驗係考慮一不受周圍地貌影響之三維方形斷面柱體，進行不 同風速下風洞實驗，量測建築物所受風力與扭力，並由實驗資料計算風力係數與扭力係 數、紊流強度大小，另亦由雷射位移計量測柱體頂端位移歷時，由量得實驗數據進行處 理後可探討此建築物模型之氣彈力效應。根據前述計算公式可以計算出如表8 及表 3-9 之試驗結果。

表

3-8 不同風速下模型受力結果

風速(m/s) 平均昇力 (N)

平均扭力 (x)(N-m)

擾動昇力 (N)

擾動扭力

(x)(N-m) 紊流強度 2.025138 -0.00829 -0.01177 0.182905 0.032525 0.52%

3.952005 -0.04064 -0.02639 0.189184 0.035122 0.27%

6.077465 -0.09036 -0.05456 0.199361 0.052698 0.30%

6.979274 -0.11772 -0.07591 0.232525 0.078565 0.34%

8.001345 -0.15806 -0.10942 0.322045 0.134928 0.32%

9.101560 -0.19031 -0.13474 0.843194 0.416503 0.31%

9.998727 -0.22768 -0.16315 1.240146 0.618983 0.52%

10.38162 -0.8019 -0.58836 13.90298 7.061092 3.37%

11.07587 -0.39854 -0.34295 23.97687 12.13533 1.92%

11.13344 -0.54403 -0.36755 49.17108 24.55034 0.30%

12.06369 -0.35934 -0.27224 4.423371 2.252709 0.36%

12.57146 -0.35709 -0.27034 2.200892 1.121981 0.40%

13.12481 -0.38667 -0.29045 1.602235 0.817021 0.29%

14.12382 -0.4346 -0.31698 1.230534 0.626116 0.30%

15.05125 -0.49049 -0.35744 1.28269 0.652842 0.25%

15.98232 -0.55947 -0.3987 1.601462 0.813017 0.19%

16.92691 -0.6935 -0.47161 1.661753 0.846214 0.42%

17.96952 -0.7185 -0.48557 1.719227 0.874663 0.36%

資料來源：本計畫實驗數據整理

表

3-9 不同風速下模型受力之風力係數

2.025138 0.048887 0.099276 1.079859 0.274318 3.952005 0.063021 0.058475 0.293291 0.077786 6.077465 0.059181 0.051079 0.130691 0.049352 6.979274 0.058447 0.053873 0.115584 0.055791 8.001345 0.05984 0.059186 0.121798 0.0729 9.101560 0.05565 0.056282 0.24646 0.173915 9.998727 0.055106 0.056425 0.300354 0.214161 10.38162 0.179891 0.188525 3.123401 2.266176 11.07587 0.079045 0.096959 4.732456 3.421744 11.13344 0.106661 0.102913 9.605086 6.850953 12.06369 0.059749 0.064659 0.735941 0.535422 12.57146 0.054735 0.059192 0.337192 0.245565 13.12481 0.054295 0.058283 0.225211 0.164059 14.12382 0.052751 0.054964 0.149362 0.108568 15.05125 0.052433 0.05457 0.137097 0.099682 15.98232 0.052977 0.053955 0.151805 0.110096 16.92691 0.058572 0.056899 0.14043 0.102159 17.96952 0.053896 0.052026 0.128917 0.093696

資料來源：本計畫實驗數據整理

觀察風速與力、風速與扭力(參考圖 16(a)、圖 16(b))、風速與紊流強度等圖形(圖 3-16(e))，均可發現在接近共振風速發生時，對應的量測值會出現上升的現象，而在跨越共 振風速後回復原本的上升趨勢，此共振效應主要係因渦散效應造成，橫風向位移位移顯 著(可參考圖 3-16(a)之力值上升現象)。另外就擾動值而言，在未發生共振效應的狀態下，

擾動力值(圖 3-16(c)、圖 3-16(d))、擾動扭力值均極小，亦即在實驗過程中並未出現大量 偏離平均值的情形，但在共振現象發生時，擾動值有增加的現象。

(a) 風速與平均昇力關係圖 (b) 風速與平均扭力(x)關係圖

(c) 風速與擾動昇力關係圖 (d) 風速與擾動扭力(x)關係圖

(e) 風速與紊流強度關係圖

圖

3-16 不同風速下柔性模型受力關係圖

而就雷射位移計之實驗計錄資料進行傅立葉轉換後，可以得到模型柱體振動之傅氏 譜。根據各風速下三具雷射位移計之傅氏譜，在未達到共振風速以前，模型柱體之順風

向位移反應以及橫風向位移反應均不顯著，並未出現主要振動頻率。靠近共振風速時(約 9.10m/s)，橫風向位移加大，已出現主要振動頻率，惟此時順風向振動尚不顯著。在進入 共振風速後，橫風向位移放大效應顯著，振動主要頻率約為12Hz；而順風向位移亦振動 頻率亦接近12Hz，惟其效應不若橫向位移明顯。跨越共振風速後，模型振動反應減小，

但仍維持在 12Hz 之頻率。由於在共振風速發生時渦散頻率與柱體振動頻率之比值接近 1，亦即兩者相近，若由史特赫數之定義計算，此狀態下模型史特赫數約為 0.12，此結果 符合方型斷面柱體之實驗經驗結果。

將柔性氣彈模型實驗結果與剛性氣動模型，於 0 度攻角實驗結果進行比較(參考圖 3-17(a)至圖 3-17(d))，本次研究中可以觀察到當共振效應發生時，柔性模型的風力係數 出現較大變化，此現象在不發生共振效應之剛性氣動模型實驗難以觀察到。以平均昇力 係數為例，柔性氣彈模型共振反應最大時，其平均昇力係數約為0.18，而剛性氣動模型 之昇力係數約為 0.00063，後者幾無出現橫風向受力情形，柔性模型可以表現剛性模型 不具備的共振反應，且其差異顯著。

(a) 平均昇力係數比較圖 (b) 平均扭力係數(x)比較圖

(c) 擾動昇力係數比較圖 (d) 擾動扭力係數(x)比較圖 圖

3-17 各種風力係數於不同風速時之比較關係圖

資料來源：本計畫實驗數據整理

依據建築物耐風設計規範及解說計算本案例所受之橫風向平均昇力係數C_L 可以(3-36)式計算結果如下：

2

65289

0 0282 0 5 1 26 96 528 74

L 6

L 2

F 9.81

C = = .

0.5ρU HD

.5 . .

 

    (3-40)

由表3-5 實驗結果，選擇零度攻角為C_L 0.000633小於規範值0 0282. ，亦即在傳統剛 性模型實驗架構下，建築物所受橫風力值推算方法算是保守。

另由表 3-9 比較柔性模型風洞實驗數據，觀察在零度攻角各風速下之平均昇力係數 CL ，可以發現雖然在剛性模型風洞試驗時規範值還算保守，但當考慮到實際狀況而使 用柔性模型時，在本次實驗的假設條件下，不論在何種風速下規範值都要比實驗數據之 平均擾動係數要小，較為不保守。亦即，若以剛性模型實驗數值來做為規範依據可能造 成推算之橫風力作用無法充分考慮真實狀態；而考慮真實結構物受風時所產生之層間位 移，與考量流體與結構物互制之動態效應下，建立柔性模型似乎較能將真實建築物受風 時狀態重現。惟其餘相似性之進一步探討，為逐步逼近真實行為之必要途徑，宜進一步 詳細評估探討。

第四章

第一節 實驗設備與配置