海邊坡角可調(diào)試驗(yàn)房風(fēng)荷載現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

王 旭，黃 鵬，顧 明

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

雖然風(fēng)在絕大多數(shù)情況下對(duì)人類的生活是有益的，但是在極端情況下會(huì)對(duì)地球表面建筑物造成嚴(yán)重的破壞［1］。根據(jù)各國(guó)風(fēng)災(zāi)調(diào)查，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的最主要的根源是村鎮(zhèn)低矮房屋的損壞和倒塌，在我國(guó)尤其如此。因此，進(jìn)行低矮建筑的風(fēng)荷載現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究是十分必要的。

隨著電子儀器以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，從上世紀(jì)70年代開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低矮建筑上的風(fēng)荷載進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，為風(fēng)洞試驗(yàn)的改進(jìn)及發(fā)展提供了重要的幫助。20世紀(jì)70年代中期，英國(guó)建筑研究所率先進(jìn)行了一項(xiàng)低矮建筑的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，該項(xiàng)目設(shè)立在艾爾斯伯里［2］(Aylesbury)，建筑平面尺寸13.3 m×7 m，設(shè)計(jì)為兩層，特殊之處在于屋蓋坡角在5°～45°之間任意可調(diào)。但可惜的是該建筑在兩年后被拆除，即便如此仍有眾多學(xué)者通過(guò)縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與僅有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比性研究。到了80年代后期，英國(guó)和美國(guó)又各自啟動(dòng)了一項(xiàng)低矮建筑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究項(xiàng)目，根據(jù)其所在地點(diǎn)被命名為Silsoe試驗(yàn)［3-4］和 Lubbock 試驗(yàn)［5-6］(TTU 試驗(yàn))。Silsoe 建筑為長(zhǎng)24 m，跨徑12.9 m，檐高4 m，帶有10°坡角的門式鋼架結(jié)構(gòu)。建筑特點(diǎn)是檐口可以根據(jù)需要裝配成弧形或銳角形，目的是研究檐口類型對(duì)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的影響。TTU建筑建立在德州理工大學(xué)校園內(nèi)，是一座平面尺寸9.1 m×13.7 m，高4m的鋼結(jié)構(gòu)小屋，其獨(dú)特之處是其安裝在一轉(zhuǎn)盤上，可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)盤采集各個(gè)方向的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。本世紀(jì)初，Silsoe研究所建立了1座6 m×6 m的正方體實(shí)測(cè)房［7-8］，此建筑設(shè)計(jì)是根據(jù)一座建筑原型縮尺而成，特點(diǎn)是可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的傾斜度。此后在國(guó)內(nèi)，湖南大學(xué)的研究人員提出了追風(fēng)屋設(shè)想，并成功研制了一套同低矮建筑物原型尺寸基本相同，可長(zhǎng)距離移動(dòng)至臺(tái)風(fēng)登陸地區(qū)的低矮建筑物風(fēng)效應(yīng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)(追風(fēng)屋)［9-10］。其主要特點(diǎn)是可以根據(jù)臺(tái)風(fēng)登陸的實(shí)際狀況將該追風(fēng)房系統(tǒng)布設(shè)在臺(tái)風(fēng)登陸地區(qū)開展實(shí)測(cè)研究，變被動(dòng)等待臺(tái)風(fēng)登陸為主動(dòng)的尋找臺(tái)風(fēng)，創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。本文中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)建筑設(shè)立在上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)附近(以下均稱“變坡房”)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)固定式低矮建筑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究項(xiàng)目。該建筑平面尺寸10 m×6 m，屋檐處高8 m，屋蓋可以通過(guò)升降裝置在0°～30°之間任意調(diào)節(jié)。其建筑外形參考了眾多中國(guó)南方村鎮(zhèn)房屋的普遍特點(diǎn)，因此研究結(jié)果對(duì)我國(guó)村鎮(zhèn)低矮建筑抗風(fēng)研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

1.1 變坡房介紹

上海浦東機(jī)場(chǎng)附近周邊地勢(shì)平坦，臨近長(zhǎng)江入?？冢庥鰪?qiáng)風(fēng)的頻率較高。因此，同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部合作建設(shè)風(fēng)速及風(fēng)壓特性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目，實(shí)地測(cè)量浦東機(jī)場(chǎng)地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)特性以及足尺建筑模型上的風(fēng)壓分布。實(shí)測(cè)建筑位于圖1中圈標(biāo)定處的位置(北緯:31°11'46.36″;東經(jīng):121°47'8.29″)，緊鄰臨海泵站入海口處，占用浦東機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)一塊面積約2100平方米的土地，地塊四周空曠，并已在該地塊上建造一個(gè)高約40米的測(cè)風(fēng)格構(gòu)塔以及一棟屋面坡角可調(diào)的低矮建筑。

圖1 實(shí)測(cè)建筑位置Fig.1 Location of test building

圖2 周邊場(chǎng)地環(huán)境Fig.2 Landform around test building

浦東變坡房建筑長(zhǎng)約10 m，寬約6 m，屋檐處高度為8 m，分3層，總建筑面積162.25 m2。。根據(jù)試驗(yàn)需要，屋蓋坡角可以在0°～30°之間連續(xù)調(diào)節(jié)。圖3和圖4分別給出了該變坡房外形示意圖以及0°、30°坡角下建筑實(shí)物圖。

1.2 測(cè)試儀器

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，將R.M.Young 81000型超聲波和R.M.Young 05305V型機(jī)械式風(fēng)速儀安裝于據(jù)變坡房偏東30 m處的測(cè)風(fēng)塔處(安裝高度10 m)，用以采集來(lái)流風(fēng)速數(shù)據(jù)，儀器的相關(guān)參數(shù)見表1所示。同時(shí)在變坡房屋蓋上布置了94個(gè)量程在±1 kPa之間的微差壓傳感器，用以采集屋蓋表面風(fēng)壓信號(hào)。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

本文試驗(yàn)主要研究低矮建筑屋蓋表面風(fēng)荷載特性，因此94個(gè)測(cè)點(diǎn)全部布置于屋面(見圖5)。由于上海多以東南風(fēng)為主，故在東南角部測(cè)點(diǎn)布置較為密集。

表1 風(fēng)速測(cè)試儀器相關(guān)參數(shù)Tab.1 Instrumentation specifications

圖5 測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of pressure measurements on test building

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 屋蓋表面風(fēng)壓分布

為了將實(shí)測(cè)結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比性研究，以變坡房為原型進(jìn)行了1∶30剛性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞試驗(yàn)室的TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的。根據(jù)變坡房周邊環(huán)境，選擇用粗糙元和尖塔模擬的B類風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Cases of field measurement and wind tunnel test

在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中，常采用量綱為1的壓力系數(shù)Cpi表征結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載特性。風(fēng)壓系數(shù)為風(fēng)在建筑表面引起的實(shí)際壓力與來(lái)流風(fēng)壓的比值［13］，本文中計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)的公式如下:

其中，Cpi為測(cè)點(diǎn)i處的壓力系數(shù)，本文中取實(shí)測(cè)房屋檐高度，即屋檐高度處的來(lái)流風(fēng)壓為參考風(fēng)壓;pi為測(cè)點(diǎn)i處的壓力;p0和p∞分別是試驗(yàn)時(shí)參考高度處的總壓和靜壓。

為了進(jìn)行比較性分析，圖6和圖7分別給出了實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)屋蓋表面的平均及脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖。從圖中可以看出，由于屋脊的存在，無(wú)論實(shí)測(cè)還是風(fēng)洞試驗(yàn)均在屋脊的背部區(qū)域再次產(chǎn)生一對(duì)錐形渦，使得個(gè)別工況下此區(qū)域附近負(fù)壓值較大。實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)平均及脈動(dòng)風(fēng)壓的分布趨勢(shì)完全一致，只是在迎風(fēng)前緣形成的錐形渦區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)的平均負(fù)壓稍大，這可能是由于風(fēng)洞中模擬的風(fēng)場(chǎng)與實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)之間差異或模型制作誤差造成的。綜上可知，實(shí)測(cè)結(jié)果非常令人滿意，進(jìn)一步驗(yàn)證本文實(shí)測(cè)試驗(yàn)方法的可靠性及有效性。

2.2 橫向軸線風(fēng)壓系數(shù)

利用表2中實(shí)測(cè)工況FS1、FS2和FS3，對(duì)屋蓋橫向軸線9個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行了分析，以研究屋蓋坡角對(duì)其風(fēng)壓的影響。圖8給出了軸線上平均、脈動(dòng)及極值風(fēng)壓隨屋蓋坡角的變化曲線。首先，從圖8(a)中可知，在迎風(fēng)區(qū)域0°坡角下平均負(fù)壓最大而20°下負(fù)壓最小，但在背風(fēng)區(qū)域結(jié)果相反。圖8(b)與圖8(a)結(jié)果類似，在迎風(fēng)區(qū)域脈動(dòng)風(fēng)壓隨坡角增大而減小，在背風(fēng)區(qū)域結(jié)論相反。從圖8(c)中可明顯看出，20°坡角下得到的風(fēng)壓最大值明顯小于另外兩個(gè)坡角下的結(jié)果，而圖8(d)表明0°坡角下的最小風(fēng)壓值最小。綜上說(shuō)明屋蓋坡角對(duì)屋蓋表面風(fēng)壓影響較大，不僅影響平均風(fēng)壓而且對(duì)脈動(dòng)及極值風(fēng)壓均有不同程度的影響。這是由于屋蓋坡度的變化改變了屋蓋表面空氣的流動(dòng)方式及漩渦內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性，從而使屋蓋表面風(fēng)壓產(chǎn)生較為明顯的變化。

2.3 風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)性分析

眾多相關(guān)研究表明［14-16］，風(fēng)向角脈動(dòng)對(duì)風(fēng)速特性影響較大，往往風(fēng)速的間歇脈動(dòng)是由風(fēng)向的間歇脈動(dòng)引起的，因此研究風(fēng)速、風(fēng)向耦合及相關(guān)特性具有重要意義。為便于定量分析，本文首先選取了1分鐘同步采集的風(fēng)速及風(fēng)向時(shí)程進(jìn)行分析，時(shí)程曲線如圖9(a)所示(圖中圓圈標(biāo)注區(qū)域?yàn)殚g歇極值點(diǎn))。圖9(b)和圖9(c)分別給出了風(fēng)速與水平風(fēng)向角及風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)曲線。圖9(b)中在時(shí)間遲滯在-0.3 min附近出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)最大值為0.2，說(shuō)明風(fēng)速與水平風(fēng)向角在此時(shí)間遲滯下具有一定正相關(guān)性，但相關(guān)性不強(qiáng)。圖9(c)中，在時(shí)間遲滯為0時(shí)，出現(xiàn)明顯的峰值，達(dá)到-0.5，表明風(fēng)速與豎向風(fēng)向角呈現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)特性，耦合作用較為明顯，可以推斷豎向風(fēng)向角的脈動(dòng)是導(dǎo)致風(fēng)向脈動(dòng)的主要原因之一。為了對(duì)不同時(shí)段風(fēng)速、風(fēng)向之間相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，文中隨機(jī)選取了60段10分鐘風(fēng)速風(fēng)向同步采集數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，如圖10所示?？梢钥闯鰰r(shí)間遲滯為0時(shí)，風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)性明顯大于風(fēng)速與水平風(fēng)向角之間的相關(guān)性。風(fēng)速與水平風(fēng)向角之間相關(guān)系數(shù)在0附近脈動(dòng)，說(shuō)明此遲滯下兩者關(guān)聯(lián)度很小;而風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)性系數(shù)在-0.2～-0.6之間脈動(dòng)，均值為-0.43，進(jìn)一步驗(yàn)證了前面的結(jié)論。

圖8 橫向軸線平均及極值風(fēng)壓系數(shù)Fig.8 Mean and pesk wind pressure coefficients along middle line

2.4 風(fēng)壓非高斯特性

低矮建筑研究表明屋蓋表面分離泡及錐形渦區(qū)域的風(fēng)壓時(shí)程不再呈現(xiàn)為高斯分布，而表現(xiàn)為不同類型的非高斯分布。非高斯特性研究可以幫助我們理解風(fēng)壓的脈動(dòng)特性，而且可以為風(fēng)壓極值的計(jì)算提供幫助。由于篇幅有限，本文在圖11只給出了FS1工況下幾種典型測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)概率分布圖。從圖中可知，在迎風(fēng)區(qū)域和屋脊區(qū)域兩對(duì)錐形渦附近測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓的非高斯性較為明顯，此時(shí)測(cè)點(diǎn)偏度及峰度絕對(duì)值均較高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏度值大于-0.5時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程服從Gauss分布，當(dāng)偏度值大于-1而小于-0.5時(shí)服從Gamma分布［17］較好。但當(dāng)偏度值小于-1時(shí)，兩種分布均不適合。

圖9 風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)程及相關(guān)性Fig.9 Time-histories of wind speed and directions and correlation between them

圖10 不同時(shí)段風(fēng)速、風(fēng)向之間相關(guān)性Fig.10 Correlation between wind speed and directions with different 10min time

以上分析可知，偏度及峰度對(duì)風(fēng)壓的非高斯分布影響較大，研究?jī)烧咧g的內(nèi)在聯(lián)系顯得極為重要［18］。為了研究偏度和峰度之間的聯(lián)系，圖12給出了FS1、FS2及FS3工況下屋蓋各測(cè)點(diǎn)偏度與峰度的關(guān)系曲線及擬合公式?？梢悦黠@看出，偏度與峰度呈現(xiàn)線性關(guān)系。在0°和10°坡角下，線性關(guān)聯(lián)度較好，而20°坡角下，關(guān)聯(lián)度略差。說(shuō)明屋蓋坡角會(huì)對(duì)偏度與峰度的相關(guān)特性產(chǎn)生一定影響。為方便工程應(yīng)用，特給出了偏度與峰度的線性擬合公式，并對(duì)峰度的實(shí)測(cè)值與擬合值進(jìn)行了比較，結(jié)果令人滿意。

3 結(jié)論

本文對(duì)浦東變坡房附近風(fēng)場(chǎng)特性及低矮建筑屋蓋表面風(fēng)壓特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下:

(1)浦東機(jī)場(chǎng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首個(gè)固定式低矮建筑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究項(xiàng)目。試驗(yàn)房最大特點(diǎn)是屋蓋坡角可以在0°～30°之間自由調(diào)節(jié)，以便可以對(duì)屋蓋坡角對(duì)其表面風(fēng)壓的影響進(jìn)行分析。

(2)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)屋蓋表面的平均及脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖進(jìn)行比較分析，表明實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)平均及脈動(dòng)風(fēng)壓的分布趨勢(shì)完全一致，驗(yàn)證了本文實(shí)測(cè)試驗(yàn)方法的可靠性及有效性。

(3)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向角的平穩(wěn)性及其之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，表明風(fēng)速與風(fēng)向角之間耦合作用明顯。時(shí)間遲滯為0時(shí)，風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)性接近-0.5，明顯大于風(fēng)速與水平風(fēng)向角之間的相關(guān)性，說(shuō)明豎向風(fēng)向角對(duì)風(fēng)速脈動(dòng)影響較大。

(4)對(duì)屋蓋表面風(fēng)壓信號(hào)的非高斯特性進(jìn)行了研究，表明偏度與峰度之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，并給出了0°、10°及20°屋蓋下偏度與峰度的線性擬合公式，從而為風(fēng)壓極值的計(jì)算提供幫助。

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