復雜體型低矮房屋風荷載特性風洞試驗研究

聶少鋒，周緒紅，陶 瑩，石 宇

（1. 長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061；2. 重慶大學土木工程學院，重慶 400044）

歷次的臺風災害調查表明低矮房屋遭受破壞而造成的損失超過總損失的一半，而屋面破壞是其主要破壞形式之一[1]．對于傳統(tǒng)“一”型低矮房屋風荷載特性，國內外學者已做了大量研究．Case P C[2]對雙坡屋面低矮房屋以及 Shakeel A[3-4]對四坡屋面低矮房屋風荷載特性進行研究，發(fā)現(xiàn)屋面的局部峰值風壓一般出現(xiàn)在迎風屋檐或屋脊附近；在相應風向角下，屋脊處的最大風吸力隨著屋面坡度的增加而增大．Ozmen Y[5]對低層雙坡屋面進行風洞試驗研究發(fā)現(xiàn)：迎風屋面傾角為 15°時所受風吸力影響比 30°和 45°情況下更大．Nozawa[6]采用大渦模擬的方法分析了邊界層條件下湍流強度、地貌指數(shù)等參數(shù)對低矮建筑物風荷載的影響．顧明[7]對常見低層雙坡屋面房屋的風壓分布進行了風洞試驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)屋檐、屋脊和外墻的轉角等房屋拐角區(qū)域均出現(xiàn)高負壓和高負壓梯度，迎風挑檐有較大升力．孫穎昊[8]對帶檐口曲面雙坡屋面低矮房屋進行的數(shù)值模擬分析表明：房屋幾何尺寸對曲面雙坡屋面風壓系數(shù)的影響很小；水平和豎向檐口對曲坡屋面的風壓分布和大小影響較大．陶玲[9]通過風洞試驗研究表明低矮房屋的屋脊和出山的共同作用能夠有效減小屋面的風荷載作用．張建勝[10]對低矮雙坡屋面風壓進行了數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：屋面坡角和風向角對屋面風壓影響較大．戴益民[11]對低矮房屋屋面的風荷載特性進行了實測研究．王相軍[12]將低矮房屋表面平均風壓風洞試驗、數(shù)值模擬及實測進行比較研究，發(fā)現(xiàn)迎風面的屋角處是最會被破壞的地方．聶少鋒[13-14]通過風洞試驗和數(shù)值分析研究了低層雙坡和四坡屋面的風壓系數(shù)分布特性和體型系數(shù)，發(fā)現(xiàn)屋面坡度和屋面形式對屋面體型系數(shù)影響較大．《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[15]中，僅給出了考慮屋面坡度影響的雙坡屋面的體型系數(shù)，對于“L”型和“T”型低矮房屋體型系數(shù)及其它影響因素均未提及．

分別對具有復雜體型的“L”型和“T”型低矮雙坡屋面房屋進行風洞試驗研究，研究不同風向角下屋面的平均和脈動風壓系數(shù)變化規(guī)律以及各面體型系數(shù)，并與傳統(tǒng)“一”型低矮建筑的風荷載特性進行對比分析．

1 風洞試驗概況

1.1 試驗模型及測點布置

剛性測壓風洞試驗模型由3 mm厚有機玻璃制作，保證模型在試驗風速下具有足夠的強度和剛度．模型的幾何縮尺比為1：50，見圖1．

圖1 試驗模型Fig.1 Test models

模型編號及試驗工況見表 1，模型對應實際建筑尺寸及表面定義見圖 2．縮尺模型尺寸及測點布置見圖3．圖2中，模型1和模型2對應實際尺寸檐口高均為 9.9 m，雙坡屋面，屋面坡度均為30°，挑檐長度均為0.9 m，風向角為β．對房屋各表面進行編號定義，以圖 2(d)為例進行說明：0°風向角下(β=0°)，A、C1和 C2面為迎風墻面，E面為背風墻面，T4和 T5面為迎風屋面，T3面為背風屋面，B2和 D2為左側風墻面，B1和 D1為右側風墻面，T1和T2面為側風屋面．

1.2 大氣邊界層風場模擬

采用粗糙元和尖劈被動模擬試驗風場．大氣邊界層中的風速剖面以式(1)形式模擬：

式中：Z0為參考高度；α為地面粗糙度指數(shù)，本文α=1.5；U0為參考高度處風速；Z為測點高度；U為高度Z處測點的風速．

大氣邊界層幾何相似比為 1:50．試驗過程中，選取風洞中未受建筑物干擾點設置為參考高度，本次試驗參考點高度取為 0.917 5 m，對應于實際高度 45.875 m．試驗風速 13 m/s．各測點的風壓數(shù)據采集頻率為312 Hz，采集時間為30 s．

表1 模型編號及工況Tab.1 Numbering and test cases of models

圖2 模型實際建筑尺寸Fig.2 Actual dimension of models

2 試驗結果處理

2.1 平均和脈動風壓系數(shù)

根據各測點風壓值和參考點處的總壓和靜壓值，首先以試驗參考點處的動壓為參考風壓，按式(2)計算各測壓點的無量綱風壓系數(shù)和脈動風壓系數(shù)：

式中：Cpir為第i測點的風壓系數(shù)；Cpirmsr為第i測點的脈動風壓系數(shù)；pi為第i測點的風壓；qr=pr0－pr∞為參考點處的動壓；pr0和pr∞分別為參考點處的總壓和靜壓；σp為脈動風壓均方根．

其次，為便于體型系數(shù)對比分析，將試驗中直接測得的風壓系數(shù)換算為以 10 m高度處風壓為參考風壓的風壓系數(shù)．

2.2 體型系數(shù)

將各測點局部體型系數(shù)按式(3)對所在面進行面積加權平均，得到該面體型系數(shù)：

式中：μsi為第i點局部體型系數(shù)，Ai為第i點所屬表面面積．

圖3 模型尺寸及測點布置圖Fig.3 Dimension and pressure tapping locations of models

3 風壓系數(shù)等值線

3.1 模型1平均風壓系數(shù)

部分風向角下模型 1屋面的平均風壓系數(shù)等值線見圖 4．由圖 4知：45°風向角下，T2和 T4面的屋檐處由于氣流分離產生較大的風吸力，而出現(xiàn)絕對值最大的平均負風壓系數(shù)，其值為?1.6．T1和 T2面以及 T3和 T4面相交的陽屋脊處，平均負風壓系數(shù)絕對值較大．絕對值最小的平均負風壓系數(shù)分別出現(xiàn)在 T2和 T4面的中心區(qū)域．背風屋面 T1和 T3面平均風壓系數(shù)分布較均勻，其值在?0.85～?1.0之間．90°風向角下，整個屋面的絕對值最大平均負風壓系數(shù)為?1.7，出現(xiàn)在T4面的來流風向山墻附近．T3面的平均風壓系數(shù)分布很不均勻，由靠近山墻側的?1.3逐漸向遠離來流方向減小為?0.64．T2面的平均風壓系數(shù)在?0.42～?0.86之間．T1面作為背風屋面，其平均風壓系數(shù)分布非常均勻．135°風向角下，斜向迎風T3面的中心區(qū)域平均負風壓系數(shù)較小，為?0.31，以環(huán)狀逐漸向外增大，屋檐和屋脊處最值為?0.99．整個屋面的絕對值最大的平均風壓系數(shù)出現(xiàn)在T4面陽屋脊處，其值為?1.3．T1面的平均風壓系數(shù)分布相對比較均勻，T2面的平均風壓系數(shù)分布很不均勻，由四周的?0.82逐漸向中心區(qū)域變?yōu)?0左右．180°風向角下，迎風面 T3面平均風壓系數(shù)與 150°和 165°風向角下的分布情況相似．T1面內以及 T1與 T3面的陽屋脊背后區(qū)域存在較大的負壓，絕對值最大平均負風壓系數(shù)達?1.1左右，遠離來流風向的一側的絕對值最小平均負風壓系數(shù)為?0.54．T2和 T3面平均風壓系數(shù)分布較均勻．225°風向角下，屋面的絕對值最大平均負風壓系數(shù)出現(xiàn)在背風屋面 T2和 T4面的陰屋脊線后部，其值為?1.2．絕對值最小平均負風壓系數(shù)出現(xiàn)在斜向迎風屋面T1和T3相交陽屋脊附近區(qū)域．

3.2 模型1脈動風壓系數(shù)

部分風向角下模型 1屋面的脈動風壓系數(shù)等值線見圖 5．由圖 5知：(1) 45°風向角下，T2和T4面的屋檐處由于氣流分離嚴重而產生較大脈動風壓系數(shù)值 0.8，而后脈動風壓系數(shù)向著屋脊方向逐漸減?。筹L屋面 T1和 T3面的脈動風壓系數(shù)分布很均勻．(2) 90°風向角下，整個屋面的最大脈動風壓系數(shù)為 0.8，出現(xiàn)在 T4面的來流風向靠近山墻處．迎風面 T2面屋檐附近的脈動風壓系數(shù)最大為 0.6．側風面 T3面的脈動風壓系數(shù)呈階梯狀．(3) 45°～90°風向角下，背風屋面 T1面的脈動風壓系數(shù)分布非常均勻．(4) 135°風向角下，T3面變?yōu)橛L屋面，該面在來流風向下，屋檐及靠近山墻附近脈動風壓系數(shù)最大，為0.7．T2面中心區(qū)域，以及 T1面內與 T2面的屋脊背后也存在較大的脈動風壓系數(shù)，其值為 0.50．(5) 135～210°風向角下，T4面為背風屋面，該面上的脈動風壓系數(shù)分布均非常均勻．(6) 180°風向角下，迎風屋面 T3面屋檐處的脈動風壓系數(shù)最大，其值為 0.60，而后向遠離來流方向逐漸減小．T1、T2和 T4面上的脈動風壓系數(shù)均分布相對均勻．(7) 225°風向角下，最大脈動風壓系數(shù)出現(xiàn)在 T1和 T3面迎風側的角部，其值達 0.55．背風面 T2和 T4面在屋脊附近也存在較大的脈動風壓系數(shù)．

3.3 模型2平均風壓系數(shù)

部分風向角下模型 2屋面平均風壓系數(shù)等值線見圖 6．由圖 6知：(1) 0°風向角下，側風屋面T1和T2面靠近迎風墻處的絕對值最大平均負風壓系數(shù)達-1.1，而后向遠離來流方向逐漸減?。甌4和T5面的迎風屋檐處絕對值最大平均負風壓系數(shù)達-0.76．背風屋面 T3面平均風壓系數(shù)分布很均勻．(2) 45°風向角下，迎風屋面T2和T4面平均風壓系數(shù)分布沿陰屋脊線對稱分布，該面上絕對值最大平均負風壓系數(shù)在檐口處為?1.3，而絕對值最小平均負風壓系數(shù)為?0.32．背風屋面 T1和 T3面平均風壓系數(shù)分布很均勻．T5面由于受到 T1和T2面的遮擋，平均風壓系數(shù)分布很不均勻，在?0.16～?0.80之間．(3) 90°風向角下，T3和 T4面為側風屋面，絕對值最大負平均風壓系數(shù)出現(xiàn)在T4面上，達-1.4．T3面的平均風壓系數(shù)分布與文獻[13]“一”型雙坡屋面房屋 90°風向角下側風屋面的平均風壓系數(shù)分布情況相似．背風屋面 T1面平均風壓系數(shù)分布非常均勻．(4) 135°風向角下，T3面變?yōu)橛L屋面，該面上的平均風壓系數(shù)分布情況與文獻[13]“一”型雙坡屋面房屋在 45°風向角下相同位置迎風屋面的平均風壓系數(shù)分布情況相似，屋檐與屋脊處平均負風壓系數(shù)較大，為?0.65，中心區(qū)域平均負風壓系數(shù)較小，為?0.31．T4面的平均風壓系數(shù)由靠近山墻處的?1.3逐漸變?yōu)槲菁固幍?0.99．T2面內中心區(qū)域的平均風壓系數(shù)為 0.03，然后以環(huán)狀向四周負壓逐漸增大，絕對值最大負平均風壓系數(shù)為?0.99．T1和T5面上的平均風壓系數(shù)分布較均勻．(5) 180°風向角下，T3面為正迎風面，屋檐和屋脊處均產生較大的負平均風壓系數(shù)．中心區(qū)域的平均風壓系數(shù)較?。甌4和 T5面平均風壓系數(shù)分布較均勻．T1和T2面平均風壓系數(shù)在?0.73～?0.81之間．

3.4 模型2脈動風壓系數(shù)

部分風向角下模型 2屋面的脈動風壓系數(shù)等值線見圖 7．由圖 7知：0°風向角下，最大脈動風壓系數(shù)出現(xiàn)在 T1和 T2面迎風側的角部，其值為0.65，而后向遠離來流方向逐漸減小為 0.26．T4和 T5面的脈動風壓系數(shù)由屋檐處的 0.54，向屋脊方向逐漸減小為 0.21．背風屋面 T3面上的脈動風壓系數(shù)分布均勻．45°風向角下，最大脈動風壓系數(shù)也出現(xiàn)在迎風屋面 T2和 T4面的屋檐處，其值為 0.63，而后向遠離來流方向逐漸減?。甌1、T3和 T5面的脈動風壓系數(shù)分布較均勻．90°風向角下，最大脈動風壓系數(shù)出現(xiàn)在 T4面來流風向處，其值為 0.66．迎風屋面 T2面屋檐處脈動風壓系數(shù)也較大，為0.59．T1和T5面上的脈動風壓系數(shù)分布很均勻．側風屋面 T3面上的脈動風壓系數(shù)從來流一側的 0.38向遠離來流風向一側逐漸減小為0.17．135°風向角下，T3面上的脈動風壓系數(shù)分布情況與文獻[13]“一”型雙坡屋面房屋在 45°風向角下相同位置迎風屋面的脈動風壓系數(shù)分布情況相似，該面迎風一側的角部脈動風壓系數(shù)最大，而中心區(qū)域的脈動風壓系數(shù)較小．180°風向角下，T3面上的脈動風壓系數(shù)分布與文獻[13]“一”型雙坡屋面房屋在 0°風向角下相同位置迎風屋面的脈動風壓系數(shù)分布情況相似．靠近來流方向屋檐處出現(xiàn)最大的脈動風壓系數(shù) 0.5，隨后向屋脊方向逐漸減?。溆啾筹L屋面的脈動風壓系數(shù)分布均較均勻．

圖4 模型1平均風壓系數(shù)等值線Fig.4 Isolines of mean pressure coefficient of model 1

圖5 模型1屋面脈動風壓系數(shù)等值線Fig.5 Isolines of fluctuating pressure coefficient of model 1

圖6 模型2屋面平均風壓系數(shù)等值線Fig.6 Isolines of mean pressure coefficient of model 2

圖7 模型2屋面脈動風壓系數(shù)等值線Fig.7 Isolines of fluctuating pressure coefficient of model 2

4 體型系數(shù)

模型各屋面體型系數(shù)隨風向角變化曲線及對比分析見圖8．圖8中根據模型1的對稱性，將其各屋面在0～45°風向角下的體型系數(shù)補齊．

圖8 各屋面體型系數(shù)隨風向角變化曲線及對比分析Fig.8 Variation curves of shape coefficient with wind direction of roofs

4.1 模型1（“L”型房屋）各面體型系數(shù)

由圖8知：在各風向角下，四個屋面均承受負壓力．T1、T2、T3和 T4分別在 30°、225°、60°、135°風向角下體型系數(shù)達到最大負值?1.143、?1.027、?1.143、?1.144．將模型 1 各屋面體型系數(shù)與文獻[9]中“一”型雙坡屋面房屋中相應屋面體型系數(shù)進行對比分析：90°風向角下，迎風屋面 T2面和背風屋面 T1面的體型系數(shù)分別為“一”型雙坡屋面房屋在 0°風向角下迎風屋面和背風屋面體型系數(shù)的 1.3倍和 1.1倍；側風屋面T3和T4面體型系數(shù)分別為“一”型雙坡屋面房屋中側風屋面體型系數(shù)的1.3倍和1.42倍．180°風向角下，側風屋面 T1面體型系數(shù)約為“一”型雙坡屋面房屋在 0°風向角下迎風屋面體型系數(shù)的 1.5倍；迎風屋面 T3面體型系數(shù)約為“一”型雙坡屋面房屋中相應側風屋面體型系數(shù)的1.26倍．

4.2 模型2（“T”型房屋）各面體型系數(shù)

由圖8知：在各風向角下，五個屋面均承受負壓力．T1、T2、T3、T4和 T5面分別在 45°、180°、75°、135°、135°風向角下體型系數(shù)達到最大負值?1.041、?0.806、?0.887、?1.194、?0.83．

將模型 2各屋面體型系數(shù)與文獻[9]中“一”型雙坡屋面房屋中相應屋面體型系數(shù)對比分析：0°風向角下，側風屋面 T1和 T2的體型系數(shù)與“一”型雙坡屋面房屋在 90°風向角下側風屋面T1和 T2的體型系數(shù)基本相等，其值分別為?0.66和?0.69左右；迎風屋面T4和T5面的體型系數(shù)與“一”型雙坡屋面房屋在 0°風向角下的迎風屋面體型系數(shù)基本相等，均為?0.44左右；背風屋面T3面體型系數(shù)與“一”型雙坡屋面房屋背風屋面體型系數(shù)也基本相等，分別為?0.712和?0.698．90°風向角下，背風屋面 T1面體型系數(shù)為“一”型雙坡屋面房屋中背風屋面體型系數(shù)的 1.05倍；迎風屋面 T2面體型系數(shù)為“一”型雙坡屋面房屋中正向迎風屋面體型系數(shù)的 1.18倍；側風屋面 T3和T4面體型系數(shù)分別為“一”型雙坡屋面房屋中側風屋面體型系數(shù)的 1.27倍和 1.07倍．180°風向角下，迎風屋面 T3面體型系數(shù)為“一”型雙坡屋面房屋中正向迎風屋面體型系數(shù)的 1.17倍；背風區(qū)域屋面(T1、T2、T4和 T5)體型系數(shù)相差不大，約為-0.82左右，是“一”型雙坡屋面房屋中背風屋面體型系數(shù)的 1.17倍．在該風向角下，模型 2與“一”型雙坡屋面房屋相應屋面體型系數(shù)的差異有一定原因是由房屋長度尺寸不同引起的．

5 結論

(1) 由于試驗模型沿中心線具有對稱性，在相應風向角下，風壓系數(shù)也呈對稱分布．在30°坡角下，屋面屋檐及屋脊附近因氣流分離常形成較高負壓，迎風屋面風壓系數(shù)多呈環(huán)狀分布；當屋面處于背風區(qū)域時，平均和脈動風壓系數(shù)分布相對均勻．來流方向屋檐處常有較高脈動風壓系數(shù)．

(2) “L”型和“T”型低層房屋因其形狀相對復雜，各面間的相互干擾較大，因此體型系數(shù)變化規(guī)律也相對復雜的多，盡管與傳統(tǒng)“一”型房屋各面體型系數(shù)變化有一定的規(guī)律性，但是必須考慮各面間的相互干擾使得其風壓增大的效應．

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