山地風(fēng)速地形修正系數(shù)沿山坡的詳細(xì)插值分布

李正良　徐姝亞　肖正直　周代豪

摘 要：為研究山地風(fēng)速地形修正系數(shù)η沿各向山坡的詳細(xì)分布，對(duì)兩座縮尺比為1∶300的具有不同坡度的余弦型單體山峰模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了η沿迎、背、側(cè)風(fēng)坡面的詳細(xì)分布.采用CFD軟件Fluent建立數(shù)值模型，并將其計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性.對(duì)具有不同高度（H=90～500 m），不同坡度（tan α=0.13～0.5）和不同形狀（余弦型、高斯型、拋物線(xiàn)型）的山體進(jìn)行了數(shù)值模擬，擬合了山坡任意位置的η值建議計(jì)算公式，并與各國(guó)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明，相對(duì)于現(xiàn)有水平向線(xiàn)性插值模型，根據(jù)山腳和山頂?shù)摩侵担杂?jì)算點(diǎn)距山腳點(diǎn)的垂直距離h為自變量的豎向線(xiàn)性插值模型更能安全、合理、簡(jiǎn)便地估計(jì)山坡任意點(diǎn)的η值.側(cè)風(fēng)坡面的加速效應(yīng)對(duì)于η取值起控制作用；側(cè)風(fēng)坡腳的η值可相對(duì)于迎、背風(fēng)坡腳分別大61.89%和94.09%，最大可達(dá)1.2.

關(guān)鍵詞：山地風(fēng)場(chǎng)；加速效應(yīng)；地形修正系數(shù)；風(fēng)洞試驗(yàn)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TU973.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）03-0023-09

山地地形的存在會(huì)使原平坦地面的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)分布特性受到顯著影響.就平均風(fēng)速而言，上游平坦地面的來(lái)流在山地地形的干擾作用下，山地地面以上絕大多數(shù)區(qū)域的風(fēng)速會(huì)大于平坦地面的風(fēng)速，即產(chǎn)生加速效應(yīng).

山地風(fēng)加速效應(yīng)使得山地建筑物和構(gòu)筑物所受風(fēng)壓明顯增加.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)山地風(fēng)場(chǎng)空間分布特性進(jìn)行了一些研究 [1-14].Miller等[1]對(duì)二維雙山峰模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，探討了迎、背風(fēng)坡面山頂和山腳點(diǎn)的加速效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)由于上游山體的遮擋，下游山體的加速效應(yīng)會(huì)減小.Ishihara等[2]對(duì)三維山峰進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，給出了山頂、山腰和山腳點(diǎn)的風(fēng)速分布，并對(duì)比了Mason等[3]的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)坡腳附近的風(fēng)速會(huì)有所減小，但在山頂點(diǎn)、山腰點(diǎn)，風(fēng)速會(huì)有明顯增大，山頂點(diǎn)可增速50%～60%.文獻(xiàn)[4-6]對(duì)不同高度、不同坡度的單體山峰和雙山峰模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探討了山頂、山腰和山腳三點(diǎn)的風(fēng)速分布，研究了山地風(fēng)場(chǎng)超高層建筑的風(fēng)致響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同形狀山體頂點(diǎn)的η值十分相近，山地風(fēng)場(chǎng)加速效應(yīng)可致超高層建筑的位移響應(yīng)增大20%.現(xiàn)有各國(guó)規(guī)范[15-17]建議，對(duì)處于簡(jiǎn)單山地地形中的建筑物，可參考單體山峰的加速效應(yīng)考慮η值.

鑒于已有研究都僅探討了山頂、山腰及山腳三點(diǎn)的加速效應(yīng)，而實(shí)際情況中的建筑物和構(gòu)筑物是沿山坡隨機(jī)分布的，合理地估計(jì)山地建筑物和構(gòu)筑物所在位置的風(fēng)速十分重要，所以η沿整個(gè)山坡的詳細(xì)分布規(guī)律有待于被探討；現(xiàn)有各國(guó)規(guī)范僅給出了單體山峰迎、背風(fēng)坡面的山頂、山腳點(diǎn)η建議值，對(duì)于坡面任意點(diǎn)的η值，大多規(guī)范建議簡(jiǎn)單地根據(jù)山腳和山頂?shù)摩侵担杂?jì)算點(diǎn)距山頂?shù)乃骄嚯x為自變量進(jìn)行線(xiàn)性插值，各國(guó)規(guī)范的η建議值也有較大差異，且未對(duì)η值沿側(cè)風(fēng)坡面的分布給出建議.

本文針對(duì)以上未被探討的內(nèi)容，進(jìn)行了單體山峰風(fēng)洞試驗(yàn)和不同高度、不同坡度、不同形狀山體的數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了η值沿迎、背、側(cè)風(fēng)坡面的詳細(xì)分布規(guī)律，擬合了迎、背、側(cè)風(fēng)坡面任意點(diǎn)η值的建議計(jì)算公式.

2 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及風(fēng)場(chǎng)模擬

本次風(fēng)洞試驗(yàn)在西南交通大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)中心XNJD-1風(fēng)洞進(jìn)行（圖2），試驗(yàn)段截面尺寸為3.6 m（寬）×3.0 m（高）×8.0 m（長(zhǎng)），風(fēng)速范圍為0.5～22.0 m/s，測(cè)試儀器采用眼鏡蛇風(fēng)速儀.采用尖劈和粗糙元模擬中國(guó)規(guī)范[15]B類(lèi)粗糙度大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)（圖3），未縮尺風(fēng)場(chǎng)梯度風(fēng)高度HG取350 m，10 m高度處基準(zhǔn)風(fēng)速為26.8 m/s （按中國(guó)規(guī)范[15]所建議的重慶地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓換算得到）.縮尺后風(fēng)場(chǎng)梯度風(fēng)高度HG為1.167 m，基準(zhǔn)風(fēng)速為6.2 m/s，風(fēng)速縮尺比約為1∶4.323，模擬邊界層風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面指數(shù)α=0.145.本次試驗(yàn)采用的模擬邊界層風(fēng)場(chǎng)風(fēng)剖面及紊流度剖面如圖4所示.

6 結(jié) 論

本文根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)和不同坡度、不同高度、不同形狀山體的數(shù)值結(jié)果，及其與各國(guó)規(guī)范的對(duì)比分析，主要探討了地形修正系數(shù)η沿各向山坡的詳細(xì)分布規(guī)律，擬合了山坡任意點(diǎn)η值的建議計(jì)算公式.在本文的風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬參數(shù)范圍內(nèi)，可得到以下結(jié)論：

1）相對(duì)于現(xiàn)有的水平向線(xiàn)性插值模型，根據(jù)山腳和山頂?shù)牡匦涡拚禂?shù)η，以計(jì)算點(diǎn)距山腳的垂直距離h為自變量的豎向線(xiàn)性插值模型不依賴(lài)于山體形狀，符合風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，能更準(zhǔn)確地估計(jì)山坡任意點(diǎn)的地形修正系數(shù)η.

2）迎、背風(fēng)坡腳的η值均小于1，現(xiàn)有規(guī)范及本文建議公式對(duì)迎、背風(fēng)坡腳取η=1是安全的.

3）側(cè)風(fēng)坡腳的η≥1，且隨山體坡度和高度的增加而增大，可相對(duì)于迎、背風(fēng)坡腳分別大61.89%和94.09%，最大可達(dá)1.2.

4）整個(gè)側(cè)風(fēng)坡面的加速效應(yīng)均不可忽略，側(cè)風(fēng)坡面任意位置的地形修正系數(shù)η≥1，并大于迎、背風(fēng)坡面相應(yīng)位置處的η值，在η取值中起控制作用；現(xiàn)有各國(guó)規(guī)范未針對(duì)側(cè)風(fēng)坡面的η值給出建議，而按照迎、背風(fēng)坡面的η建議值去考慮側(cè)風(fēng)坡面的加速效應(yīng)會(huì)使風(fēng)荷載取值明顯偏小，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全.

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