低矮房屋抗風(fēng)研究與發(fā)展

劉伯洋

摘 要：風(fēng)災(zāi)帶來的財(cái)產(chǎn)損失非常巨大，但國內(nèi)對低層建筑的抗風(fēng)研究并不多。文章通過對國內(nèi)外低矮房屋抗風(fēng)研究發(fā)展進(jìn)行介紹，并對研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：低矮房屋；抗風(fēng)；風(fēng)災(zāi)

風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害主要災(zāi)種之一。隨著全球氣候的變化，風(fēng)災(zāi)呈逐年遞增的趨勢。歷次風(fēng)災(zāi)表明，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的最主要根源是低矮建筑的損壞和倒塌，且低層建筑的損毀造成的損失超過總損失的半數(shù)以上。為了減少損失，有必要對低矮建筑抗風(fēng)進(jìn)行研究。文章將介紹國內(nèi)外低矮房屋的抗風(fēng)研究成果，并對研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

有關(guān)低矮房屋風(fēng)載特性的研究主要借助3種手段：一是全尺寸現(xiàn)場實(shí)測，二是風(fēng)洞試驗(yàn)，三是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。

1.1 全尺寸現(xiàn)場實(shí)測

現(xiàn)場實(shí)測常采用兩種方法。建立實(shí)驗(yàn)房進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測或者對既有低矮房屋風(fēng)載特性進(jìn)行實(shí)測。試驗(yàn)方法大致如下：在建筑物表面布置風(fēng)壓傳感器測點(diǎn)，測試脈動(dòng)風(fēng)壓；在實(shí)驗(yàn)房前設(shè)立10m高的測風(fēng)塔，在其上2.5m、5m、7.5m、10m安置風(fēng)速儀，測量臺(tái)風(fēng)過境期間平均風(fēng)速、風(fēng)向角；將數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行分析。

1.1.1 國外建立實(shí)驗(yàn)房進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。（1）Silsoe structures building，該項(xiàng)目利用現(xiàn)場實(shí)測系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)房，對風(fēng)速以及屋面墻身的風(fēng)壓進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。主要研究屋頂風(fēng)壓分布規(guī)律以及峰值風(fēng)壓力分布規(guī)律。同時(shí)通過風(fēng)洞試驗(yàn)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和驗(yàn)證。該項(xiàng)目提供了大量實(shí)測數(shù)據(jù)，有利于后續(xù)研究的風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬。（2）TTU Building，該項(xiàng)目為過去40年來最具有代表性的低矮房屋全尺寸現(xiàn)場試驗(yàn)房，相關(guān)的氣象資料通過本地1個(gè)46米高的塔獲得，利用不同的數(shù)據(jù)采集模式獲取風(fēng)場特征數(shù)據(jù)及建筑表面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，為低矮房屋風(fēng)載特性的研究提供了直接及有價(jià)值的數(shù)據(jù)和結(jié)果。

1.1.2 國內(nèi)對既有低矮房屋進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。戴益民在沿海臺(tái)風(fēng)風(fēng)場環(huán)境下對全尺寸房屋進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，獲取了低矮雙坡屋面房屋在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場作用下的風(fēng)壓實(shí)測數(shù)據(jù)和近地強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)載特性，實(shí)測的結(jié)果是迎風(fēng)屋面邊緣風(fēng)壓和屋面風(fēng)載體型系數(shù)都遠(yuǎn)大于我國現(xiàn)行荷載規(guī)范對雙坡屋面風(fēng)壓系數(shù)的取值，因此直接采用當(dāng)前規(guī)范對臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)低矮房屋進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏于不安全的。史文海針對海島山坡地形上既有低矮房屋的風(fēng)荷載實(shí)測工作，以及開展了沿海近山地形上的近地面臺(tái)風(fēng)風(fēng)場實(shí)測工作。研究獲得了海島山坡地形上低矮房屋風(fēng)場剖面和沿海近山地形上的風(fēng)場特性。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)采用一定縮尺比的模型在邊界層風(fēng)場模擬中的風(fēng)洞中進(jìn)行風(fēng)載特性研究。通過在轉(zhuǎn)盤上轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬不同的風(fēng)向角工況。

1.2.1 針對低矮房屋結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)。對于低矮房屋而言，房屋的高寬比、開洞率等都是風(fēng)洞試驗(yàn)研究方向：Gingera通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了低矮建筑物的長度和屋頂?shù)膬A斜角度對于其風(fēng)荷載的影響。研究開孔率對風(fēng)壓的影響。段旻則通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究低矮房屋在門窗開啟時(shí)的瞬間內(nèi)壓的變化來找出不同的開孔率以及背景孔隙率對風(fēng)致瞬態(tài)峰值內(nèi)壓的影響。

1.2.2 針對屋面結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)洞試驗(yàn)。劉帥選取矩形和圓形的罩棚式低矮建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究。付國宏對低層房屋常用的雙坡和四坡屋面的風(fēng)壓分布特性作了研究，考慮了屋面坡角、來流方向、門窗的開啟等因素對屋面風(fēng)壓分布的影響。聶少峰對低層雙坡屋面和四坡屋面建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，考慮了屋面形式、屋面坡度、來流方向和挑檐長度等不同因素對屋面風(fēng)壓分布的影響，分析了屋面平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的分布特性。

1.2.3 研究外部環(huán)境影響的風(fēng)洞試驗(yàn)。不同的風(fēng)場條件以及周圍環(huán)境，常常對建筑的風(fēng)場產(chǎn)生不同程度的干擾：陳超對某低矮房屋的1：10縮尺模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，得出的結(jié)論是實(shí)測房的屋面風(fēng)壓分布受來流風(fēng)向的影響很大，隨著風(fēng)向角的變化而變化。

1.3 數(shù)值風(fēng)洞模擬分析

1.3.1 雷諾平均模型（RANS）分析。雷諾平均模型分析僅表達(dá)了大尺度渦的運(yùn)動(dòng)。將標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用到計(jì)算風(fēng)工程中，容易過高估計(jì)鈍體迎風(fēng)面頂部的湍動(dòng)能生成。低矮房屋單體的風(fēng)壓分布研究是基礎(chǔ)。張冬兵采用TTU為研究對象，分析了網(wǎng)格劃分、湍流模型等因素對數(shù)值模擬結(jié)果的影響，并計(jì)算了不同雷諾數(shù)下結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓。黃敏謙[42]對低矮房屋的四坡屋面風(fēng)壓體型系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究不同風(fēng)向角下，房屋的坡角與檐口對四坡屋面風(fēng)壓體型系數(shù)的分布影響。

1.3.2 大渦模擬（LES）分析。這一模型將N-S方程進(jìn)行空間過濾而非雷諾平均，可較好地模擬結(jié)構(gòu)上脈動(dòng)風(fēng)壓的分布，但計(jì)算量巨大。目前大氣邊界層內(nèi)建筑繞流的LES還處于起步階段。

1.3.3 多種模擬方法比較分析。其基本思想是在流動(dòng)發(fā)生分離的湍流核心區(qū)域采用大渦模擬，而在附著的邊界層區(qū)域采用雷諾平均模型，是RANS模型和LES模擬的合理綜合，計(jì)算量相對較小而精度較高。

1.4 研究現(xiàn)狀總結(jié)

1.4.1 科研人員主要運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，研究在一般風(fēng)場條件下，建筑結(jié)構(gòu)以及其附屬結(jié)構(gòu)在對結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓峰值變化規(guī)律的影響，但很少在強(qiáng)風(fēng)作用下，對低矮房屋的表面壓力峰值隨時(shí)間、空間變化規(guī)律進(jìn)行研究。為了解在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場下低矮建筑屋面風(fēng)壓分布規(guī)律，在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場環(huán)境下對低矮房屋進(jìn)行全尺寸現(xiàn)場實(shí)測就顯得尤為必要。長時(shí)間的現(xiàn)場實(shí)測，不但能獲取有價(jià)值的村鎮(zhèn)低矮房屋的實(shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí)也能為我國的村鎮(zhèn)低矮建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)提供最直接和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及依據(jù)。

1.4.2 大量有關(guān)低矮建筑風(fēng)載特性的研究只考慮單體的情況，對大群體低矮建筑的干擾問題的研究少有涉及。主要原因是影響單體本身風(fēng)壓分布的因素就很復(fù)雜，而且考慮大群體低矮建筑干擾的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)需要在大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。高雷諾數(shù)流動(dòng)及繞流流動(dòng)的脈動(dòng)特性等在風(fēng)洞中也難以較好地模擬。到目前為止，大群體低矮建筑的風(fēng)壓分布規(guī)律研究還比較少，也僅僅停留在建筑物規(guī)則排列的層面。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴益民.低矮房屋風(fēng)載特性的實(shí)測及風(fēng)洞試驗(yàn)研究[D].湖南大學(xué)博士論文，2010.

[2] 史文海.低矮房屋與高層建筑的風(fēng)場和風(fēng)荷載特性實(shí)測研究[D].湖南大學(xué)博士論文，2013.

[3] 段旻.低矮房屋瞬態(tài)內(nèi)壓的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012， 45（07）：10

[4] 付國宏.低層房屋風(fēng)荷載特性及抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)研究[D].浙江大學(xué)博士論文，2002.

[5] 聶少鋒.低層坡屋面房屋風(fēng)荷載特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（03）：118

[6] 陳超.低矮房屋風(fēng)荷載實(shí)測與風(fēng)洞試驗(yàn)[D].湖南大學(xué)碩士論文， 2012.