建筑結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的研究進展

顧 明，余先鋒，全 涌

（同濟大學 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092）

強風作用下，建筑結(jié)構(gòu)的風荷載不僅取決于結(jié)構(gòu)外表面的風壓分布，內(nèi)壓的作用也不容忽視.氣流流經(jīng)建筑物表面的孔隙、主開洞及其引起的柔性結(jié)構(gòu)變形均可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的變化，其中建筑物存在主開洞時的脈動內(nèi)壓變化尤為重要.強風中由于風致飛擲物的撞擊，門窗突然破壞，氣流涌入室內(nèi)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部脈動內(nèi)壓增大，屋蓋、山墻等在內(nèi)外壓的共同作用下發(fā)生破壞的情況時有發(fā)生［1－2］.

迄今，人們對結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的認識還不夠，也未對內(nèi)壓作用引起足夠的重視.工程師們在結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往忽略或只粗略地考慮了風致內(nèi)壓的作用，這給結(jié)構(gòu)安全帶來了極大的隱患.本文從內(nèi)壓控制方程、風致內(nèi)壓的影響因素、研究方法以及各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的描述等方面對風致內(nèi)壓作了全面的回顧與評述，以期人們對內(nèi)壓有一個較為深刻的認識，最后指出了目前風致內(nèi)壓研究中存在的一些問題，以及進一步研究的建議與方法.

1 內(nèi)壓控制方程

建筑結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的動力問題分為突然開洞時的瞬態(tài)內(nèi)壓響應(yīng)和已存在開洞時由脈動外壓引起的內(nèi)壓穩(wěn)態(tài)響應(yīng).目前各國學者已經(jīng)達成共識，即采用2階常微分方程來描述突然開洞結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓響應(yīng).Homles［3］首次采用類似于Helmholtz聲學共振器原理導(dǎo)出了2階非線性微分方程，以此來描述帶有主開洞建筑物的風致脈動內(nèi)壓

式中：γ，ρ，pa分別為洞口周邊的空氣比熱容比、密度與壓強；A0為開洞面積；V0為結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積；le為洞口氣流的有效長度為洞口氣流的實際長度，一般指墻體厚度；a0為洞口的名義面積；α與洞口形狀有關(guān)，對于圓形開洞α＝0.89，方形開洞α＝0.86，邊長之比為2∶1的矩形開洞α＝0.65，邊長之比為10∶1的矩形開洞α＝0.21；c為孔口流量收縮系數(shù)，文獻［5］指出，對于深開洞le／reff＞1.0，c＝1.0，對于深開洞le／reff＜1.0，c＝0.6；reff＝為開洞的有效半徑；Cpi＝pi／q為內(nèi)壓系數(shù)；為外壓系數(shù)為參考動壓；Uh為屋脊高度處的風速.

Liu和Saathoff［6］認為氣流在開洞中會形成一個收縮段，進而采用流體動力學中的非定常等熵伯努利方程導(dǎo)出了一個更為嚴格的內(nèi)壓控制方程.他們還進行了參數(shù)對比分析，得知該方程比Homles［3］方程具有更大的適應(yīng)性，它可適用于任意大小的壓強變化.不過Liu 和Saathoff［6］定 義而Vickery［7］指出目前所被接受的氣塞有效長度le應(yīng)為其中，v0為氣流在收縮段的速度，v2為氣流在開洞中的空間平均速度，位置1處于建筑物外，位置2位于收縮段，位置3處于建筑物內(nèi)但遠離孔口.

Vickery［4，7］，Vickery和Bloxham［8］均認為孔口氣流具有很高的非定常性，孔口附近不存在收縮流動區(qū)域，而更適合用一個能量損失系數(shù)CL來量化氣流與孔口的摩擦損失，進而采用非定?？卓诹髁糠匠虒?dǎo)出了相似的內(nèi)壓控制方程.

Sharma和Richards［5，9］首次運用CFD（計算流體動力學）研究了建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的瞬態(tài)響應(yīng)，并將CFD 計算結(jié)果與風洞試驗作了對比，驗證了CFD 計算結(jié)果的正確性.從CFD 導(dǎo)出的氣流速度矢量圖中可以看到孔口靜脈式收縮確實存在.他們還進一步指出，內(nèi)壓的瞬態(tài)振動衰減率表明內(nèi)壓控制方程中除了非線性阻尼損失以外，還存在額外的一個線性阻尼項，它來源于孔口附近黏性剪應(yīng)力，進而他們修正了內(nèi)壓控制方程.

為從理論上研究背景孔隙（例如通風孔、墻壁小裂縫等）對內(nèi)壓響應(yīng)的影響，余世策等［10］在忽略背景孔隙處的氣體慣性效應(yīng)與背風面的風壓脈動等假設(shè)條件下，利用伯努利方程推導(dǎo)了考慮背景孔隙的內(nèi)壓控制方程，進一步完善了內(nèi)壓響應(yīng)理論.

Oh等［11］指出，當建筑物開洞較小時，墻厚的作用將變得明顯，此時有必要考慮實墻的剪應(yīng)力效應(yīng).由于摩擦而產(chǎn)生的壓力降可由“管道—摩擦方程”來表示.于是他們進一步修正了內(nèi)壓控制方程，并指出對于多開洞或背景孔隙結(jié)構(gòu)，可對每一個開洞或背景孔隙建立內(nèi)壓控制方程，于是可得一個內(nèi)壓控制方程組，但必須補充一個質(zhì)量守恒方程才能進行內(nèi)壓響應(yīng)求解.

以上內(nèi)壓控制方程只是針對存在單一主開洞且無內(nèi)部分區(qū)的剛性建筑物而言的.而實際建筑物存在多個分區(qū)，且在大風中，建筑物可能會出現(xiàn)多個主開洞，這時結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的空間相關(guān)性大為降低，不能僅用一個內(nèi)壓值來描述結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的變化，有待進一步開展結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的基礎(chǔ)理論研究，以期建立數(shù)學模型來預(yù)測此時的內(nèi)壓響應(yīng)及其對結(jié)構(gòu)的作用.

2 風致內(nèi)壓的影響因素

影響風致內(nèi)壓的因素有很多，諸如主開洞及孔隙、結(jié)構(gòu)柔度、Helmholtz共振效應(yīng)、干擾效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)等，其中對建筑物主開洞的大小、位置及孔隙率等的研究較多［12－14］，而對結(jié)構(gòu)柔度、Helmholtz共振、干擾效應(yīng)及結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)的研究相對較少.

2.1 結(jié)構(gòu)柔度對內(nèi)壓的影響

以上內(nèi)壓控制方程都是針對剛性房屋提出的，當考慮結(jié)構(gòu)的柔度后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積將在內(nèi)外壓的作用下發(fā)生變化，從而內(nèi)壓控制方程也會發(fā)生一定的變化.

Sharma和Richards［15］提出了迎風面開洞的柔性結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓控制方程，并指出當結(jié)構(gòu)屋蓋或墻的自振頻率遠大于突然開孔時的Helmholtz頻率時，在內(nèi)壓作用下，結(jié)構(gòu)將以準靜態(tài)方式響應(yīng)，但它沒有考慮背景孔隙和屋面外壓的影響.

Sharma［16］再次發(fā)展了迎風面開洞的柔性結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓控制方程，當結(jié)構(gòu)以準靜態(tài)方式響應(yīng)于內(nèi)外壓聯(lián)合作用時，在考慮了柔性結(jié)構(gòu)的外壓效應(yīng)后，重新修正了內(nèi)壓控制方程，它不同于Vickery［4］，Sharma和Richards［15］所得的結(jié)果.他進一步研究了無阻尼Helmholtz共振頻率，可知當結(jié)構(gòu)柔度增加時，Helmholtz共振頻率減小了.另外，結(jié)構(gòu)的柔度還增加了內(nèi)壓系統(tǒng)的阻尼.

低矮建筑物的自振頻率一般較高，故在內(nèi)壓作用下，屋蓋與墻的響應(yīng)一般以準靜態(tài)方式出現(xiàn).這一點和柔性結(jié)構(gòu)是有明顯區(qū)別的.

2.2 Helmholtz共振對內(nèi)壓的影響

導(dǎo)致主開洞建筑物的內(nèi)壓發(fā)生脈動的原因有很多，來流風中的湍流、尾流與分離流區(qū)中的湍流以及Helmholtz共振均能引起結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的脈動.Sharma和Richards［17］指出，如果其Helmholtz頻率落在了自由湍流功率譜中的較大能量區(qū)，且內(nèi)壓系統(tǒng)的阻尼不大時，便會發(fā)生共振現(xiàn)象，這時在Helmholtz頻率附近的脈動內(nèi)壓會顯著放大，出現(xiàn)很高的脈動內(nèi)壓峰值，從而導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞破壞等.

當風垂直吹向建筑物的開洞時，共振激發(fā)是自由流中的湍流所致.在切向流下，共振激發(fā)受到橫穿孔口的漩渦影響，它將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空氣大幅壓縮，而內(nèi)部空氣壓縮后，其壓強增大，氣流將會反向而排出，接著一個新的漩渦又開始形成，如此循環(huán).如果洞口的漩渦脫落頻率與Helmholtz頻率一致，將會出現(xiàn)共振現(xiàn)象.

在斜風向下，建筑物的屋蓋表面會形成“錐形渦”，若此處或附近存在主開洞時，Helmholtz共振極有可能發(fā)生.這時，內(nèi)壓控制方程中的激勵CF（t）將由開洞處的時變外壓系數(shù)Cpe（t）與代表“渦脫動力”的額外激勵Ceddy（t）組成.而激勵項Ceddy（t）受到切向流下與Helmholtz共振相關(guān)的諸多變量的影響，例如：Strouhal數(shù)，開洞寬度與墻面邊界層厚度的比值，相對于開洞墻面的風向角θ，迎風墻面邊緣到開洞處的距離d以及開洞位置是否位于分離流區(qū)等等.

Sharma和Richards［17］僅通過風洞試驗研究了斜風下內(nèi)壓的Helmholtz共振對內(nèi)壓的影響，提出了內(nèi)壓控制方程中額外激勵項Ceddy（t）的存在，并說明了影響Ceddy（t）的諸多因素，但未詳細研究這些因素對它的影響，也未在理論上給出Ceddy（t）的表達式.

2.3 干擾效應(yīng)對內(nèi)壓的影響

Liu和Rhee［18］通過風洞試驗研究了干擾效應(yīng)對建筑物內(nèi)壓的影響.他們對一個帶有主開洞的平屋頂建筑的縮尺模型進行了風洞試驗，并在試驗?zāi)Ｐ偷那胺讲煌恢梅胖脠A柱體施擾物，在層流（湍流度1%）與湍流（湍流度10%）2種氣流條件下研究了干擾效應(yīng)對受擾建筑物的脈動內(nèi)壓影響.實驗結(jié)果表明：①施擾建筑與受擾建筑的橫向距離變化對脈動內(nèi)壓的影響非常顯著；②在層流均勻風條件下，由于結(jié)構(gòu)自身的干擾效應(yīng)，背風面開洞處的脈動內(nèi)壓要比迎風面開洞處的大；③同樣是層流均勻風條件，當受擾建筑的前方出現(xiàn)干擾建筑時，若受擾建筑的開洞面積較大，從脈動內(nèi)壓功率譜上可以觀察到雙峰值，其對應(yīng)的頻率為漩渦脫落頻率與Helmholtz共振頻率，若調(diào)整干擾物的橫向位置，漩渦脫落頻率會發(fā)生移動，當漩渦脫落頻率與Helmholtz頻率相近時，將會引起強烈的“雙共振”現(xiàn)象.若建筑物開洞面積較小時，則只能出現(xiàn)對應(yīng)于漩渦脫落頻率的單峰值.

干擾效應(yīng)不僅對結(jié)構(gòu)外壓有較大的影響，對內(nèi)壓的影響也很顯著，不容忽視.Liu和Rhee［18］只通過風洞試驗研究了圓柱施擾建筑對受擾建筑的影響，而不同類型的施擾建筑實質(zhì)上表示不同類型的干擾漩渦，其他類型施擾建筑（如低矮建筑等）對不同類型的受擾建筑（如大跨屋蓋結(jié)構(gòu)等）的內(nèi)壓干擾也有待進一步研究.

2.4 內(nèi)部分區(qū)對內(nèi)壓的影響

以上內(nèi)壓控制方程只是針對結(jié)構(gòu)內(nèi)部無分區(qū)且只存在單一主開洞的建筑物，然而現(xiàn)實中的大多數(shù)建筑物均存在多個房間及多個開洞，因此有必要研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)對內(nèi)壓的響應(yīng).

Saathoff和Liu［19］指出，在強風條件下，由于突然開洞，絕大多數(shù)建筑物的各個房間的內(nèi)壓不盡相同.對于多分區(qū)多開洞的建筑物，可對每一開洞建立相應(yīng)的內(nèi)壓控制方程，這樣對于建筑物中的任一房間可獲得一系列內(nèi)壓控制方程來計算其時變內(nèi)壓.他們還運用上述方法分析了單一分區(qū)、兩分區(qū)及四分區(qū)建筑物的各房間的時變內(nèi)壓.結(jié)果表明，由于迎風墻面突然開洞而導(dǎo)致的峰值內(nèi)壓與Helmholtz共振頻率將隨開洞面積的增大、有效內(nèi)部體積的減小而增大.

Sharma［20］進一步研究了建筑物在存在兩分區(qū)且外墻帶有1 個主開洞時，隔墻上的門是否打開2種情況下的內(nèi)壓響應(yīng).

當隔墻上的門關(guān)閉時，內(nèi)壓響應(yīng)可利用單一分區(qū)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓控制方程來求解，只是此時的內(nèi)部體積V0需要進行折減.研究表明，與相同尺寸的無隔墻建筑物相比，帶有不透風隔墻與主開洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)壓系統(tǒng)的阻尼減小了，但Helmholtz共振頻率卻增大，總體而言，帶有不透風隔墻與主開洞的房屋脈動內(nèi)壓要高于相同尺寸的帶有主開洞但無隔墻房屋.

當隔墻上的門敞開時，每個開洞都可被模擬為一個Helmholtz共振器，如圖1所示.2個子分區(qū)的內(nèi)壓響應(yīng)可由外開洞與內(nèi)開洞處的氣塞位移x1，x2來表示.通過理論分析與風洞試驗表明，當建筑物存在1個帶有開洞的隔墻時，2個子房間的內(nèi)壓均表現(xiàn)出2個共振模態(tài)，其中在低頻共振模態(tài)處，無外開洞的分區(qū)2的脈動內(nèi)壓要高于分區(qū)1.

圖1 帶有內(nèi)外開洞的建筑物［20］Fig.1 Model of a building with an external and an internal opening

考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)后，雖然結(jié)構(gòu)更加符合實際情況，但以上研究仍未考慮當結(jié)構(gòu)存在內(nèi)部分區(qū)時，結(jié)構(gòu)柔度與背景孔隙對內(nèi)壓的影響.

3 風致內(nèi)壓的研究方法

風致內(nèi)壓動力問題是一個復(fù)雜的流體動力學問題，其影響因素也很多，很難從理論上進行精確分析，必須依靠風洞試驗、現(xiàn)場實測以及CFD 模擬等手段來進行研究.

3.1 內(nèi)壓的風洞試驗

樓文娟等［21］對2005年前的內(nèi)壓風洞試驗的發(fā)展已作了一個較為全面的回顧與評述.

最近，Ginger等［13－14，22］通過風洞試驗研究了各種主開洞與內(nèi)部體積對內(nèi)壓響應(yīng)的影響.研究表明：①結(jié)構(gòu)平均內(nèi)壓基本等于主開洞處的平均外壓；②脈動內(nèi)壓與峰值內(nèi)壓均受到結(jié)構(gòu)的開洞面積與內(nèi)部體積的顯著影響，脈動內(nèi)壓還受到來流風速、開洞處的慣性系數(shù)與流量系數(shù)的影響；③內(nèi)壓功率譜在接近Helmholtz頻率處表現(xiàn)出峰值.隨著結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積的增大，內(nèi)壓功率譜上表現(xiàn)出2階頻率峰值.

Oh等［11］通過6個低矮建筑模型，研究了更大范圍內(nèi)的背景孔隙與主開洞比值下的內(nèi)壓響應(yīng).由試驗得到：①當背景孔隙與開洞面積的比值較大時，采用內(nèi)壓控制方程組可較準確地預(yù)測內(nèi)壓的均方根值；②當結(jié)構(gòu)僅有背景孔隙時，由于背景孔隙的阻尼效應(yīng)，脈動外壓被大大削弱了；③對于所有的開洞情況，城市郊區(qū)地貌的內(nèi)壓均方根值與峰值均高于開敞農(nóng)村地貌.

Kopp等［23］研究了1個低矮房屋在10種不同工況（包括墻面不同的開洞面積與位置、閣樓與居住空間之間的開洞等）下的內(nèi)壓響應(yīng).研究指出：①增大開洞面積，將增大Helmholtz共振，因此也增大了峰值內(nèi)壓，尤其是當風垂直吹向開洞的情況；②屋蓋峰值外壓與內(nèi)壓有很大的相關(guān)性；③閣樓與居住層之間的天花板可用來減小屋面板上的風荷載，天花板上的凈壓要略大于居住空間的內(nèi)壓.

3.2 內(nèi)壓的現(xiàn)場實測

Robertson等［24］對2個現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雨篷屋蓋結(jié)構(gòu)（silsoe dutch barn；drayton dutch barn）的內(nèi)外表面風壓進行了現(xiàn)場實測.結(jié)果表明，屋蓋結(jié)構(gòu)上的風荷載變化很大，這主要取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)部所包含的阻塞類型.

Fahrtash和Liu［25］對3幢內(nèi)部體積與開洞面積均不同的建筑物內(nèi)壓進行了現(xiàn)場實測，驗證了前人推導(dǎo)的內(nèi)壓控制方程的正確性.從實測的內(nèi)壓功率譜可以看出Helmholtz頻率處的共振能量較小，即弱共振，這表明了內(nèi)壓脈動時存在較大的阻尼.由此可知：對于一般建筑物，盡管建筑物上的大開洞可導(dǎo)致較大的內(nèi)壓脈動，但開洞、墻與屋蓋提供了足夠的阻尼而阻止了Helmholtz共振的發(fā)生.

Robertson［26］對Silsoe門式剛架結(jié)構(gòu)進行了陣風荷載現(xiàn)場實測.研究表明，當存在1 個主開洞時，應(yīng)變譜與內(nèi)壓譜表現(xiàn)出高度的一致，給出的動力放大因子可以考慮較高的峰值應(yīng)力.給出的陣風持續(xù)時間可方便用于預(yù)測無開洞時的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的峰值應(yīng)力.在強風下所觀察到的“向上抬舉”現(xiàn)象，這是由于Helmholtz共振效應(yīng)引起的.

Yeatts和Mehta［27］描述了WERFL（風工程研究實測實驗室）對風致內(nèi)壓的實測研究.結(jié)果表明：①當無主開洞時，平均內(nèi)壓系數(shù)的范圍為±0.25；②當開孔率為1%，2%，5%時，內(nèi)壓系數(shù)平均值變化不大，其中迎風開洞為2%時，瞬態(tài)內(nèi)壓系數(shù)峰值最高；③對于突然開洞的測量表明，內(nèi)壓并未表現(xiàn)任何的顯著內(nèi)壓超載，而隨后的穩(wěn)態(tài)內(nèi)壓脈動產(chǎn)生了更大的峰值內(nèi)壓.

Kato等［28］對位于東京的1 棟120 m 的高層建筑的樓頂上空的風向與風速、墻面上的風壓、大氣壓以及風致內(nèi)壓進行了現(xiàn)場實測，并將實測結(jié)果與縮尺比為1∶300的模型風洞試驗結(jié)果進行了對比.得到如下結(jié)論：①內(nèi)壓系數(shù)約為－0.26，且在整個大樓的高度上表現(xiàn)得相對一致；②內(nèi)墻與門對平均內(nèi)壓系數(shù)的測量影響不大，同一層不同位置的平均內(nèi)壓測量值基本相同；③從風洞試驗得到平均風壓系數(shù)，再通過質(zhì)量守恒定律計算得到的平均內(nèi)壓系數(shù)近似為－0.26，這與實測值相當吻合.

Ginger和Letchford［29］對WERFL 低矮建筑物進行了現(xiàn)場實測研究，得到了屋蓋表面的外壓與內(nèi)部不同測點的內(nèi)壓.研究結(jié)果表明：①在確定迎風墻面風荷載時，準定常理論是適用的，但對于氣流分離與再附區(qū)域，準定常理論不再適用；②當建筑物處于名義封閉狀態(tài)時，內(nèi)壓與外壓不相關(guān)，高于特征頻率fc的內(nèi)壓脈動得到削弱，這將會導(dǎo)致內(nèi)壓陣風因子小于外壓陣風因子；③當建筑物存在一個2%的迎風面主開洞時，內(nèi)壓隨洞口附近外壓的變化而變化，內(nèi)壓的空間相關(guān)性很好.內(nèi)壓與大部分外壓卻不太相關(guān)，但屋蓋迎風邊緣的外部負壓與內(nèi)部正壓相關(guān)性好，從而導(dǎo)致了較大的屋蓋凈壓.

Ginger［30］對TTU（Texas Tech University）實測房屋在名義封閉與大開洞2種情況下的風致內(nèi)壓進行了實測，并與理論分析結(jié)果進行了比較.研究指出：①結(jié)構(gòu)內(nèi)壓主要受外壓分布、開洞位置及大小控制，脈動內(nèi)壓還受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積與覆層柔度的影響；②名義封閉建筑物的平均與脈動內(nèi)壓系數(shù)要比外壓系數(shù)小，且隨著迎風與背風開洞面積比的增大而增大，高于特征頻率的脈動內(nèi)壓將被大大削弱，從而導(dǎo)致一個較小的內(nèi)壓陣風因子；③當建筑物存在一個主開洞時，內(nèi)壓將與迎風墻面的外壓同步脈動.迎風墻面的主開洞導(dǎo)致了屋蓋、邊墻及背風墻的凈正壓減小，凈負壓增大.與洞口處的脈動外壓相比，Helmholtz頻率附近的內(nèi)壓能量增大.開洞面積的增大將減小阻尼，但同時也增大了共振的可能性，這也增大了建筑物所有區(qū)域在Helmholtz頻率附近的凈壓能量.

通過內(nèi)壓的現(xiàn)場實測，不僅可以驗證上述內(nèi)壓控制方程及所取參數(shù)的正確性，更能與風洞試驗和CFD計算結(jié)果進行對比，指出通過風洞試驗和CFD模擬內(nèi)壓中存在的問題及改進方法和可行性.現(xiàn)場實測是采用風洞試驗和CFD 方法研究結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的基礎(chǔ).

3.3 內(nèi)壓的CFD 模擬

近年來隨著計算機的發(fā)展，CFD 逐漸應(yīng)用于結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的研究中.采用CFD 模擬研究風致內(nèi)壓，不僅可以對內(nèi)壓響應(yīng)進行3維求解，還能研究孔口附近的氣流特性.

Sharma［9］首次采用CFD 模擬了建筑物在突然開洞時的內(nèi)壓瞬態(tài)響應(yīng)與孔口氣流特性，并與風洞試驗結(jié)果進行了對比，證明了CFD 方法的有效性.Sharma 指出：①CFD 方法能正確計算結(jié)構(gòu)的Helmholtz頻率，從而可通過Helmholtz頻率來研究各種氣流條件與各種類型孔口的流量特性；②CFD方法還能有效地預(yù)測內(nèi)壓的衰減率；③通過CFD 可方便觀察到孔口中氣流流速的特性，孔口中確實形成了1個氣流靜脈收縮段.

盧旦和樓文娟［31］利用CFD 模擬了建筑物突然開洞瞬時的流場變化，獲得風致內(nèi)壓的Helmholtz頻率和孔口氣流的等效線性阻尼，并與風洞試驗結(jié)果對比，再次驗證了CFD 方法能夠準確模擬突然開孔結(jié)構(gòu)在孔口處的氣體流動狀態(tài).他們還利用孔口氣流振蕩曲線，采用參數(shù)擬合方法進一步獲得了內(nèi)壓傳播方程中的各特征參數(shù).

盧旦［32］再次利用CFD 穩(wěn)態(tài)計算中的k—ε湍流模型和非穩(wěn)態(tài)計算中的大渦模擬方法分別對開孔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的平均風壓和脈動風壓進行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明，采用穩(wěn)態(tài)計算方法可很好地模擬結(jié)構(gòu)表面的平均風壓，而采用大渦模擬方法進行脈動內(nèi)壓計算時，只是低頻區(qū)的計算結(jié)果才與風洞試驗吻合.

4 各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的描述

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的規(guī)定已經(jīng)得到了很大的完善，但各國規(guī)范均未提及建筑物在突然開洞情況下的內(nèi)壓系數(shù)取值，并且它們對內(nèi)壓的取值往往偏于危險［17，23，29，33］.

澳大利亞／新西蘭風荷載規(guī)范（AS／NZS 1170.2：2002）［34］對建筑物名義封閉與帶有主開洞2種情況下的內(nèi)壓系數(shù)作了詳細描述，其中當存在主開洞時，內(nèi)壓系數(shù)如表1所示.表中Cpe為主開洞處的外壓系數(shù).

表1 結(jié)構(gòu)內(nèi)壓系數(shù)［34］Tab.1 Internal pressure coefficients for buildings

ISO 風荷載規(guī)范［35］也分別對名義封閉與帶有主開洞的建筑物內(nèi)壓進行了詳細描述.其中對于名義封閉的建筑物的內(nèi)壓取值與AS／NZS 1170.2∶2002［34］一致，帶有開洞的建筑物內(nèi)壓系數(shù)取值與AS／NZS 1170.2∶2002［34］略有不同.

歐洲風荷載規(guī)范［36］對建筑物墻面有無主開洞2種情況的內(nèi)壓分別進行了描述.當建筑物的某墻面開洞面積為其他墻面的開洞面積的2 倍時，Cpi＝0.75Cpe；當某墻面的開洞面積至少3 倍于其他墻面開洞面積時，Cpi＝0.9Cpe；當某墻面的開洞面積為其他墻面開洞面積的2～3倍時，可采用線性插值來計算內(nèi)壓系數(shù).而當建筑物處于名義封閉時，內(nèi)壓系數(shù)可由圖2來確定.圖中，h，d分別為建筑物的高度與深度；μ為孔隙率.

圖2 無主開洞的建筑物內(nèi)壓系數(shù)［36］Fig.2 Internal pressure coefficients for buildings without dominant openings

英國風荷載規(guī)范［37］對名義封閉、帶有主開洞、開敞的建筑物內(nèi)壓系數(shù)進行了詳細描述.對于名義封閉結(jié)構(gòu)，當兩相對的墻面可透風而其他墻面封閉時，若來流風垂直吹向透風墻，內(nèi)壓系數(shù)取值0.2；若來流風垂直吹向封閉墻，內(nèi)壓系數(shù)取值－0.3.對于帶有主開洞的建筑物，內(nèi)壓系數(shù)取值與歐洲風荷載規(guī)范一致.對于開敞結(jié)構(gòu)，則根據(jù)開敞的墻面數(shù)，風向角的不同而取不同的內(nèi)壓值.

美國風荷載規(guī)范［38］以內(nèi)壓系數(shù)與陣風效應(yīng)因子乘積的形式GCpi給出了封閉、部分開敞以及完全開敞建筑物的內(nèi)壓系數(shù).當完全開敞時，GCpi＝0；當部分開敞時，GCpi＝±0.55；當封閉時，GCpi＝±0.18.

印度風荷載規(guī)范［39］考慮了開洞大小對內(nèi)壓的影響.當開洞面積小于5%時，內(nèi)壓系數(shù)取±0.2；當開孔率為5%～20%時，內(nèi)壓系數(shù)取±0.5；當開孔率大于20%時，內(nèi)壓系數(shù)取0.7；而對于一面墻敞開的各種情形，內(nèi)壓系數(shù)隨結(jié)構(gòu)深寬比的不同而取不同的值.

日本風荷載規(guī)范［40］指出正確計算內(nèi)壓時必須考慮墻面開洞的位置與大小，但只給出了名義封閉建筑物的內(nèi)壓系數(shù)取值0或－0.4.

中國風荷載規(guī)范［41］也只給出了封閉式建筑物的內(nèi)壓系數(shù)，其按外表面風壓的正負情況取值－0.2與0.2.

從各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的描述中可知，它們還是落后于當前風致內(nèi)壓的研究進展.為了適應(yīng)工程實踐的需要，需要將現(xiàn)有的內(nèi)壓研究成果體現(xiàn)于風荷載規(guī)范之中，以供結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計時使用.

5 結(jié)語及展望

近年來，盡管國內(nèi)外對建筑結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的研究取得了一定的成果，通過風洞試驗、現(xiàn)場實測以及CFD數(shù)值模擬較為全面地研究了主開洞大小、位置、來流風速等因素對內(nèi)壓的影響；但仍然存在一些重要的基礎(chǔ)和應(yīng)用問題.為此，提出進一步的研究建議：

（1）建筑物在大風時可能會出現(xiàn)多個主開洞，這時結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的空間相關(guān)性大為降低，不能僅用一個內(nèi)壓值來描述結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的變化.因此有必要進一步開展結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的基礎(chǔ)理論研究，以期建立數(shù)學模型來預(yù)測此時的內(nèi)壓及其對結(jié)構(gòu)的作用.

（2）目前已經(jīng)建立起來的內(nèi)壓控制方程及相應(yīng)的Helmholtz頻率已得到了風洞試驗與CFD 數(shù)值模擬的驗證，但很少與內(nèi)壓的現(xiàn)場實測結(jié)果進行比較.而現(xiàn)場實測是采用風洞試驗和CFD 方法研究結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的基礎(chǔ)，因此有必要進一步開展內(nèi)壓的現(xiàn)場實測研究，以此驗證上述內(nèi)壓控制方程及所取參數(shù)的正確性，更能與風洞試驗和CFD 結(jié)果進行對比，指出通過風洞試驗和CFD 模擬內(nèi)壓中存在的問題及改進方法和可行性.

（3）采用CFD 穩(wěn)態(tài)計算方法可很好地模擬結(jié)構(gòu)表面的平均風壓，而CFD 大渦模擬方法只能對低頻區(qū)的脈動內(nèi)壓進行模擬計算［32］，因此有必要進一步開展計算流體動力學湍流模型的研究，以期能準確計算結(jié)構(gòu)脈動內(nèi)壓.

（4）結(jié)構(gòu)柔度、Helmholtz共振、干擾效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)等因素對內(nèi)壓影響的研究稍顯不足，有必要進一步展開風洞試驗研究.另外，內(nèi)外壓的相關(guān)性問題，如何通過內(nèi)外壓來產(chǎn)生凈壓，二次開洞以及強風中是否開洞的概率問題等等，也亟待解決.

（5）開展氣動彈性模型風洞試驗研究柔性屋蓋在內(nèi)外壓共同作用下的氣動彈性現(xiàn)象和氣固耦合效應(yīng)；開發(fā)一些適用于實際工程風洞試驗研究中的內(nèi)壓實用計算方法.

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