雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布

湯 卓 王兆勇 卓士梅 呂令毅

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布

湯 卓 王兆勇 卓士梅 呂令毅

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

摘 要:為了研究雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面的風(fēng)壓分布，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞，并對低矮建筑的雙坡屋面進行了測壓試驗.試驗裝置的氣動測試表明，風(fēng)場的風(fēng)壓分布和風(fēng)速剖面與理論結(jié)果吻合良好，射流風(fēng)洞可用于雷暴沖擊風(fēng)荷載的相關(guān)研究.然后，采用剛性模型的射流風(fēng)洞測壓試驗研究雙坡屋面的風(fēng)壓分布，為了使研究結(jié)果具有代表性，針對15°，30°和60°三種典型的屋面坡角制作剛性屋面模型，試驗得到了模型在風(fēng)場不同位置時的風(fēng)壓分布.試驗結(jié)果表明:建筑物位于雷暴沖擊風(fēng)場中心附近時，屋面風(fēng)荷載為較大壓力，較常規(guī)風(fēng)荷載更為不利;建筑物遠離風(fēng)場中心時，3種屋面的雷暴沖擊風(fēng)荷載與常規(guī)風(fēng)荷載比較接近.

關(guān)鍵詞:雙坡屋面;雷暴沖擊風(fēng);射流風(fēng)洞;風(fēng)壓分布

雷暴沖擊風(fēng)是雷暴天氣中強烈的下沉氣流猛烈沖擊地面形成的輻散大風(fēng)，會造成嚴重的低空風(fēng)切變，對建筑物具有極大的破壞性［1］.

目前，雷暴沖擊風(fēng)是國內(nèi)外強風(fēng)荷載研究領(lǐng)域的熱點問題.國外學(xué)者采用風(fēng)場實測、理論研究、試驗?zāi)M和數(shù)值模擬等方法對雷暴沖擊風(fēng)進行了大量研究［2-6］.國內(nèi)學(xué)者也對雷暴沖擊風(fēng)荷載進行了研究.文獻［7］利用主動控制風(fēng)洞模擬了雷暴沖擊風(fēng)氣流剖面和階躍流時程，通過模型試驗觀測高層結(jié)構(gòu)模型在突變氣流作用下結(jié)構(gòu)空氣動力學(xué)參數(shù)的變化特征.文獻［8］利用射流裝置、粗糙元等模擬了雷暴沖擊風(fēng)流場，研究了雷暴沖擊風(fēng)作用下球殼型屋面模型的風(fēng)壓特性.文獻［9］使用可調(diào)導(dǎo)流板、擋板和粗糙元，在大氣邊界層風(fēng)洞內(nèi)實現(xiàn)了雷暴沖擊風(fēng)場的模擬，并對圓柱形屋蓋模型的風(fēng)壓系數(shù)分布進行了試驗研究.文獻［10］以CAARC高層建筑物標準模型為研究對象，基于CFD方法研究了下?lián)舯┝髯饔孟赂邔咏ㄖ锏谋砻骘L(fēng)壓分布特性.文獻［11］采用大渦模擬方法，結(jié)合壁面射流模型，計算得到雷暴沖擊風(fēng)從初始噴射到流場穩(wěn)定的發(fā)展過程.文獻［12］采用非定常數(shù)值，計算研究了雷暴沖擊風(fēng)作用下地面處的風(fēng)壓時程和平均風(fēng)壓，并提出了雷暴沖擊風(fēng)作用下地面處風(fēng)壓的計算公式.

本文根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場特征，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞.采用測壓試驗對低矮建筑的雙坡屋面處風(fēng)壓分布規(guī)律進行了研究.研究結(jié)果為低矮建筑抗雷暴沖擊風(fēng)計提供了一定的參考.

1 試驗

1.1 射流風(fēng)洞

雷暴沖擊風(fēng)從初始噴射到流場穩(wěn)定的發(fā)展過程可以分為如下2個階段:①初始噴射至射流前沿到達地面;②沖擊地面的氣流形成輻散大風(fēng).目前，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程界根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場特征開展的試驗研究主要包括如下2種思路:① 通過對直流式風(fēng)洞進行改造，實現(xiàn)對雷暴沖擊風(fēng)的模擬，從而較好地再現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)形成的低空切變大風(fēng)［7］;② 根據(jù)沖擊射流模型建造射流風(fēng)洞，完整再現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)從初始噴射到流場穩(wěn)定的發(fā)展過程［5］.

為了研究雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面的風(fēng)壓分布，本文采用沖擊射流模型，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞(見圖1).射流風(fēng)洞的射流筒體長5 m，內(nèi)設(shè)2道整流柵，噴射口直徑D=400 mm，試驗平板尺寸為2.4 m ×2.4 m.

1.2 剛性模型及試驗工況

根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場特征，可以將風(fēng)場分為2個部分:①噴射口正下方的區(qū)域，此區(qū)域具有較大的豎向風(fēng)速，地面受到較大的沖擊作用;② 遠離風(fēng)場中心的區(qū)域，此區(qū)域具有較大的水平風(fēng)速.研究表明，距風(fēng)場中心1.5D位置處具有較為穩(wěn)定的水平風(fēng)速剖面［3］.根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場特征，將屋面模型固定在徑向坐標r=0，1.5D進行測壓試驗，柱面坐標系定義和模型布置見圖2.圖中，H為噴射口與試驗平板之間的距離.

圖1 射流風(fēng)洞

圖2 柱面坐標定義和模型布置示意圖

3 個雙坡屋面房屋的模型縮尺比例均為1∶100.模型平面布置相同:底面為正方形，邊長為120 mm，檐口高度為80 mm;屋面坡度α分別為15°，30°和60°.考慮到雷暴沖擊風(fēng)場和屋面繞流的復(fù)雜性，將測點布置在整個屋面上，共布置100個測點，測點采用行編號和列編號進行定位(見圖3).

1.3 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)壓系數(shù)定義為

式中，p為測點的風(fēng)壓;pref為參考靜壓力;ρ為空氣密度;Vjet為射流速度，此處取為整個射流面的平均風(fēng)速.

圖3 屋面模型測點布置示意圖

2 射流風(fēng)洞的氣動測試

射流風(fēng)洞形成的風(fēng)場受射流速度Vjet和噴射口與試驗平板之間的距離H等因素影響.本文固定Vjet=18 m/s，調(diào)節(jié)H進行氣動測試.氣動測試內(nèi)容為試驗平板上的風(fēng)壓分布和射流風(fēng)場的風(fēng)速剖面.

2.1 風(fēng)壓測試

在雷暴沖擊風(fēng)的作用下，噴射口下方地面承受較大的風(fēng)壓.隨著徑向坐標的增大，風(fēng)場逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐运斤L(fēng)速為主，地面上的風(fēng)壓也逐漸減小.

圖4給出了H=D，2D，5D三種情況下試驗平板表面的風(fēng)壓分布與理論結(jié)果的對比結(jié)果.由圖可知，當H=D，2D時，風(fēng)壓分布和計算公式結(jié)果吻合良好;當H=5D時，曲線的整體趨勢較為吻合，數(shù)值稍有偏離.

圖4 試驗平板表面的風(fēng)壓分布測試結(jié)果對比

2.2 風(fēng)速測試

雷暴沖擊風(fēng)場中，噴射口下方的豎向風(fēng)速較大，而水平風(fēng)速較小;遠離風(fēng)場中心處的水平風(fēng)速較大，而豎向風(fēng)速較小.

圖5(a)給出了射流風(fēng)場r=1.5D處風(fēng)速剖面與理論結(jié)果的對比結(jié)果.圖中，Vmax表示最大水平風(fēng)速，z0.5Vmax表示水平風(fēng)速為 0.5Vmax時的高度，rVmax表示最大風(fēng)速時的徑向坐標.圖5(b)給出了射流風(fēng)場z=20 mm處風(fēng)速剖面與理論結(jié)果的對比結(jié)果.由圖5可以看出，當H=D，2D時，風(fēng)速剖面和理論結(jié)果吻合較好;當H=5D時，曲線的整體趨勢基本一致，但數(shù)值有較大偏離.

圖5 風(fēng)速剖面測試結(jié)果對比

通過對比氣動測試結(jié)果和理論結(jié)果可知，當H=D，2D時，射流風(fēng)洞產(chǎn)生的風(fēng)場與雷暴沖擊風(fēng)場比較吻合;當H=5D時，射流風(fēng)場不能很好地反映雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場特征.基于測試結(jié)果，并考慮試驗平板與噴射口之間的距離便于試驗操作，本文選擇H=2D進行典型雙坡屋面的測壓試驗.

3 測壓試驗結(jié)果及分析

對3個模型進行測壓試驗，每個模型分別進行如下3種工況的測壓試驗:①r=0，即模型位于風(fēng)場中心;②r=1.5D，山墻迎風(fēng);③r=1.5D，檐口迎風(fēng).

圖6 為 3 個屋面模型(α =15°，30°，60°)在不同工況下的測壓試驗結(jié)果.圖6(a)、(b)、(d)、(e)、(g)、(h)中的橫線以及圖 6(c)、(f)、(i)中的豎線均為屋脊線.由圖可知，在工況1下，屋面受豎向風(fēng)速的沖擊，風(fēng)荷載均為壓力，呈中心對稱分布，由中心至邊緣逐漸減小;在工況2下，屋面主要承受水平風(fēng)速的作用，風(fēng)荷載均為吸力且由前至后逐漸減小，風(fēng)荷載關(guān)于屋脊線對稱分布;在工況3下，前側(cè)屋面的風(fēng)荷載由檐口至屋脊線逐漸減小，后側(cè)屋面的風(fēng)荷載由屋脊線至檐口逐漸減小.

圖6 屋面風(fēng)壓系數(shù)試驗結(jié)果

4 雷暴沖擊風(fēng)荷載與常規(guī)風(fēng)荷載的對比

為了和常規(guī)的大氣邊界層風(fēng)荷載進行對比，按B類場地取地貌指數(shù)為0.15，基本風(fēng)壓w0=0.56 kN/m2.此時，10 m 高度處的風(fēng)速v0=30 m/s;雷暴沖擊風(fēng)的射流速度Vjet=30 m/s.

取屋面列編號為5的測點進行風(fēng)荷載對比，并將建筑物還原為真實尺度，即房屋底面邊長為12 m，檐口高度為8 m.圖7為屋面坡角 α=15°，30°，60°時雷暴沖擊風(fēng)和常規(guī)風(fēng)作用于雙坡屋面的荷載對比.將3種工況下的雷暴沖擊風(fēng)荷載與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)［13］所給出的常規(guī)風(fēng)荷載相比較，可以發(fā)現(xiàn)，雷暴沖擊風(fēng)和常規(guī)風(fēng)作用于建筑物的荷載存在較大的差異:常規(guī)風(fēng)荷載主要為負值(吸力)，只有當α=60°時迎風(fēng)面的風(fēng)壓為正值(壓力)，而雷暴沖擊風(fēng)荷載在建筑物位于風(fēng)場中心時(工況1)全部為正值且數(shù)值較大，達到甚至超過不上人屋面的活荷載(0.5 kN/m2);在建筑物遠離風(fēng)場中心時(工況2和工況3)，3種屋面的雷暴沖擊風(fēng)荷載全部為負值.

5 結(jié)語

根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場特征，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞.將射流風(fēng)洞的流場模擬結(jié)果與理論結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合良好，表明射流風(fēng)洞的建造和雷暴風(fēng)流場模擬是成功的.利用剛性模型的射流風(fēng)洞測壓試驗得到了雙坡屋面在雷暴沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)壓分布，并將雷暴沖擊風(fēng)荷載與常規(guī)風(fēng)荷載進行了對比.結(jié)果表明，建筑物位于雷暴沖擊風(fēng)場中心時，屋面風(fēng)荷載為較大壓力，較常規(guī)風(fēng)荷載更為不利.

圖7 荷載對比

［1］Fujita T T.Downbursts:meteorological features and wind field characteristics［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1990，36(1/2/3):75-86.

［2］Geerts B.Estimating downdraft-related maximum surface wind speeds by means of proximity soundings in New South Wales，Australia［J］.Weather and Forecasting，2001，16(1):261-269.

［3］Wood G S，Kwok K C S，Motteram N A，et al.Physical and numerical modeling of thunderstorm downbursts［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89(6):535-552.

［4］Holmes J D，Oliver S E.An empirical model of a downburst［J］.Engineering Structures，2000，22(9):1167-1172.

［5］Sengupta A，Sarkar P P.Experimental measurement and numerical simulation of an impinging jet with application to thunderstorm microburst winds［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96(3):345-365.

［6］Mason M S，F(xiàn)letcher D F，Wood G S.Numerical simulation of downburst winds［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2009，97(11/12):523-539.

［7］趙楊，曹曙陽，Yukio Tamura，等.雷暴沖擊風(fēng)模擬及其荷載的風(fēng)洞試驗研究［J］.振動與沖擊，2009，28(4):1-5.

Zhao Yang，Cao Shuyang，Yukio Tamura，et al.Simulation of downburst and its loads with wind tunnel test［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28(4):1-5.(in Chinese)

［8］陳勇，崔碧琪，余世策，等.雷暴沖擊風(fēng)作用下球殼型屋面模型風(fēng)壓特性試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32(8):26-33.

Chen Yong，Cui Biqi，Yu Shice，et al.Experimental investigation of spherical roof subjected to thunderstorm downbursts［J］.Journal of Building Structures，2011，32(8):26-33.(in Chinese)

［9］段旻，謝壯寧，石碧青.下?lián)舯┝黠L(fēng)場的大氣邊界層風(fēng)洞模擬研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33(3):126-131.

Duan Min，Xie Zhuangning，Shi Biqing.Experimental study on simulation of downburst in atmospheric boundary layer wind tunnel［J］.Journal of Building Structures，2012，33(3):126-131.(in Chinese)

［10］吉柏鋒，瞿偉廉.下?lián)舯┝髯饔孟赂邔咏ㄖ锉砻骘L(fēng)壓分布特性［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，40(9):89-94.

Ji Baifeng，Qu Weilian.Mean wind pressure distribution characteristics on tall building under downburst［J］.Journal of Huazhong University of Science＆Technology:Natural Science Edition，2012，40(9):89-94.(in Chinese)

［11］湯卓，呂令毅.雷暴沖擊風(fēng)荷載的大渦模擬［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2011，29(1):47-51.

Tang Zhuo，Lü Lingyi. Large eddy simulation of downburst wind load［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2011，29(1):47-51.(in Chinese)

［12］湯卓，呂令毅.雷暴沖擊風(fēng)作用下地面處風(fēng)壓分布特征［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，41(6):1273-1276.

Tang Zhuo，Lü Lingyi.Wind pressure distribution on ground under impingement of downbursts［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2011，41(6):1273-1276.(in Chinese)

［13］中國工程建設(shè)標準化協(xié)會.GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Pressure distribution on gable roofs in thunderstorm downburst

Tang Zhuo Wang Zhaoyong Zhuo Shimei Lü Lingyi
(School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:A jet wind tunnel is constructed to generate a downburst-like flow for the purpose of quantifying downburst-induced aerodynamic loads on civil engineering structures.To study the pressure distribution on gable roofs，jet wind tunnel tests for rigid models of gable roofs are carried out.Velocity profiles and pressure distributions in a downburst are studied and good agreements are achieved between the present results and the data obtained from empirical models.Therefore，the jet wind tunnel can be used in wind engineering research.Then，the jet wind tunnel tests for rigid models are carried out to investigate the pressure distribution on gable roofs.In order to make the research representative，three typical roof pitches with the slope angles of 15°，30°and 60°are used in making rigid models.Pressure distributions of the models in different locations of the wind field are obtained.The experimental results show that when the building is located in the center of the downburst，the wind loads on the gable roofs are pressure and more harmful than the conventional wind load.However，when the building is far away from the center of the downburst，the wind loads are close to the conventional wind load.

Key words:gable roof;thunderstorm downburst;jet wind tunnel;pressure distribution

中圖分類號:TU312

A

1001－0505(2014)01-0168-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.030

收稿日期:2013-06-18.

湯卓(1981—)，男，博士，講師;呂令毅(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，lylu@seu.edu.cn.

湯卓，王兆勇，卓士梅，等.雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，44(1):168-172.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.030］