典型山體地貌下受山坡坡度影響的低矮房屋風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究

鐘旻，李正農(nóng)，*，邱敏，史文海，吳紅華

(1.湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410082; 2.溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江溫州325035)

典型山體地貌下受山坡坡度影響的低矮房屋風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究

鐘旻1，李正農(nóng)1，*，邱敏1，史文海2，吳紅華1

(1.湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410082; 2.溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江溫州325035)

通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)三種典型山體地貌中低矮房屋的風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并與無周邊時(shí)的低矮房屋風(fēng)壓分布狀況進(jìn)行了對(duì)比，重點(diǎn)討論了低矮房屋在0°風(fēng)向角下，隨山坡坡度變化時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)、體型系數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而分析了低矮房屋在0°～90°風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明:低矮房屋的風(fēng)壓分布受山體的坡度影響較為明顯，其中背風(fēng)墻面較為顯著;隨著山坡坡度的增大，屋面的平均風(fēng)壓逐漸由負(fù)壓變?yōu)檎龎?，山坡坡度?90°時(shí)，背風(fēng)屋面體型系數(shù)相對(duì)無周邊時(shí)增大250%;某些部位(迎風(fēng)墻面中線、背風(fēng)屋檐、迎風(fēng)屋檐)等處測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)絕對(duì)值較大的平均風(fēng)壓系數(shù)，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)引起注意;測(cè)點(diǎn)在不同風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)與山體環(huán)境有很大關(guān)系，在考慮低矮房屋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)取最不利風(fēng)向角下的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。

低矮房屋;風(fēng)荷載;風(fēng)洞試驗(yàn);山坡坡度

0 引言

在我國近海地區(qū)，山區(qū)占很大比例，許多低矮房屋建設(shè)在復(fù)雜的山區(qū)地帶，由于地形地貌會(huì)造成風(fēng)場(chǎng)的復(fù)雜變化，相對(duì)于平坦地貌其在臺(tái)風(fēng)作用下受損比率較大，其中尤其以二層以上的多層房屋受損最為嚴(yán)重。近年來，我國在低矮房屋風(fēng)載特性方面的研究得到了重視和發(fā)展［1］，然而同發(fā)達(dá)國家相比，我國在低矮建筑抗風(fēng)研究方面的投入及學(xué)術(shù)關(guān)注度比較低，特別是對(duì)近海山地等復(fù)雜地形上低矮房屋的風(fēng)載特性研究甚少，所以需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)低矮房屋抗風(fēng)問題的研究。

已有文獻(xiàn)［2-14］表明，有關(guān)低矮建筑風(fēng)壓特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究一般只涉及單體和周邊建筑物，如Katayama和Nishid［15］對(duì)規(guī)則排列的建筑物的相互影響進(jìn)行了研究。而考慮周邊環(huán)境，特別是山體對(duì)于低矮建筑風(fēng)壓特性影響的研究還比較少。Weng等對(duì)二維山脊的邊界層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜地形的風(fēng)速加速比與孤立山丘相比有所降低［16］;時(shí)凌琳［17］通過對(duì)三種不同體型參數(shù)組合(山高Hm，形狀因子R，截面參數(shù)L)的山丘進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了山丘周圍的風(fēng)場(chǎng)特性及其受山丘影響后低矮建筑表面風(fēng)壓分布。

綜上所述，對(duì)于低矮房屋風(fēng)壓分布的研究主要集中在單體或者建筑群的研究，對(duì)于低矮房屋受周邊山體干擾影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究目前還較少涉及。本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)3種典型山體地貌中低矮房屋的風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行研究，并與無周邊時(shí)的低矮房屋風(fēng)壓分布進(jìn)行對(duì)比分析，以獲得低矮房屋隨山坡坡度變化的平均風(fēng)壓系數(shù)、體型系數(shù)變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型制作及測(cè)點(diǎn)布置

在湖南大學(xué)HD-3風(fēng)洞中對(duì)典型山體地形下的雙剖帶挑檐低矮房屋模型進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)?？紤]到近海地區(qū)的特點(diǎn)，本試驗(yàn)?zāi)M規(guī)范所劃分的A類地貌進(jìn)行試驗(yàn)。房屋原尺寸為7.1 m(長)×4.45 m (寬)，檐口高5.95 m，兩邊挑檐長度均為0.25 m，屋脊高6.83 m，雙坡屋面的坡度為18.6°。模型的幾何縮尺比確定為1:40，平面尺寸為0.177 5 m(長)× 0.11125 m(寬)，檐口高0.14875 m，屋脊高0.17075 m，挑檐長度0.00625 m。模型尺寸如圖1所示。模型試驗(yàn)以試驗(yàn)房為中心進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)房的四個(gè)墻面和屋面均布上測(cè)點(diǎn)，且屋檐處為雙側(cè)布點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)總數(shù)為374，其中房屋主體四個(gè)墻面測(cè)點(diǎn)數(shù)202個(gè)，屋頂表面布置測(cè)點(diǎn)為130個(gè)，屋檐采用雙面布點(diǎn)，屋檐內(nèi)側(cè)有42個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)如圖2所示。

圖1 全尺寸低矮房屋圖(單位:mm)Fig.1 Dimensions of full-scale low-rise building(unit:mm)

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Locations of pressure taps

1.2 試驗(yàn)工況介紹

試驗(yàn)中A類地貌下的風(fēng)洞試驗(yàn)是以5°為增量，進(jìn)行19個(gè)來流風(fēng)向角下的風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，風(fēng)向角變化示意圖如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，0°表示正北方向。H代表實(shí)驗(yàn)房高度，Hm代表山坡高度，β代表山坡的角度、S代表房屋與山坡的間距，如圖4所示。為了方便研究山坡度度對(duì)建筑風(fēng)壓的影響，統(tǒng)一選取S/H=0.4，Hm/H=2(低矮房屋距離山體0.0683m，山體高度為0.3415m)，山體情況為無周邊、β=30°、60°、90°時(shí)低矮房屋風(fēng)壓進(jìn)行分析，具體實(shí)驗(yàn)工況見表1所示。本試驗(yàn)各工況均滿足阻塞率的相關(guān)要求。

圖3 風(fēng)向角示意圖Fig.3 W ind direction

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test cases

圖4 位置關(guān)系示意圖Fig.4 Position of mountain

1.3 風(fēng)場(chǎng)模擬

風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速為12 m/s。試驗(yàn)中近地A類地貌通過采用二元尖塔、擋板和粗糙元來實(shí)現(xiàn)，見圖5(a)。圖5(b)為風(fēng)洞中按照上述布置得到的粗糙類別為A類風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面和湍流度剖面。

圖5 風(fēng)洞中模擬的A類風(fēng)場(chǎng)Fig.5 Simulated w ind field for terrain category of A

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

本文將通過分析山坡坡度β變量的影響，得到低矮建筑受到不同的山地環(huán)境狀況干擾時(shí)的風(fēng)荷載特性，主要分析參數(shù)如下:

1)平均風(fēng)壓系數(shù)Cp，mean。瞬時(shí)風(fēng)壓系數(shù)定義為風(fēng)在建筑表面引起的壓力與來流參考高度未擾動(dòng)風(fēng)速壓力的比值，計(jì)算公式如下:

平均風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中，p(t)為實(shí)際風(fēng)壓值，pref為相對(duì)參考靜壓。ρ為試驗(yàn)時(shí)的空氣密度，1.225kg/m3;Ur為來流在參考高度zr處的平均風(fēng)速，其中參考高度為0.5m，相當(dāng)于實(shí)際高度20m，高于山體模型的高度;N為測(cè)點(diǎn)采集風(fēng)壓總次數(shù)。

2)風(fēng)荷載體型系數(shù)μs。本文的風(fēng)洞試驗(yàn)中，由于參考點(diǎn)設(shè)置的原則要求對(duì)模型干擾足夠小且能反映模型位置處的來流特性，故本試驗(yàn)參考點(diǎn)選為離風(fēng)洞地板高度為0.5m處，在剛性模型的縮尺比為1∶40的情況下，與50 cm參考高度對(duì)應(yīng)的實(shí)際原型風(fēng)場(chǎng)中的離地面高度為20m。若和規(guī)范相對(duì)照，試驗(yàn)測(cè)出的風(fēng)壓系數(shù)均應(yīng)被轉(zhuǎn)換成局部體型系數(shù)，利用下式的變換可以得到結(jié)構(gòu)表面的第i點(diǎn)的平均局部體型系數(shù)

其中，α是地面的粗糙指數(shù)，本文取A類地面粗糙指數(shù)0.12;zi為測(cè)點(diǎn)的高度;zr為參考點(diǎn)的高度。由于近地面處的風(fēng)速變化較為復(fù)雜，依據(jù)規(guī)范的規(guī)定，式(2)的計(jì)算有其截?cái)喔叨龋贏類地貌下對(duì)應(yīng)的截?cái)喔叨葹?m，式(2)不適用于5m以下測(cè)點(diǎn)局部體型系數(shù)的計(jì)算，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

3)影響系數(shù)。為了更好的分析山體對(duì)低矮房屋的影響，對(duì)低矮房屋進(jìn)行無周邊環(huán)境下的風(fēng)壓測(cè)試，引入影響系數(shù)來定量描述山體對(duì)低矮房屋的影響效應(yīng)，公式如下所示:

其中μI和μA分別為受山體影響后和無周邊情況下時(shí)低矮房屋的平均風(fēng)壓系數(shù)。

2 0°來流風(fēng)向角下受山體影響的分析

2.1 表面風(fēng)壓分布規(guī)律分析

將各建筑表面在無周邊、β=30°、60°、90°四種工況下的平均風(fēng)壓系數(shù)等值線圖進(jìn)行比較，圖中相鄰兩根等值線的數(shù)值差為0.04。

如圖6所示，0°來流風(fēng)向角下，無周邊干擾時(shí)，對(duì)于低矮建筑的迎風(fēng)墻面，平均風(fēng)壓系數(shù)均為正值，受壓力，且中間區(qū)域2/3高度處的正壓力最大，在該區(qū)域氣流形成了一個(gè)正面停滯區(qū)域，風(fēng)速很小，壓力最大。停滯區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)為0.42左右，氣流以該停滯區(qū)域?yàn)橹行南蛩闹軘U(kuò)散，且這種停滯氣流的作用越來越弱。當(dāng)增加山坡坡度β=30°的山體時(shí)，迎風(fēng)墻面平均風(fēng)壓系數(shù)與無周邊情況的風(fēng)壓分布情況幾乎一致，數(shù)值大小接近;當(dāng)山坡坡度β=60°時(shí)，停滯區(qū)域相對(duì)β=30°時(shí)位置往上移動(dòng)，數(shù)值較為接近，且邊緣處的等值線遞減現(xiàn)象沒有山坡坡度β=30°時(shí)明顯，邊緣處的平均風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)β=30°時(shí)有所增大，增幅為23%;當(dāng)山坡坡度β=90°時(shí)，停滯區(qū)域相對(duì)山坡坡度β=60°時(shí)范圍繼續(xù)擴(kuò)大且繼續(xù)往上移動(dòng)，邊緣處等值線遞減現(xiàn)象也沒有山坡坡度β=60°時(shí)明顯。

由圖7可知，0°來流風(fēng)向角下，無周邊干擾時(shí)，背風(fēng)墻面的平均風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，且左右兩側(cè)的風(fēng)壓系數(shù)等值線向中間凹進(jìn)。當(dāng)氣流受到建筑的阻擾后，一部分氣流繞過建筑物的兩側(cè)向背后流去，在背風(fēng)墻面兩側(cè)邊形成一對(duì)方向相反的豎向渦。上下兩側(cè)的風(fēng)壓等值線也向中間凹進(jìn)，這是由于背風(fēng)墻面上下均產(chǎn)生了渦旋氣流，上部分渦旋由于屋檐處分離的氣流，下部分渦旋由屋面的剪切層產(chǎn)生的環(huán)流。增加了坡度β=30°的山坡后，背風(fēng)墻面分布狀況有所改變，但仍有豎向渦，平均風(fēng)壓系數(shù)仍為負(fù)值，且絕對(duì)值變小為－0.035，受輕微吸力。由圖8(c)可知，當(dāng)β=60°、90°時(shí)，背風(fēng)墻面的平均風(fēng)壓系數(shù)為正值，從下往上依次遞減，受到壓力。當(dāng)β=90°時(shí)，背風(fēng)墻面底部區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)值達(dá)0.5，相對(duì)β=60°的壓力值增大138%。隨著山坡坡度的增加，等值線變化越來越明顯。綜上所述，當(dāng)山坡坡度β=30°時(shí)，山坡對(duì)建筑的兩側(cè)的平均風(fēng)壓影響不大。當(dāng)β∈(30°，90°)這個(gè)區(qū)間時(shí)，背風(fēng)墻面的平均風(fēng)壓系數(shù)值逐漸由負(fù)值變?yōu)檎?，且平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值隨著山坡坡度的增加而增大，平均風(fēng)壓由吸力變?yōu)閴毫Α?/p>

圖6 迎風(fēng)墻面風(fēng)壓系數(shù)等值線圖Fig.6 W indward’s contour curves of mean w ind pressures

圖7 背風(fēng)墻面風(fēng)壓系數(shù)等值線圖Fig.7 Leeward’s contour curves of mean w ind pressures

由圖8可知，0°來流風(fēng)向角下，無周邊干擾時(shí)，側(cè)面的風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，平均風(fēng)壓為吸力，右上角靠近迎風(fēng)墻面處有最大的平均風(fēng)壓系數(shù)，達(dá)－0.46左右。增加坡度β=30°的山坡后，側(cè)面的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值總體減小，僅為無周邊工況時(shí)的50%。當(dāng)山坡坡度β=60°時(shí)，建筑側(cè)面的風(fēng)壓系數(shù)變成正值，為輕微的正壓，面上整體的平均風(fēng)壓系數(shù)均較小，為0.044左右;山坡坡度β=90°時(shí)，平均風(fēng)壓為壓力，平均風(fēng)壓系數(shù)分布與山坡坡度β=60°時(shí)有較大的不同，中部區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)達(dá)0.2左右。

由圖9可知，0°來流風(fēng)向角下，無周邊干擾時(shí)，屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，靠近迎風(fēng)屋檐處的平均風(fēng)壓系數(shù)最大，沿著風(fēng)速的方向依次遞減。當(dāng)增加了山坡坡度β=30°的山體時(shí)，屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值較無周邊工況有所減小，減小幅度為43%，在靠近背風(fēng)屋檐處的平均風(fēng)壓系數(shù)分布相對(duì)無周邊時(shí)變化更加平穩(wěn)，其值保持在-0.15左右;當(dāng)山坡坡度β= 60°時(shí)，除屋檐前緣部位，其余區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)均為很小的負(fù)值－0.05，平均風(fēng)壓為很小的負(fù)壓。當(dāng)山坡坡度β=90°時(shí)，屋檐前緣處的平均風(fēng)壓為很小的正壓，其余部分的壓力也隨著山坡高度的增加而增大，風(fēng)壓系數(shù)值在0.2左右，且沒有出現(xiàn)氣流明顯凹進(jìn)的現(xiàn)象，整體分布較為規(guī)整。從圖中可知，隨著山坡坡度的增大，屋面由較大的負(fù)壓變?yōu)檩^小的正壓。

綜上，當(dāng)建筑后方有山坡干擾時(shí)，隨著山坡坡度的增大，屋面的平均風(fēng)壓逐漸由負(fù)壓變?yōu)檎龎?。屋檐前緣的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值減小，所受負(fù)壓減弱，其余部分的負(fù)壓逐漸減小，直至變?yōu)檎龎骸?/p>

圖8 側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)等值線圖Fig.8 Sideward’s contour curves of mean w ind p ressures

圖9 屋面的風(fēng)壓系數(shù)等值線圖Fig.9 Roof’s contour curves of mean w ind pressures

2.2 低矮房屋關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律分析

選取低矮房屋模型中線及左右邊緣處的測(cè)點(diǎn)，如圖10所示，對(duì)0°來流風(fēng)向角下，測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)隨著山坡坡度的變化進(jìn)行詳細(xì)的分析，揭示其規(guī)律。

在0°來流風(fēng)向角下，山坡坡度β=60°時(shí)，由圖11(a)可知，迎風(fēng)墻面各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)相差很小，而其它工況時(shí)，中線測(cè)點(diǎn)A5、D5、G5相對(duì)其它測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)要大，其中無周邊時(shí)相差最為明顯。無周邊時(shí)，中間測(cè)點(diǎn)A5相對(duì)邊緣測(cè)點(diǎn)A9平均風(fēng)壓系數(shù)增大了500%;當(dāng)山坡坡度β=30°時(shí)，中間測(cè)點(diǎn)A5相對(duì)邊緣測(cè)點(diǎn)A1平均風(fēng)壓系數(shù)增大了153%;山坡坡度β=30°、90°相對(duì)無周邊時(shí)中線測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)有所減小，而兩邊緣處測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)有所增大，與中線測(cè)點(diǎn)的差值減小。

圖10 代表測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.10 Locations of representative pressure taps

圖11 不同工況下代表性測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)變化圖Fig.11 M ean w ind pressures coefficient of representative pressure taps in different cases

由圖11(b)可知，迎風(fēng)屋面各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)相差很小，在其它工況下，中線測(cè)點(diǎn)相對(duì)邊緣處的平均風(fēng)壓系數(shù)要大。在無周邊時(shí)，隨著山坡坡度的增大，迎風(fēng)屋面中線測(cè)點(diǎn)WA20、WC20、WE20有較大負(fù)值，平均風(fēng)壓系數(shù)增大，尤其是迎風(fēng)屋檐處測(cè)點(diǎn)WA20，無周邊時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)為－1.3，當(dāng)山坡坡度β=60°時(shí)增大至0.2，邊緣處測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)隨山坡坡度的增大變化較為復(fù)雜，但總體來說中線處測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對(duì)值相對(duì)邊緣處要大，其中，中間測(cè)點(diǎn)WA20相對(duì)邊緣測(cè)點(diǎn)WA26平均風(fēng)壓系數(shù)增大了85.7%。

由圖11(c)可知，背風(fēng)屋面各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)相差很小，背風(fēng)屋面中間測(cè)點(diǎn)WC7和背風(fēng)屋脊中間測(cè)點(diǎn)WE7受山體的影響較為顯著;無周邊時(shí)，中間測(cè)點(diǎn)WE7相對(duì)邊緣測(cè)點(diǎn)WE1平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值增大了200%;當(dāng)山坡坡度β=90°時(shí)，中間測(cè)點(diǎn)WE7平均風(fēng)壓系數(shù)為0.28，邊緣測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)為0.01。無周邊時(shí)兩測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)有較大的負(fù)值，增設(shè)山坡以后，隨著山坡坡度的增大，平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸增大，當(dāng)β=90°時(shí)，平均風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)較大的正值，圖13(d)可知，隨著山坡坡度的增加，背風(fēng)墻面受山體的影響較為明顯，面上所有測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)均有所增大，且測(cè)點(diǎn)數(shù)值相差較小。

由圖11(e、f)可知，低矮房屋模型左右兩側(cè)面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)在不同工況下變化趨勢(shì)較為相似。無周邊時(shí)，左側(cè)墻面邊緣測(cè)點(diǎn)A14、D14、G14和右側(cè)墻面測(cè)點(diǎn)A24、D24、G24相對(duì)其他測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)要大。無周邊時(shí)，左側(cè)墻面中間測(cè)點(diǎn)G12平均風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)邊緣測(cè)點(diǎn)G14平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值增大了57.1%，右側(cè)墻面中間測(cè)點(diǎn)G26相對(duì)邊緣處測(cè)點(diǎn)G24的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值增大了47.9%。增加山坡以后，三種工況下測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)較為接近，其中山坡坡度β=60°、90°時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)較為接近，而山坡坡度β=30°時(shí)與β=60°、90°時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)相差較大。

2.3 體型系數(shù)相對(duì)無周邊變化規(guī)律分析

我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)［18］中表8.3.1風(fēng)荷載體型系數(shù)的第2、24項(xiàng)提出了封閉式雙坡屋面、靠山封閉式雙坡屋面風(fēng)荷載體型系數(shù)的規(guī)定，為了驗(yàn)證風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，取低矮房屋在0°風(fēng)向角下，無周邊、β=30°、60°、90°時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算得到的體型系數(shù)與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，低矮房屋的坡度為18.6°，將規(guī)范規(guī)定的體型系數(shù)進(jìn)行線性插值，得到房屋坡度為18.6°時(shí)的體型系數(shù)，對(duì)比情況如表2所示。

文獻(xiàn)［19］結(jié)論表明，挑檐的存在對(duì)墻面的體型系數(shù)基本沒有影響，對(duì)屋面的體型系數(shù)有一定的影響，由于本實(shí)驗(yàn)的低矮房屋為帶挑檐的屋面形式，而規(guī)范為無挑檐屋面形式，故在對(duì)屋面體型系數(shù)對(duì)比時(shí)，沒有考慮挑檐上測(cè)點(diǎn)對(duì)屋面體型系數(shù)的作用。

表2 體型系數(shù)值對(duì)比表Table 2 Com parison of shape coefficient

由表2可知，通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到的體型系數(shù)絕對(duì)值基本處于規(guī)范絕對(duì)值以內(nèi)，由于規(guī)范可以起到很好的參考和指導(dǎo)的作用，風(fēng)洞試驗(yàn)值與規(guī)范值較為接近，可以進(jìn)一步證實(shí)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的可靠性。

為了更加全面宏觀地研究低矮房屋建筑表面受山坡坡度的影響，對(duì)各個(gè)建筑表面的體型系數(shù)的影響系數(shù)(具體公式見公式(4)所示)進(jìn)行對(duì)比分析。取風(fēng)向角為0°、S/H=0.4、Hm/H=2時(shí)，山坡坡度β= 30°、60°、90°三種工況時(shí)的體型系數(shù)進(jìn)行分析，如圖12所示。

圖12 影響系數(shù)變化圖Fig.12 Change of influence coefficient

由圖12可知，山體對(duì)迎風(fēng)墻面的影響總體較小。隨著坡度的增大，受山體的影響增大。當(dāng)β=90°時(shí)，影響系數(shù)有最大值15.6%。

隨著山坡坡度的增大，迎風(fēng)屋面、背風(fēng)屋面影響系數(shù)變化趨勢(shì)較為相近，β=90°時(shí)，迎風(fēng)屋面有最大的影響系數(shù)174.42%，背風(fēng)屋面有最大的影響系數(shù)241.2%，背風(fēng)面受山體的影響較其他建筑表面更加明顯。背風(fēng)墻面，影響系數(shù)有所增大，其中當(dāng)坡度角β=30°、60°、90°時(shí)，影響系數(shù)最大值分別為81.4%、167.4%、251.2%。表明山坡坡度從30°增至60°時(shí)，影響系數(shù)明顯增大。而左側(cè)墻面與右側(cè)墻面受山體的影響非常接近，當(dāng)β=90°時(shí)左側(cè)墻面有最大影響系數(shù)146.4%，右側(cè)墻面有最大影響系數(shù)144.9%。

3 典型測(cè)點(diǎn)在不同風(fēng)角下受山體影響分析

為了反映建筑表面測(cè)點(diǎn)隨風(fēng)向角的變化情況，取迎風(fēng)墻面中間測(cè)點(diǎn)D5，側(cè)面中間測(cè)點(diǎn)D12，背風(fēng)墻面中間測(cè)點(diǎn)D19，迎風(fēng)屋面屋檐中間測(cè)點(diǎn)WA20，背風(fēng)屋面屋檐中間測(cè)點(diǎn)WA7，對(duì)各面測(cè)點(diǎn)不同工況下平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

由圖13(a)可知，隨著風(fēng)向角的增大，迎風(fēng)墻面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)均逐漸減小，有周邊時(shí)減小的幅度相對(duì)無周邊情況時(shí)越大，說明不論風(fēng)向角如何變化，小坡度的平均風(fēng)壓系數(shù)幾乎不隨坡度的變化而變化。這是因?yàn)樾∑露确秶鷥?nèi)的變化不會(huì)引起氣流流態(tài)的改變，整個(gè)屋蓋上總的升力系數(shù)不會(huì)有明顯的改變。當(dāng)山坡坡度β=30°時(shí)，風(fēng)向角在0°～30°時(shí)與無周邊時(shí)較為接近，當(dāng)山坡坡度β=60°時(shí)，風(fēng)向角在0°～45°時(shí)與β=90°較為接近。由圖13(b)可知，迎風(fēng)屋檐的平均風(fēng)壓系數(shù)由負(fù)值逐漸變成正值，無周邊情況下，平均風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)有周邊時(shí)絕對(duì)值增大，山體的存在減小了迎風(fēng)屋檐測(cè)點(diǎn)的負(fù)壓，隨著山坡坡度的變化，平均風(fēng)壓系數(shù)變化符合一般規(guī)律。當(dāng)風(fēng)向角接近90°時(shí)，四條曲線聚攏在一起，說明此時(shí)受山坡的影響不大。

由圖13(c)可知，隨著風(fēng)向角的增大，在無周邊情況下，背風(fēng)屋檐處測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)變化很平穩(wěn)，即受風(fēng)向角的影響較小;在有周邊情況下，平均風(fēng)壓系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，風(fēng)向角在40°～60°時(shí)有最大正風(fēng)壓系數(shù)。背風(fēng)屋檐測(cè)點(diǎn)隨著山坡坡度的變化規(guī)律相對(duì)迎風(fēng)屋檐處不明顯，說明背風(fēng)屋面受風(fēng)向角的影響較大。由圖13(d)可知，背風(fēng)墻面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)變化較平穩(wěn);受山體影響后，背風(fēng)墻面平均風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化更加顯著，部分工況從正壓變?yōu)樨?fù)壓。在不同山坡坡度下，變化趨勢(shì)一致但不同工況下數(shù)值相差較大，說明背風(fēng)墻面受山坡坡度變化影響明顯。

圖13 不同風(fēng)向角下代表性測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)值Fig.13 M ean w ind pressures coefficient of representative pressure taps in different w ind angle

由圖13(e)可知，在無周邊情況下，隨著風(fēng)向角的增大，左側(cè)墻面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，最小負(fù)壓出現(xiàn)在5°風(fēng)向角時(shí)，受吸力作用，隨著風(fēng)向角的增大，平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸增大，變?yōu)檎龎?，不同工況下的平均風(fēng)壓系數(shù)相差較小，90°風(fēng)向角下不同工況的平均風(fēng)壓系數(shù)較為接近，說明隨著風(fēng)向角的增加，低矮房屋受山體參數(shù)變化影響減弱。由圖13(f)可知，右側(cè)墻面測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，絕對(duì)值有所減小。受山體影響后，隨著風(fēng)向角的增大，平均風(fēng)壓系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)向角在55°、山坡β=30°時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)有最大的負(fù)值－0.45。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了近海多種典型山體地貌中低矮房屋縮尺模型的風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了受山坡坡度因素影響下低矮房屋表面風(fēng)壓分布狀況，得到如下結(jié)論:

1)在0°風(fēng)向角下，隨著山坡坡度的增加，低矮房屋表面的平均風(fēng)壓系數(shù)分布受山體的影響越來越明顯。其中，對(duì)低矮房屋背風(fēng)墻面的影響較為明顯。

2)隨著山坡坡度的增大，背風(fēng)屋面、背風(fēng)墻面、左右側(cè)墻面的平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸增大;對(duì)于某些關(guān)鍵部位，如迎風(fēng)墻面、迎風(fēng)屋面、背風(fēng)屋面、背風(fēng)墻面中線測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值相對(duì)邊緣處要大，這可能會(huì)產(chǎn)生相對(duì)建筑表面其他部位更大的風(fēng)壓，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些局部風(fēng)壓較高的部位，引入局部風(fēng)壓系數(shù)，避免房屋的局部失效。

3)從各個(gè)面的影響系數(shù)變化趨勢(shì)可以看出，當(dāng)山坡坡度β=90°時(shí)，背風(fēng)屋面體型系數(shù)的影響系數(shù)最大值達(dá)250%，影響系數(shù)從大到小依次為背風(fēng)屋面、背風(fēng)墻面、迎風(fēng)屋面、迎風(fēng)墻面、左側(cè)墻面、右側(cè)墻面，其中右側(cè)墻面的影響系數(shù)在不同山坡坡度時(shí)數(shù)值均較小，在17.5%以內(nèi)。

4)平均風(fēng)壓系數(shù)大小與風(fēng)向角有很大關(guān)系，其中，迎風(fēng)屋面在0°風(fēng)向角下、無周邊干擾時(shí)有平均風(fēng)壓系數(shù)負(fù)壓的極值－1.15，因此，在考慮低矮房屋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)取最不利風(fēng)向角下的風(fēng)荷載進(jìn)行驗(yàn)算。

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W ind tunnel test on w ind load of low-rise buildings in typical mountain landform:analysis of hillside slope effects

Zhong Min1，Li Zhengnong1，*，Qiu Min1，Shi Wenhai2，Wu Honghua1
(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency，Ministry of Education，Hunan University，Changsha 4100821，China;2.School of Architectural and Civil Engineering，Wenzhou University，Wenzhou 325035，China)

The wind pressure distribution of a low-rise building model in three typical mountain terrains alone coastal area are studied by wind tunnel experiment.At the same time，comparison with the wind pressure distribution of low-rise building without surrounding buildings is presented.The study mainly focuses on the variation of average pressure coefficient and shape coefficient with the change of hillside slope under wind attack of 0°，then the trends of average wind pressure coefficients of low-rise building under wind attack of 0°～90°is analyzed.It is founded that the pressure distribution of low-rise building is affected by the slope of the mountain significantly，especially the leeward side;With the hillside slope increases，the average pressure increases gradually from negative to positive，shape coefficient of leeward roof many increase up to 250%compared with low-rise building without surrounding buildings.Some parts，such as windward midline，leeward roof and windward roof，should be paid more attention in the design because of their larger absolute value of the average pressure coefficient.There are some remarkable relationship between mean pressure coefficient under different wind angles and mountain environment.The most unfavorable wind angle of wind load calculations should betaken into consideration of the design for low-rise housing.

low-rise building;wind load;wind tunnel experiment;hillside slope

TU973.213;TU317.1;TU317.2

Adoi:10.7638/kqdlxxb-2014.0135

0258-1825(2016)05-0687-09

2015-02-29;

2015-05-26

國家自然科學(xué)基金(51178180，51278190，51478179)

鐘旻(1988-)，女，博士研究生，主要從事建筑抗風(fēng)研究.E-mail:happysophia2010@sina.com

李正農(nóng)*(1962-)，男，博士，教授，主要從事建筑抗風(fēng)研究.E-mail:zhn88@263.net

鐘旻，李正農(nóng)，邱敏，等.典型山體地貌下受山坡坡度影響的低矮房屋風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34(5): 687-695.

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