熱帶氣旋中豎向風(fēng)攻角對(duì)雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓的影響

李秋勝　李建成

摘要：基于熱帶風(fēng)暴“彩虹”中采集的高分辨率風(fēng)速風(fēng)向和雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，研究了臺(tái)風(fēng)天氣下來(lái)流垂直于屋脊線時(shí)豎向風(fēng)攻角對(duì)雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓的影響。結(jié)果表明：來(lái)流垂直屋脊線時(shí)，屋面特殊風(fēng)壓系數(shù)與來(lái)流豎向風(fēng)攻角之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。測(cè)點(diǎn)特殊風(fēng)壓系數(shù)受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度隨著測(cè)點(diǎn)距迎風(fēng)前緣距離的增加而減小。另外，受屋脊的影響，雙坡屋面背風(fēng)面距離屋脊較近的區(qū)域受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度會(huì)有一定程度的增強(qiáng)。來(lái)流豎向風(fēng)攻角可能是造成雙坡屋面迎風(fēng)前緣及背風(fēng)面屋脊附近風(fēng)壓系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較大的主要原因之一，在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，應(yīng)考慮來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響。

關(guān)鍵詞：豎向風(fēng)攻角；低矮房屋；風(fēng)壓；熱帶氣旋

中圖分類號(hào)：TU973.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

臺(tái)風(fēng)風(fēng)致災(zāi)害是最主要的自然災(zāi)害之一，我國(guó)地處西太平洋海岸，是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。災(zāi)后調(diào)查顯示，風(fēng)災(zāi)中損毀的絕大多數(shù)建筑為低矮房屋，其主要破壞形式為屋面外覆構(gòu)件的局部損壞，如屋面角部、屋檐和屋脊附近區(qū)域。在我國(guó)東南沿海地區(qū)，雙坡屋面低矮房屋是居民住房的主要建筑形式之一，開(kāi)展該類型低矮房屋在臺(tái)風(fēng)作用下的實(shí)測(cè)研究具有重要意義。

近40年來(lái)，關(guān)于低矮房屋風(fēng)致風(fēng)壓，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的實(shí)測(cè)研究，其中比較著名的有英國(guó)的艾爾斯伯里實(shí)驗(yàn)房、西爾斯框架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)房（SSB）、美國(guó)德克薩斯理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)房（TTU）以及國(guó)內(nèi)的湖南大學(xué)臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)房（工期平坡實(shí)測(cè)房和Ⅱ期雙坡實(shí)測(cè)房）和同濟(jì)大學(xué)變坡實(shí)測(cè)房、大量的實(shí)測(cè)結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示，低矮房屋屋面迎風(fēng)前緣、屋面角部區(qū)域以及雙坡屋面屋脊附近風(fēng)壓實(shí)測(cè)值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果差異較大，風(fēng)洞試驗(yàn)低估了這些區(qū)域的峰值風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為在低速風(fēng)洞中難以準(zhǔn)確模擬雷諾數(shù)相似條件和近地面層風(fēng)場(chǎng)特性是造成這種偏差的主要原因。

風(fēng)洞試驗(yàn)中模擬的風(fēng)場(chǎng)一般不考慮豎向風(fēng)攻角，但實(shí)際環(huán)境中，由于風(fēng)自身結(jié)構(gòu)或者周邊地形的影響，風(fēng)具有一定的豎向風(fēng)攻角，豎向風(fēng)攻角的存在會(huì)加劇來(lái)流在屋面迎風(fēng)前緣的分離效應(yīng)，對(duì)屋面風(fēng)壓產(chǎn)生不利影響。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于豎向風(fēng)攻角對(duì)屋面風(fēng)壓影響的研究很少，Letchford等設(shè)計(jì)了一個(gè)可以沿對(duì)角線縱向旋轉(zhuǎn)的平坡低矮房屋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)改變模型的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)模擬不同的來(lái)流豎向風(fēng)攻角，以評(píng)估來(lái)流平均豎向風(fēng)攻角對(duì)錐形渦作用范圍內(nèi)風(fēng)壓特性的影響程度，結(jié)果表明在使用準(zhǔn)定常理論預(yù)測(cè)屋面角部風(fēng)壓時(shí)，引入豎向風(fēng)攻角可以減小風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差。Wu等基于TTU的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了豎向風(fēng)攻角對(duì)屋面角部風(fēng)壓系數(shù)的影響，其研究結(jié)果表明豎向風(fēng)攻角對(duì)錐形渦的形成和發(fā)展有非常大的影響，低矮房屋設(shè)計(jì)中不能忽視豎向風(fēng)攻角的影響。

鑒于目前關(guān)于豎向風(fēng)攻角對(duì)低矮房屋屋面風(fēng)壓影響的研究較少，且多是針對(duì)平坡屋面低矮房屋的研究，本文基于在熱帶風(fēng)暴“彩虹”中采集的高分辨率近地面風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)和雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，分析了來(lái)流垂直于屋脊線這一工況下，豎向風(fēng)攻角對(duì)雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓的影響規(guī)律。本文研究結(jié)果可為改進(jìn)現(xiàn)有風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)提供參考。

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及熱帶風(fēng)暴“彩虹”介紹

1.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

本文數(shù)據(jù)來(lái)自湖南大學(xué)臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Ⅱ期工程，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于海南省文昌市錦山鎮(zhèn)某臨海位置，由一棟雙坡屋面低矮房屋和一座10m高氣象監(jiān)測(cè)塔組成，如圖1所示。房屋尺寸為12.32 m×6.0 m×3.2 m（長(zhǎng)×寬×高），屋面坡角為11.3°，四臺(tái)二維機(jī)械式風(fēng)速儀（RM Young 05106）分別安裝在氣象監(jiān)測(cè)塔的3.2，5.0，7.5，10.0 m高處；另外，一臺(tái)超聲風(fēng)速儀（GillWind Master Pro）和一臺(tái)三維機(jī)械式風(fēng)速儀（Model20075 Gill UVW）分別安裝在10.0 m和3.2 m高度處。觀測(cè)點(diǎn)周圍地貌及儀器技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)。文中所用數(shù)據(jù)采樣頻率均為20 Hz。

1.2熱帶風(fēng)暴彩虹介紹

熱帶氣旋彩虹（國(guó)際編號(hào)0913）于2009年9月9日在南海中部形成，之后向西北移動(dòng)，橫過(guò)南海北部，并于9月10日增強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，9月11日凌晨，彩虹達(dá)到其最高強(qiáng)度，中心附近最高風(fēng)速約為75 km/h，并橫過(guò)海南島北部，進(jìn)入北部灣海域，9月12日早上彩虹在越南北部登陸，并減弱為熱帶低氣壓。熱帶風(fēng)暴“彩虹”中心距實(shí)測(cè)房最近直線距離約為38 km，其路徑如圖2所示。

實(shí)測(cè)系統(tǒng)同步采集了熱帶風(fēng)暴彩虹影響實(shí)測(cè)地點(diǎn)時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向和屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)。本文設(shè)定風(fēng)速閾值為10 m/s，即僅選擇10 min平均風(fēng)速大于10 m/s的風(fēng)速數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的風(fēng)向和風(fēng)壓數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)篩選，最終選擇了時(shí)長(zhǎng)為4 h的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析樣本。圖3（a）（b）分別給出了3.2，5.0，7.5，10.0 m高度處的10 min平均風(fēng)速時(shí)程和平均風(fēng)向時(shí)程。由圖可知，4個(gè)高度處之間風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)體現(xiàn)了很好的一致性，說(shuō)明了風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的可靠性。圖3（c）給出了3.2 m高度處的3 s平均豎向風(fēng)攻角時(shí)程。

2數(shù)據(jù)處理方法

2.1數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中的實(shí)測(cè)風(fēng)速常伴有非平穩(wěn)過(guò)程，對(duì)臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)特性進(jìn)行分析時(shí)，需經(jīng)過(guò)平穩(wěn)性檢驗(yàn)，否則會(huì)導(dǎo)致平穩(wěn)隨機(jī)序列統(tǒng)計(jì)樣本參數(shù)出現(xiàn)誤差。選取10 min為參考時(shí)距，即時(shí)長(zhǎng)為10 min的數(shù)據(jù)為1個(gè)樣本單元，采用逆序法分別對(duì)全部數(shù)據(jù)中的每個(gè)樣本單元進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)，選取滿足95%置信水平條件的平穩(wěn)過(guò)程樣本用于分析。

2.2定義特殊風(fēng)壓系數(shù)

風(fēng)工程中常用的風(fēng)壓系數(shù)（本文稱為傳統(tǒng)風(fēng)壓系數(shù)）為風(fēng)壓與參考高度處某一指定時(shí)距（通常為10min）下的平均動(dòng)風(fēng)壓的比值：

（1）式中：C_p為傳統(tǒng)風(fēng)壓系數(shù)；p為平均風(fēng)壓；ρ為空氣密度；v為參考高度處的平均風(fēng)速。

由式（1）可知，傳統(tǒng)風(fēng)壓系數(shù)對(duì)風(fēng)速的變化很敏感。由于自然界中的風(fēng)是變化無(wú)常的，因此在計(jì)算平均風(fēng)速時(shí)，起始時(shí)間以及持續(xù)時(shí)距均會(huì)對(duì)平均風(fēng)速的大小產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響風(fēng)壓系數(shù)。為了減弱風(fēng)速對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響，Zhao以在測(cè)點(diǎn)正上方采集到的瞬時(shí)速度壓為參考動(dòng)壓定義了一種瞬時(shí)風(fēng)壓系數(shù)。這種瞬時(shí)風(fēng)壓系數(shù)能有效地減弱風(fēng)速脈動(dòng)對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響，更好地反映水平風(fēng)向角和豎向風(fēng)攻角對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的影響規(guī)律。

本文實(shí)測(cè)系統(tǒng)中，風(fēng)速儀未安裝在測(cè)點(diǎn)正上方，而是安裝在位于實(shí)驗(yàn)房北面，距其6.0 m處的氣象塔上，故直接使用瞬時(shí)風(fēng)壓系數(shù)方法是不準(zhǔn)確的。王云杰證明了當(dāng)參考時(shí)距很短時(shí)，風(fēng)速可認(rèn)為是穩(wěn)定的，故可以通過(guò)使用短時(shí)距內(nèi)的平均速度壓作為參考動(dòng)壓，以達(dá)到瞬時(shí)風(fēng)壓系數(shù)的效果。本文選用3s作為參考時(shí)距，定義特殊風(fēng)壓系數(shù)：

（2）式中：C^'_p為特殊風(fēng)壓系數(shù)；τ為參考時(shí)距，本文取3s；p（τ）為參考時(shí)距內(nèi)的平均風(fēng)壓；v（τ）為參考高度處（3.2 m，屋面平均高度）的平均風(fēng)速。

2.3解耦豎向風(fēng)攻角和水平風(fēng)向角

雖然特殊風(fēng)壓系數(shù)已經(jīng)減弱了風(fēng)速脈動(dòng)的影響，但其依然同時(shí)受到豎向風(fēng)攻角和水平風(fēng)向角的影響。因此，若想單獨(dú)分析豎向風(fēng)攻角對(duì)風(fēng)壓的影響，必須將豎向風(fēng)攻角和水平風(fēng)向角的影響進(jìn)行解耦。將3 s平均水平風(fēng)向角、平均豎向風(fēng)攻角和各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的特殊風(fēng)壓系數(shù)，按照水平風(fēng)向角進(jìn)行排序，可以得到某一水平風(fēng)向角下特殊風(fēng)壓系數(shù)隨豎向風(fēng)攻角的變化規(guī)律；同理，若按豎向風(fēng)攻角進(jìn)行排序，可以得到某一豎向風(fēng)攻角下特殊風(fēng)壓系數(shù)隨水平風(fēng)向角的變化規(guī)律。

3結(jié)果分析

3.190°風(fēng)向角下豎向風(fēng)攻角對(duì)風(fēng)壓的影響

本文定義風(fēng)平行屋脊線吹向?qū)嶒?yàn)房為0°風(fēng)向角，按順時(shí)針增加。選擇關(guān)于中軸線對(duì)稱的兩列測(cè)點(diǎn)作為分析對(duì)象，如圖4所示。

圖5給出了90°水平風(fēng)向角下，各測(cè)點(diǎn)特殊風(fēng)壓系數(shù)隨來(lái)流豎向風(fēng)攻角的變化規(guī)律。由于房屋沿中軸線對(duì)稱，若假設(shè)來(lái)流風(fēng)在房屋尺度范圍內(nèi)沿水平方向完全相關(guān)，則理論上關(guān)于中軸線對(duì)稱的一對(duì)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)應(yīng)該完全一致。由圖5可知，關(guān)于中軸線對(duì)稱的每一對(duì)測(cè)點(diǎn)的特殊風(fēng)壓系數(shù)均體現(xiàn)了很好的一致性，說(shuō)明了本次實(shí)測(cè)風(fēng)壓數(shù)據(jù)的可靠性。

由圖5可以看出每一對(duì)測(cè)點(diǎn)的特殊風(fēng)壓系數(shù)與來(lái)流豎向風(fēng)攻角之間均體現(xiàn)了明顯的線性關(guān)系。為了評(píng)估不同位置測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度，對(duì)每對(duì)測(cè)點(diǎn)特殊風(fēng)壓系數(shù)與豎向風(fēng)攻角之間的關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，并以擬合直線的斜率來(lái)表征測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度。擬合直線斜率絕對(duì)值越大表示該對(duì)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響越強(qiáng)烈。

圖6給出了擬合直線斜率與測(cè)點(diǎn)位置之間的關(guān)系。由圖6可知，整體上擬合直線斜率絕對(duì)值隨測(cè)點(diǎn)距迎風(fēng)前緣距離的增加而減小，表明距離迎風(fēng)前緣越遠(yuǎn)的屋面區(qū)域受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響越小。但屋面背風(fēng)面距離屋脊最近的一對(duì)測(cè)點(diǎn)受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度突然增大，說(shuō)明雙坡屋面房屋屋面風(fēng)壓受屋脊的影響，屋面背風(fēng)面距離屋脊較近的區(qū)域受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度會(huì)有一定程度的增強(qiáng)。另外，屋面迎風(fēng)前緣位置測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)受來(lái)流豎向風(fēng)攻角影響程度遠(yuǎn)大于其余測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明迎風(fēng)前緣位置是受來(lái)流豎向風(fēng)攻角影響最強(qiáng)烈的區(qū)域。大量風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比顯示，90°風(fēng)向角下，迎風(fēng)前緣及背風(fēng)面屋脊附近區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較大。由于風(fēng)洞試驗(yàn)中未模擬豎向風(fēng)攻角的影響，所以來(lái)流豎向風(fēng)攻角可能是造成這種差異的原因之一。

3.24°和10°豎向風(fēng)攻角下的特殊風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比

為了進(jìn)一步說(shuō)明來(lái)流豎向風(fēng)攻角對(duì)屋面風(fēng)壓的影響，圖7給出了4°和10°兩種豎向風(fēng)攻角下每對(duì)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)特殊風(fēng)壓系數(shù)與水平風(fēng)向角（80°～120°）之間的關(guān)系。之所以選擇4°和10°豎向風(fēng)攻角作為分析對(duì)象，是因?yàn)檫@兩種攻角下各測(cè)點(diǎn)具有足夠的數(shù)據(jù)量，同時(shí)又能保證足夠的攻角差，從而能更明顯地體現(xiàn)豎向風(fēng)攻角對(duì)屋面風(fēng)壓的影響程度。

另外，對(duì)受豎向風(fēng)攻角影響較大的4對(duì)測(cè)點(diǎn)，圖中給出了其風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)是在湖南大學(xué)建筑與環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的（詳見(jiàn)文獻(xiàn)），采樣頻率為520 Hz，每個(gè)樣本的采樣時(shí)長(zhǎng)為115 s。模型縮尺比為1：20，根據(jù)實(shí)測(cè)3.2 m高度處總平均風(fēng)速和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)16 cm處的平均風(fēng)速計(jì)算得到風(fēng)速比為1：2.15，根據(jù)斯托羅哈數(shù)相似可得時(shí)間比為1：9.3，則實(shí)測(cè)3 s時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)風(fēng)洞中的0.32 s時(shí)長(zhǎng)。對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行0.32 s滑動(dòng)平均，之后計(jì)算0.32 s平均值的總體平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖7所示°

10°豎向風(fēng)攻角下，位于迎風(fēng)前緣區(qū)域的測(cè)點(diǎn)50606和50509的特殊風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值在80°～120°風(fēng)向角間均明顯大于4°豎向風(fēng)攻角下的特殊風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值，尤其是90°和120°風(fēng)向角附近，這種差異更為明顯，這主要是因?yàn)?0°風(fēng)向角時(shí)，豎向風(fēng)攻角的存在加劇了來(lái)流在迎風(fēng)前緣處的分離；而120°風(fēng)向角下，豎向風(fēng)攻角的存在影響了錐形渦的強(qiáng)度，這與Wu在平坡屋面上得到的結(jié)果相似。測(cè)點(diǎn)50506和50509以及測(cè)點(diǎn)50406和50409，在10°豎向風(fēng)攻角下的特殊風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值略大于4°攻角下的值。屋面背風(fēng)面靠近屋脊附近測(cè)點(diǎn)50306和50309的特殊風(fēng)壓系數(shù)在90°和120°水平風(fēng)向角附近這種差異較為明顯，而在其余風(fēng)向角下，豎向風(fēng)攻角的影響有限。屋面背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)50206和50209以及測(cè)點(diǎn)50106和50109的特殊風(fēng)壓系數(shù)值在2種豎向風(fēng)攻角下幾乎沒(méi)有差異，表明豎向風(fēng)攻角對(duì)屋面背風(fēng)面且遠(yuǎn)離屋脊的區(qū)域幾乎沒(méi)有影響，可以不予考慮。

另外，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與4°風(fēng)攻角下的實(shí)測(cè)特殊風(fēng)壓系數(shù)之間的差異明顯小于10°風(fēng)攻角下二者之間的差異，說(shuō)明豎向風(fēng)攻角的增大加劇了實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差。

4結(jié)論

本文基于在熱帶風(fēng)暴“彩虹”中采集的高分辨率風(fēng)速風(fēng)向及低矮雙坡房屋屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，研究了臺(tái)風(fēng)天氣中，來(lái)流垂直低矮雙坡房屋屋脊線工況下豎向風(fēng)攻角對(duì)屋面風(fēng)壓的影響規(guī)律。得到如下結(jié)果：

1）來(lái)流垂直于屋脊線時(shí)，屋面特殊風(fēng)壓系數(shù)與來(lái)流豎向風(fēng)攻角之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。

2）屋面迎風(fēng)前緣處特殊風(fēng)壓系數(shù)受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度最強(qiáng)烈，隨著測(cè)點(diǎn)距迎風(fēng)前緣距離的增加，測(cè)點(diǎn)特殊風(fēng)壓系數(shù)的受影響程度遞減，在背風(fēng)面且距屋脊較遠(yuǎn)的區(qū)域可忽略豎向風(fēng)攻角的影響。但雙坡屋面房屋屋面風(fēng)壓受屋脊的影響，屋面背風(fēng)面距離屋脊較近的區(qū)域受來(lái)流豎向風(fēng)攻角的影響程度會(huì)有一定程度的增強(qiáng)。

3）來(lái)流豎向風(fēng)攻角可能是造成雙坡屋面迎風(fēng)前緣及背風(fēng)面屋脊附近風(fēng)壓系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)結(jié)果差異較大的原因之一。