山地建筑風(fēng)壓高度系數(shù)修正系數(shù)

陳苗苗

摘要：我國(guó)山區(qū)面積占全國(guó)總面積的2/3，伴隨著城市化進(jìn)程的加快，出現(xiàn)了山地建筑開發(fā)設(shè)計(jì)的熱潮。本文以溫州市林宋組團(tuán)林里片區(qū)地形為例，對(duì)本地塊做了地形模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，再通過與我國(guó)和美國(guó)的荷載規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)本地塊的風(fēng)壓高度系數(shù)修正系數(shù)。

關(guān)鍵詞：山地建筑;風(fēng)壓高度系數(shù);溫州林里山區(qū);規(guī)范

一、引言

山地建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中風(fēng)壓高度系數(shù)該如何修正，直接影響建筑的安全及造價(jià)，合理的選取風(fēng)壓高度系數(shù)修正系數(shù)，將尤為重要，本文提供了溫州林里片區(qū)地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)所采用的技術(shù)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)范計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，以及由試驗(yàn)結(jié)果換算成風(fēng)壓高度系數(shù)修正系數(shù)的計(jì)算方法。

二、正文

風(fēng)壓高度變化系數(shù)是從某一高度的已知風(fēng)壓（如高度為10米的基本分壓），推算另一任意高度風(fēng)壓的系數(shù)。風(fēng)壓高度變化系數(shù)隨反映風(fēng)壓隨不同場(chǎng)地、地貌和高度變化規(guī)律的系數(shù)。以規(guī)定離地面高度的風(fēng)壓為依據(jù)，為不同高度風(fēng)壓與規(guī)定離地面高度風(fēng)壓的比值。

對(duì)于山區(qū)建筑，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）采用風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正系數(shù)衡量山區(qū)地形的風(fēng)速加速效應(yīng)。中國(guó)規(guī)范關(guān)于風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正系數(shù)的規(guī)定具有以下幾點(diǎn)缺陷：首先，規(guī)范對(duì)于山頂?shù)男拚禂?shù)計(jì)算采用線性函數(shù)，而大量實(shí)測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果均表明，修正系數(shù)隨高度的變化復(fù)雜，線性函數(shù)難以準(zhǔn)確描述該變化規(guī)律;其次，山坡至山頂間的風(fēng)速分布也不是線性的，使用線性插值并不能合理地反映出山頂?shù)娘L(fēng)速變化;最后，規(guī)范給出的計(jì)算公式適用于理想的二維山體，而對(duì)于實(shí)際更為常見的復(fù)雜山體，該計(jì)算公式適用范圍有限。

美國(guó)荷載規(guī)范ASCE7-10也給出了山體地形中風(fēng)速修正的相關(guān)規(guī)定。美國(guó)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)建筑物、其它場(chǎng)所條件和結(jié)構(gòu)位置遇到如下特定條件：在整體地形上有突變的孤山、山脊和懸崖時(shí)，需考慮在任意地貌類別下風(fēng)速的增大效應(yīng)。而這種因地形引起的風(fēng)加速效應(yīng)是通過考慮地形修正因素η來實(shí)現(xiàn)。美國(guó)荷載規(guī)范相較于我國(guó)規(guī)范給出的修正系數(shù)計(jì)算公式不再是線性形式而是反函數(shù)形式，考慮的地貌因素也更多，同時(shí)增加了計(jì)算三維軸對(duì)稱小山的修正系數(shù)，但對(duì)更加復(fù)雜的山地情況，仍缺乏相應(yīng)規(guī)定。

溫州林里片區(qū)地形連綿起伏，為能給建筑設(shè)計(jì)提供合理的風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正系數(shù)及加速比，對(duì)本地塊做了地形模擬風(fēng)洞試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際地形，選取了5個(gè)測(cè)點(diǎn)。1#測(cè)點(diǎn)的海拔高度為 150m，位于坡腳，且正前方1.2km 范圍內(nèi)有海拔 200m 的山體遮擋;2#測(cè)點(diǎn)海拔 165m，位于側(cè)坡山脊線，地勢(shì)變化較大;3#測(cè)點(diǎn)海拔 225m，位于側(cè)坡山脊線，地勢(shì)變化平緩;4#測(cè)點(diǎn)海拔 205m，位于半坡處;5#測(cè)點(diǎn)海拔 280m，位于山頂處。在 B 類背景來流下，分別開展兩個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)洞試驗(yàn)，采集上述 5 個(gè)測(cè)點(diǎn)不同高度風(fēng)速時(shí)程。

工況一為東偏南13°風(fēng)向，迎風(fēng)山體平均坡度為6.7°，山體較平緩。如圖1所示，為工況一中1～5#測(cè)點(diǎn)的順風(fēng)向平均風(fēng)速剖面。需要注意的是，圖中各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)風(fēng)速均為阻塞比修正后的數(shù)值。從圖中可以看出，受地形的影響，各測(cè)點(diǎn)位置的風(fēng)速剖面與背景流場(chǎng)的風(fēng)速剖面差異明顯，不再呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律的增大趨勢(shì)，在山頂處甚至出現(xiàn)隨高度增加風(fēng)速略微降低的現(xiàn)象;由于地勢(shì)的升高，各測(cè)點(diǎn)近地面平均風(fēng)速不同程度增大;隨著距離模型表面的高度增大，地形對(duì)風(fēng)速的影響逐漸減小。本項(xiàng)目中，各測(cè)點(diǎn)的離地最大高度設(shè)定為1000mm（即實(shí)際高度為500m），并假設(shè)該高度為梯度高度，梯度高度以上平均風(fēng)速保持不變。

為量化山區(qū)地形對(duì)順風(fēng)向平均風(fēng)速的加速效應(yīng)，可引入加速比這一無量綱參數(shù)。加速比的計(jì)算式為：S（z）=U（z）/U0（z）（1）式中 U（z）表示山體地面以上 z 高度處的平均風(fēng)速，U0（z）表示平地地面以上 z 高度處的平均風(fēng)速。當(dāng) S>1，表示地形對(duì)風(fēng)速具有加速影響;當(dāng) S<1，則地形對(duì)風(fēng)速具有減速影響。根據(jù)背景流場(chǎng)風(fēng)速和測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合加速比計(jì)算公式，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)不同高度的加速比，結(jié)果如表2所示，表中同時(shí)列出了我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范和美國(guó)荷載規(guī)范的相應(yīng)值加以對(duì)比。

從表中可以看出：（1）加速比試驗(yàn)值沿高度的變化趨勢(shì)與中國(guó)、美國(guó)規(guī)范給出的相應(yīng)值差異較大，總體而言，實(shí)測(cè)值均較美國(guó)規(guī)范值?。ǔ?3#測(cè)點(diǎn) 15m 高度處的加速比），而中國(guó)規(guī)范值與試驗(yàn)值的大小關(guān)系復(fù)雜;（2）1#測(cè)點(diǎn)由于正前方山峰的遮擋，試驗(yàn)加速比在 60m 高度以上值略微小于 1.0，表明具有減速效應(yīng);而兩國(guó)規(guī)范無法計(jì)入實(shí)際地形的減速效應(yīng)，因此規(guī)范中加速比沿整個(gè)豎向剖面均大于 1.0，尤其在 60m-150m 高度范圍內(nèi)試驗(yàn)值與規(guī)范值差異顯著;（3）2#測(cè)點(diǎn)在近地面處的加速比與美國(guó)規(guī)范值接近，略大于中國(guó)規(guī)范值，但隨著高度的增加，試驗(yàn)值逐漸小于兩國(guó)規(guī)范值，5#測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與此類似;（4）3#測(cè)點(diǎn)在近地面處的加速比略大于兩國(guó)規(guī)范值，隨著高度的增加，試驗(yàn)值小于兩國(guó)規(guī)范值;（5）4#在整個(gè)高度范圍內(nèi)均小于兩國(guó)規(guī)范值。

根據(jù)工況一加速比計(jì)算結(jié)果，結(jié)合加速比與風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正系數(shù)的平方關(guān)系，計(jì)算得到工況一風(fēng)向角下風(fēng)壓高度變化系數(shù)修正系數(shù)在80m高度以內(nèi)的建議取值，如表3所示。表中數(shù)值即為公式wk=ηwko中的風(fēng)壓高度變化系數(shù)的地形修正系數(shù)，供實(shí)際設(shè)計(jì)參考。

三、結(jié)論

（1）通過制作溫州世和生態(tài)城林里地塊的大比例地形模型，進(jìn)行地形風(fēng)洞試驗(yàn)并測(cè)量了1個(gè)風(fēng)向角下5個(gè)地塊的風(fēng)速剖面，得到了個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速比（即加速比，見表 2），在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到了各地塊在80m高度范圍內(nèi)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)的地形修正系數(shù)，可用于相應(yīng)地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載取值參考，各地塊的風(fēng)壓高度變化系數(shù)的地形修正系數(shù)取值詳見表 3。

（2）通過以上數(shù)據(jù)，可以看出各側(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)速比小于我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范和美國(guó)荷載規(guī)范計(jì)算的風(fēng)速比，風(fēng)壓高度變化系數(shù)的地形修正系數(shù)η沿高度逐漸減小。建筑物所在的位置以山體表面開始計(jì)算，層數(shù)越高，風(fēng)壓高度變化系數(shù)受地形的影響越小。

參考文獻(xiàn)：

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