海邊坡角可調試驗房風荷載現場實測研究

王 旭，黃 鵬，顧 明

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

雖然風在絕大多數情況下對人類的生活是有益的，但是在極端情況下會對地球表面建筑物造成嚴重的破壞［1］。根據各國風災調查，造成人員傷亡和財產損失的最主要的根源是村鎮低矮房屋的損壞和倒塌，在我國尤其如此。因此，進行低矮建筑的風荷載現場實測研究是十分必要的。

隨著電子儀器以及計算機技術的迅速發展，從上世紀70年代開始，國內外學者對低矮建筑上的風荷載進行了大量的現場實測研究，為風洞試驗的改進及發展提供了重要的幫助。20世紀70年代中期，英國建筑研究所率先進行了一項低矮建筑的現場實測研究，該項目設立在艾爾斯伯里［2］(Aylesbury)，建筑平面尺寸13.3 m×7 m，設計為兩層，特殊之處在于屋蓋坡角在5°～45°之間任意可調。但可惜的是該建筑在兩年后被拆除，即便如此仍有眾多學者通過縮尺模型風洞試驗結果與僅有的實測數據進行了對比性研究。到了80年代后期，英國和美國又各自啟動了一項低矮建筑現場實測研究項目，根據其所在地點被命名為Silsoe試驗［3-4］和 Lubbock 試驗［5-6］(TTU 試驗)。Silsoe 建筑為長24 m，跨徑12.9 m，檐高4 m，帶有10°坡角的門式鋼架結構。建筑特點是檐口可以根據需要裝配成弧形或銳角形，目的是研究檐口類型對結構表面風荷載的影響。TTU建筑建立在德州理工大學校園內，是一座平面尺寸9.1 m×13.7 m，高4m的鋼結構小屋，其獨特之處是其安裝在一轉盤上，可以通過調整轉盤采集各個方向的風荷載數據。本世紀初，Silsoe研究所建立了1座6 m×6 m的正方體實測房［7-8］，此建筑設計是根據一座建筑原型縮尺而成，特點是可以調節結構的傾斜度。此后在國內，湖南大學的研究人員提出了追風屋設想，并成功研制了一套同低矮建筑物原型尺寸基本相同，可長距離移動至臺風登陸地區的低矮建筑物風效應實測系統(追風屋)［9-10］。其主要特點是可以根據臺風登陸的實際狀況將該追風房系統布設在臺風登陸地區開展實測研究，變被動等待臺風登陸為主動的尋找臺風，創造更多的機會開展現場實測研究。本文中現場實測建筑設立在上海浦東國際機場附近(以下均稱“變坡房”)，是國內首個固定式低矮建筑現場實測研究項目。該建筑平面尺寸10 m×6 m，屋檐處高8 m，屋蓋可以通過升降裝置在0°～30°之間任意調節。其建筑外形參考了眾多中國南方村鎮房屋的普遍特點，因此研究結果對我國村鎮低矮建筑抗風研究具有重要意義。

1 試驗儀器及設備

1.1 變坡房介紹

上海浦東機場附近周邊地勢平坦，臨近長江入海口，遭遇強風的頻率較高。因此，同濟大學土木工程防災國家重點實驗室和上海機場建設指揮部合作建設風速及風壓特性現場實測項目，實地測量浦東機場地區的強風特性以及足尺建筑模型上的風壓分布。實測建筑位于圖1中圈標定處的位置(北緯:31°11'46.36″;東經:121°47'8.29″)，緊鄰臨海泵站入海口處，占用浦東機場范圍內一塊面積約2100平方米的土地，地塊四周空曠，并已在該地塊上建造一個高約40米的測風格構塔以及一棟屋面坡角可調的低矮建筑。

圖1 實測建筑位置Fig.1 Location of test building

圖2 周邊場地環境Fig.2 Landform around test building

浦東變坡房建筑長約10 m，寬約6 m，屋檐處高度為8 m，分3層，總建筑面積162.25 m2。。根據試驗需要，屋蓋坡角可以在0°～30°之間連續調節。圖3和圖4分別給出了該變坡房外形示意圖以及0°、30°坡角下建筑實物圖。

1.2 測試儀器

根據試驗目的，將R.M.Young 81000型超聲波和R.M.Young 05305V型機械式風速儀安裝于據變坡房偏東30 m處的測風塔處(安裝高度10 m)，用以采集來流風速數據，儀器的相關參數見表1所示。同時在變坡房屋蓋上布置了94個量程在±1 kPa之間的微差壓傳感器，用以采集屋蓋表面風壓信號。

1.3 測點布置

本文試驗主要研究低矮建筑屋蓋表面風荷載特性，因此94個測點全部布置于屋面(見圖5)。由于上海多以東南風為主，故在東南角部測點布置較為密集。

表1 風速測試儀器相關參數Tab.1 Instrumentation specifications

圖5 測點布置Fig.5 Layout of pressure measurements on test building

2 試驗結果及分析

2.1 屋蓋表面風壓分布

為了將實測結果與風洞試驗結果進行對比性研究，以變坡房為原型進行了1∶30剛性模型的風洞試驗。試驗是在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室風洞試驗室的TJ-2大氣邊界層風洞中進行的。根據變坡房周邊環境，選擇用粗糙元和尖塔模擬的B類風場中進行。現場實測及風洞試驗相關參數如表2所示。

表2 現場實測及風洞試驗相關參數Tab.2 Cases of field measurement and wind tunnel test

在結構風工程中，常采用量綱為1的壓力系數Cpi表征結構表面的風荷載特性。風壓系數為風在建筑表面引起的實際壓力與來流風壓的比值［13］，本文中計算風壓系數的公式如下:

其中，Cpi為測點i處的壓力系數，本文中取實測房屋檐高度，即屋檐高度處的來流風壓為參考風壓;pi為測點i處的壓力;p0和p∞分別是試驗時參考高度處的總壓和靜壓。

為了進行比較性分析，圖6和圖7分別給出了實測及風洞試驗屋蓋表面的平均及脈動風壓系數分布等值線圖。從圖中可以看出，由于屋脊的存在，無論實測還是風洞試驗均在屋脊的背部區域再次產生一對錐形渦，使得個別工況下此區域附近負壓值較大。實測及風洞試驗平均及脈動風壓的分布趨勢完全一致，只是在迎風前緣形成的錐形渦區域內測點的平均負壓稍大，這可能是由于風洞中模擬的風場與實測風場之間差異或模型制作誤差造成的。綜上可知，實測結果非常令人滿意，進一步驗證本文實測試驗方法的可靠性及有效性。

2.2 橫向軸線風壓系數

利用表2中實測工況FS1、FS2和FS3，對屋蓋橫向軸線9個測點的風壓系數進行了分析，以研究屋蓋坡角對其風壓的影響。圖8給出了軸線上平均、脈動及極值風壓隨屋蓋坡角的變化曲線。首先，從圖8(a)中可知，在迎風區域0°坡角下平均負壓最大而20°下負壓最小，但在背風區域結果相反。圖8(b)與圖8(a)結果類似，在迎風區域脈動風壓隨坡角增大而減小，在背風區域結論相反。從圖8(c)中可明顯看出，20°坡角下得到的風壓最大值明顯小于另外兩個坡角下的結果，而圖8(d)表明0°坡角下的最小風壓值最小。綜上說明屋蓋坡角對屋蓋表面風壓影響較大，不僅影響平均風壓而且對脈動及極值風壓均有不同程度的影響。這是由于屋蓋坡度的變化改變了屋蓋表面空氣的流動方式及漩渦內部結構特性，從而使屋蓋表面風壓產生較為明顯的變化。

2.3 風速、風向相關性分析

眾多相關研究表明［14-16］，風向角脈動對風速特性影響較大，往往風速的間歇脈動是由風向的間歇脈動引起的，因此研究風速、風向耦合及相關特性具有重要意義。為便于定量分析，本文首先選取了1分鐘同步采集的風速及風向時程進行分析，時程曲線如圖9(a)所示(圖中圓圈標注區域為間歇極值點)。圖9(b)和圖9(c)分別給出了風速與水平風向角及風速與豎向風向角之間的相關曲線。圖9(b)中在時間遲滯在-0.3 min附近出現相關系數最大值為0.2，說明風速與水平風向角在此時間遲滯下具有一定正相關性，但相關性不強。圖9(c)中，在時間遲滯為0時，出現明顯的峰值，達到-0.5，表明風速與豎向風向角呈現為較強的負相關特性，耦合作用較為明顯，可以推斷豎向風向角的脈動是導致風向脈動的主要原因之一。為了對不同時段風速、風向之間相關性進行統計分析，文中隨機選取了60段10分鐘風速風向同步采集數據進行研究，如圖10所示。可以看出時間遲滯為0時，風速與豎向風向角之間的相關性明顯大于風速與水平風向角之間的相關性。風速與水平風向角之間相關系數在0附近脈動，說明此遲滯下兩者關聯度很小;而風速與豎向風向角之間的相關性系數在-0.2～-0.6之間脈動，均值為-0.43，進一步驗證了前面的結論。

圖8 橫向軸線平均及極值風壓系數Fig.8 Mean and pesk wind pressure coefficients along middle line

2.4 風壓非高斯特性

低矮建筑研究表明屋蓋表面分離泡及錐形渦區域的風壓時程不再呈現為高斯分布，而表現為不同類型的非高斯分布。非高斯特性研究可以幫助我們理解風壓的脈動特性，而且可以為風壓極值的計算提供幫助。由于篇幅有限，本文在圖11只給出了FS1工況下幾種典型測點的風壓系數概率分布圖。從圖中可知，在迎風區域和屋脊區域兩對錐形渦附近測點風壓的非高斯性較為明顯，此時測點偏度及峰度絕對值均較高。同時發現當偏度值大于-0.5時，測點壓力時程服從Gauss分布，當偏度值大于-1而小于-0.5時服從Gamma分布［17］較好。但當偏度值小于-1時，兩種分布均不適合。

圖9 風速、風向時程及相關性Fig.9 Time-histories of wind speed and directions and correlation between them

圖10 不同時段風速、風向之間相關性Fig.10 Correlation between wind speed and directions with different 10min time

以上分析可知，偏度及峰度對風壓的非高斯分布影響較大，研究兩者之間的內在聯系顯得極為重要［18］。為了研究偏度和峰度之間的聯系，圖12給出了FS1、FS2及FS3工況下屋蓋各測點偏度與峰度的關系曲線及擬合公式。可以明顯看出，偏度與峰度呈現線性關系。在0°和10°坡角下，線性關聯度較好，而20°坡角下，關聯度略差。說明屋蓋坡角會對偏度與峰度的相關特性產生一定影響。為方便工程應用，特給出了偏度與峰度的線性擬合公式，并對峰度的實測值與擬合值進行了比較，結果令人滿意。

3 結論

本文對浦東變坡房附近風場特性及低矮建筑屋蓋表面風壓特性進行了研究，主要結論如下:

(1)浦東機場實測項目是國內首個固定式低矮建筑現場實測研究項目。試驗房最大特點是屋蓋坡角可以在0°～30°之間自由調節，以便可以對屋蓋坡角對其表面風壓的影響進行分析。

(2)通過對實測及風洞試驗屋蓋表面的平均及脈動風壓系數分布等值線圖進行比較分析，表明實測及風洞試驗平均及脈動風壓的分布趨勢完全一致，驗證了本文實測試驗方法的可靠性及有效性。

(3)對風速、風向角的平穩性及其之間的相關性進行了分析，表明風速與風向角之間耦合作用明顯。時間遲滯為0時，風速與豎向風向角之間的相關性接近-0.5，明顯大于風速與水平風向角之間的相關性，說明豎向風向角對風速脈動影響較大。

(4)對屋蓋表面風壓信號的非高斯特性進行了研究，表明偏度與峰度之間呈現較好的線性關系，并給出了0°、10°及20°屋蓋下偏度與峰度的線性擬合公式，從而為風壓極值的計算提供幫助。

［1］Zhao Z S.Wind Flow Characteristics and their effects on lowrise buildings［D］.Texas Tech University，1997.

［2］Eaton K J，Mayne J R.The measurement of wind pressures on two-story houses at Aylesbury［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1975(1):67-109.

［3］ Hoxey R P，Richards P J.Full-scall wind load measurements point the way forward［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1995，57:215-224.

［4］ Richards P J，Hoxey R P，Wanigaratne B S.The effect of directional variations on the observed mean and rms pressure coefficients［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1995，54/55:359-367.

［5］ Levitan M L，Mehta K C.Texas tech field experiments for wind loads:Part 1.Building and pressure measuring system［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1992，43:1565-1576.

［6］ Levitan M L，Mehta K C.Texas tech field experiments for wind loads:Part II.Meteorological instrumentation and terrain parameters［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1992，43:1577-1588.

［7］ Richards P J，Hoxey R P.Flow reattachment on the roof of a 6m cube［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2006，94:77 –99.

［8］Sterling M，Baker C J，Hoxey R P.Short term unsteady wind loading on a low-rise building［J］.Wind and Structures，2003，6(5):403-418.

［9］戴益民，李秋勝，李正農.低矮房屋屋面風壓特性的實測研［J］.土木工程學報，2008，41(6):9-13.

［10］戴益民，李正農，李秋勝，等.低矮房屋的風載特性——近地風剖面變化規律的研究［J］.土木工程學報，2009，42(3):42-48.

［11］Levitan M L.Statistical analysis to validate full scale wind and structure response data［D］.Texas Tech University，1988.

［12］何迎暉，錢偉民，著.隨機過程簡明教程［M］.上海:同濟大學出版社，2004.

［13］王 旭，黃 鵬，顧 明.半球形屋面結構風荷載特性試驗研究［J］.中國工程機械學報，2009，7(3):351-355.

［14］ Richards P J，Hoxey R P.Quasi-steady theory and point pressures on a cubic building［J］. JournalofWind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92:1173-1190.

［15］ Letchford C W，Marwood R.On the influence of v and w component turbulence on roof pressures beneath conical vortices［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997，69-71:567-577.

［16］ Sharma R N，Richards P J.The multi-stage process of windward wall pressure admittance［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92(14-15):1191-218.

［17］ Sadek F，Simiu E.Peak non-Gaussian wind effects for database-assisted low-rise building design［J］.Journal of Engineering Mechanics.2002，128(5):530-539.

［18］孫 瑛，武 岳，林志興，等.大跨屋蓋結構風壓脈動的非高斯特性［J］.土木工程學報，2007，40(4):1-6.