低矮房屋抗風研究與發展

劉伯洋

摘 要：風災帶來的財產損失非常巨大，但國內對低層建筑的抗風研究并不多。文章通過對國內外低矮房屋抗風研究發展進行介紹，并對研究現狀進行總結。

關鍵詞：低矮房屋；抗風；風災

風災是自然災害主要災種之一。隨著全球氣候的變化，風災呈逐年遞增的趨勢。歷次風災表明，造成人員傷亡和財產損失的最主要根源是低矮建筑的損壞和倒塌，且低層建筑的損毀造成的損失超過總損失的半數以上。為了減少損失，有必要對低矮建筑抗風進行研究。文章將介紹國內外低矮房屋的抗風研究成果，并對研究現狀進行總結。

1 國內外研究現狀

有關低矮房屋風載特性的研究主要借助3種手段：一是全尺寸現場實測，二是風洞試驗，三是計算機數值模擬。

1.1 全尺寸現場實測

現場實測常采用兩種方法。建立實驗房進行現場實測或者對既有低矮房屋風載特性進行實測。試驗方法大致如下：在建筑物表面布置風壓傳感器測點，測試脈動風壓；在實驗房前設立10m高的測風塔，在其上2.5m、5m、7.5m、10m安置風速儀，測量臺風過境期間平均風速、風向角；將數據輸入電腦進行分析。

1.1.1 國外建立實驗房進行現場實測。（1）Silsoe structures building，該項目利用現場實測系統以及實驗房，對風速以及屋面墻身的風壓進行現場實測。主要研究屋頂風壓分布規律以及峰值風壓力分布規律。同時通過風洞試驗對實測數據進行對比和驗證。該項目提供了大量實測數據，有利于后續研究的風洞試驗及數值模擬。（2）TTU Building，該項目為過去40年來最具有代表性的低矮房屋全尺寸現場試驗房，相關的氣象資料通過本地1個46米高的塔獲得，利用不同的數據采集模式獲取風場特征數據及建筑表面風壓數據，為低矮房屋風載特性的研究提供了直接及有價值的數據和結果。

1.1.2 國內對既有低矮房屋進行現場實測。戴益民在沿海臺風風場環境下對全尺寸房屋進行現場實測，獲取了低矮雙坡屋面房屋在臺風風場作用下的風壓實測數據和近地強風的風載特性，實測的結果是迎風屋面邊緣風壓和屋面風載體型系數都遠大于我國現行荷載規范對雙坡屋面風壓系數的取值，因此直接采用當前規范對臺風多發地區低矮房屋進行設計是偏于不安全的。史文海針對海島山坡地形上既有低矮房屋的風荷載實測工作，以及開展了沿海近山地形上的近地面臺風風場實測工作。研究獲得了海島山坡地形上低矮房屋風場剖面和沿海近山地形上的風場特性。

1.2 風洞試驗

風洞試驗時采用一定縮尺比的模型在邊界層風場模擬中的風洞中進行風載特性研究。通過在轉盤上轉動來模擬不同的風向角工況。

1.2.1 針對低矮房屋結構的風洞試驗。對于低矮房屋而言，房屋的高寬比、開洞率等都是風洞試驗研究方向：Gingera通過風洞試驗研究了低矮建筑物的長度和屋頂的傾斜角度對于其風荷載的影響。研究開孔率對風壓的影響。段旻則通過風洞試驗研究低矮房屋在門窗開啟時的瞬間內壓的變化來找出不同的開孔率以及背景孔隙率對風致瞬態峰值內壓的影響。

1.2.2 針對屋面結構形式的風洞試驗。劉帥選取矩形和圓形的罩棚式低矮建筑進行了風洞試驗研究。付國宏對低層房屋常用的雙坡和四坡屋面的風壓分布特性作了研究，考慮了屋面坡角、來流方向、門窗的開啟等因素對屋面風壓分布的影響。聶少峰對低層雙坡屋面和四坡屋面建筑進行了風洞試驗研究，考慮了屋面形式、屋面坡度、來流方向和挑檐長度等不同因素對屋面風壓分布的影響，分析了屋面平均和脈動風壓系數的分布特性。

1.2.3 研究外部環境影響的風洞試驗。不同的風場條件以及周圍環境，常常對建筑的風場產生不同程度的干擾：陳超對某低矮房屋的1：10縮尺模型進行了風洞試驗，得出的結論是實測房的屋面風壓分布受來流風向的影響很大，隨著風向角的變化而變化。

1.3 數值風洞模擬分析

1.3.1 雷諾平均模型（RANS）分析。雷諾平均模型分析僅表達了大尺度渦的運動。將標準k-ε模型用到計算風工程中，容易過高估計鈍體迎風面頂部的湍動能生成。低矮房屋單體的風壓分布研究是基礎。張冬兵采用TTU為研究對象，分析了網格劃分、湍流模型等因素對數值模擬結果的影響，并計算了不同雷諾數下結構表面風壓。黃敏謙[42]對低矮房屋的四坡屋面風壓體型系數進行了數值計算，研究不同風向角下，房屋的坡角與檐口對四坡屋面風壓體型系數的分布影響。

1.3.2 大渦模擬（LES）分析。這一模型將N-S方程進行空間過濾而非雷諾平均，可較好地模擬結構上脈動風壓的分布，但計算量巨大。目前大氣邊界層內建筑繞流的LES還處于起步階段。

1.3.3 多種模擬方法比較分析。其基本思想是在流動發生分離的湍流核心區域采用大渦模擬，而在附著的邊界層區域采用雷諾平均模型，是RANS模型和LES模擬的合理綜合，計算量相對較小而精度較高。

1.4 研究現狀總結

1.4.1 科研人員主要運用現場實測、風洞試驗以及數值模擬，研究在一般風場條件下，建筑結構以及其附屬結構在對結構表面風壓峰值變化規律的影響，但很少在強風作用下，對低矮房屋的表面壓力峰值隨時間、空間變化規律進行研究。為了解在臺風風場下低矮建筑屋面風壓分布規律，在臺風風場環境下對低矮房屋進行全尺寸現場實測就顯得尤為必要。長時間的現場實測，不但能獲取有價值的村鎮低矮房屋的實測數據，同時也能為我國的村鎮低矮建筑結構設計設計提供最直接和準確的數據及依據。

1.4.2 大量有關低矮建筑風載特性的研究只考慮單體的情況，對大群體低矮建筑的干擾問題的研究少有涉及。主要原因是影響單體本身風壓分布的因素就很復雜，而且考慮大群體低矮建筑干擾的風洞實驗需要在大氣邊界層風洞中進行。高雷諾數流動及繞流流動的脈動特性等在風洞中也難以較好地模擬。到目前為止，大群體低矮建筑的風壓分布規律研究還比較少，也僅僅停留在建筑物規則排列的層面。

參考文獻

[1] 戴益民.低矮房屋風載特性的實測及風洞試驗研究[D].湖南大學博士論文，2010.

[2] 史文海.低矮房屋與高層建筑的風場和風荷載特性實測研究[D].湖南大學博士論文，2013.

[3] 段旻.低矮房屋瞬態內壓的風洞試驗研究[J].土木工程學報，2012， 45（07）：10

[4] 付國宏.低層房屋風荷載特性及抗臺風設計研究[D].浙江大學博士論文，2002.

[5] 聶少鋒.低層坡屋面房屋風荷載特性風洞試驗研究[J].建筑結構學報，2012，33（03）：118

[6] 陳超.低矮房屋風荷載實測與風洞試驗[D].湖南大學碩士論文， 2012.