山地建筑風壓高度系數修正系數

陳苗苗

摘要：我國山區面積占全國總面積的2/3，伴隨著城市化進程的加快，出現了山地建筑開發設計的熱潮。本文以溫州市林宋組團林里片區地形為例，對本地塊做了地形模擬風洞試驗，選取5個點進行實測，再通過與我國和美國的荷載規范計算值進行對比，總結本地塊的風壓高度系數修正系數。

關鍵詞：山地建筑;風壓高度系數;溫州林里山區;規范

一、引言

山地建筑在結構設計中風壓高度系數該如何修正，直接影響建筑的安全及造價，合理的選取風壓高度系數修正系數，將尤為重要，本文提供了溫州林里片區地形模型風洞試驗所采用的技術參數及試驗結果，將試驗數據與規范計算數值進行對比，以及由試驗結果換算成風壓高度系數修正系數的計算方法。

二、正文

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

對于山區建筑，我國建筑結構荷載規范（GB50009-2012）采用風壓高度變化系數修正系數衡量山區地形的風速加速效應。中國規范關于風壓高度變化系數修正系數的規定具有以下幾點缺陷：首先，規范對于山頂的修正系數計算采用線性函數，而大量實測及試驗結果均表明，修正系數隨高度的變化復雜，線性函數難以準確描述該變化規律;其次，山坡至山頂間的風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的風速變化;最后，規范給出的計算公式適用于理想的二維山體，而對于實際更為常見的復雜山體，該計算公式適用范圍有限。

美國荷載規范ASCE7-10也給出了山體地形中風速修正的相關規定。美國規范規定，當建筑物、其它場所條件和結構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，需考慮在任意地貌類別下風速的增大效應。而這種因地形引起的風加速效應是通過考慮地形修正因素η來實現。美國荷載規范相較于我國規范給出的修正系數計算公式不再是線性形式而是反函數形式，考慮的地貌因素也更多，同時增加了計算三維軸對稱小山的修正系數，但對更加復雜的山地情況，仍缺乏相應規定。

溫州林里片區地形連綿起伏，為能給建筑設計提供合理的風壓高度變化系數修正系數及加速比，對本地塊做了地形模擬風洞試驗。根據實際地形，選取了5個測點。1#測點的海拔高度為 150m，位于坡腳，且正前方1.2km 范圍內有海拔 200m 的山體遮擋;2#測點海拔 165m，位于側坡山脊線，地勢變化較大;3#測點海拔 225m，位于側坡山脊線，地勢變化平緩;4#測點海拔 205m，位于半坡處;5#測點海拔 280m，位于山頂處。在 B 類背景來流下，分別開展兩個主導風向的風洞試驗，采集上述 5 個測點不同高度風速時程。

工況一為東偏南13°風向，迎風山體平均坡度為6.7°，山體較平緩。如圖1所示，為工況一中1～5#測點的順風向平均風速剖面。需要注意的是，圖中各測點實測風速均為阻塞比修正后的數值。從圖中可以看出，受地形的影響，各測點位置的風速剖面與背景流場的風速剖面差異明顯，不再呈現指數規律的增大趨勢，在山頂處甚至出現隨高度增加風速略微降低的現象;由于地勢的升高，各測點近地面平均風速不同程度增大;隨著距離模型表面的高度增大，地形對風速的影響逐漸減小。本項目中，各測點的離地最大高度設定為1000mm（即實際高度為500m），并假設該高度為梯度高度，梯度高度以上平均風速保持不變。

為量化山區地形對順風向平均風速的加速效應，可引入加速比這一無量綱參數。加速比的計算式為：S（z）=U（z）/U0（z）（1）式中 U（z）表示山體地面以上 z 高度處的平均風速，U0（z）表示平地地面以上 z 高度處的平均風速。當 S>1，表示地形對風速具有加速影響;當 S<1，則地形對風速具有減速影響。根據背景流場風速和測點實測結果，結合加速比計算公式，計算得到各測點不同高度的加速比，結果如表2所示，表中同時列出了我國建筑結構荷載規范和美國荷載規范的相應值加以對比。

從表中可以看出：（1）加速比試驗值沿高度的變化趨勢與中國、美國規范給出的相應值差異較大，總體而言，實測值均較美國規范值小（除 3#測點 15m 高度處的加速比），而中國規范值與試驗值的大小關系復雜;（2）1#測點由于正前方山峰的遮擋，試驗加速比在 60m 高度以上值略微小于 1.0，表明具有減速效應;而兩國規范無法計入實際地形的減速效應，因此規范中加速比沿整個豎向剖面均大于 1.0，尤其在 60m-150m 高度范圍內試驗值與規范值差異顯著;（3）2#測點在近地面處的加速比與美國規范值接近，略大于中國規范值，但隨著高度的增加，試驗值逐漸小于兩國規范值，5#測點的試驗結果與此類似;（4）3#測點在近地面處的加速比略大于兩國規范值，隨著高度的增加，試驗值小于兩國規范值;（5）4#在整個高度范圍內均小于兩國規范值。

根據工況一加速比計算結果，結合加速比與風壓高度變化系數修正系數的平方關系，計算得到工況一風向角下風壓高度變化系數修正系數在80m高度以內的建議取值，如表3所示。表中數值即為公式wk=ηwko中的風壓高度變化系數的地形修正系數，供實際設計參考。

三、結論

（1）通過制作溫州世和生態城林里地塊的大比例地形模型，進行地形風洞試驗并測量了1個風向角下5個地塊的風速剖面，得到了個測點的風速比（即加速比，見表 2），在此基礎上計算得到了各地塊在80m高度范圍內的風壓高度變化系數的地形修正系數，可用于相應地區的建筑結構風荷載取值參考，各地塊的風壓高度變化系數的地形修正系數取值詳見表 3。

（2）通過以上數據，可以看出各側點的實測風速比小于我國建筑結構荷載規范和美國荷載規范計算的風速比，風壓高度變化系數的地形修正系數η沿高度逐漸減小。建筑物所在的位置以山體表面開始計算，層數越高，風壓高度變化系數受地形的影響越小。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準，《建筑結構荷載規范》GB 50009-2012 中國建筑工業出版社2012

[2]美國ASCE7-10《建筑物和其他結構最小設計荷載》

[3]張相庭.工程抗風設計計算手冊[M].北京：中國建筑工程出版社，1998.