地表粗糙度對高層建筑下擊暴流風荷載特性影響的試驗研究

汪之松，江 鵬，武彥君，劉興龍，董志超

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2.重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

地表粗糙度對于近地面的空氣流動影響非常大，通常用四類地貌來描述不同的地表粗糙度對普通大氣邊界層風場的影響。然而有研究表明，大氣邊界層風屬于低速風，而在極端氣候條件下產生的包括臺風、龍卷風、下擊暴流風等均具有不同的風場特性[1]。由于下擊暴流風在近地面會引起極高的風速且具有豎向風風場，因此對下擊暴流的相關研究顯得尤為重要。針對下擊暴流相關研究來說，國內外學者的研究著重于微地形對風場特性方面，Holmes[2]、Letchford等[3]以及Wood等[4]各自采用沖擊射流模型研究了不同地形對雷暴沖擊風剖面的影響。Sengupta等[5-9]通過數值模擬研究了雷暴沖擊風在不同地形上的風場特征，以及地形、地貌對雷暴沖擊風風場的影響。Sengupta等[10]利用圓孔射流研究了雷暴沖擊風的出流風場特性，測得了雷暴沖擊風作用下的各種風場特征。李春祥等[11]采用數值模擬的方法，運用 Deodatis 的均勻調制非平穩隨機場模擬下擊暴流非平穩脈動風速時程。鄒鑫等[12]采用靜止型沖擊射流裝置和大渦模擬分別對雷暴沖擊風風場進行了物理試驗和數值模擬，考察徑向風速和豎向風速的分布特征。以上研究主要以地形對風場特性的影響為主，而對于建筑結構風荷載特性的研究相對較少，尤其高層建筑的風荷載特性研究很少。Sengupta等[13]基于沖擊射流模型測試了雷暴沖擊風作用下小立方體表面的壓力分布情況。Chay等[14]采用倒置的沖擊射流裝置，進行了靜止型和運動型兩種沖擊射流試驗，研究了雷暴沖擊風作用下小立方體塊表面的風壓分布。Lin等[15]利用熱線測速儀觀測了雷暴沖擊風的平均風速剖面和湍流特征。趙楊等[16]通過物理試驗研究了雷暴沖擊風產生的風速突變氣流對結構表面風壓和結構空氣動力學參數的影響。鄒鑫等[17]通過物理試驗研究了穩態沖擊風作用下高層建筑風荷載相關特性。以上關于風荷載特性的研究主要通過相關物理試驗研究建筑表面的風荷載特性，但均未考慮粗糙度地貌的影響。

國內外關于空氣動力學粗糙度研究較多，但絕大多數學者側重研究大氣邊界層風場的粗糙度影響。李宏海[18]考慮城市內高低不同建筑的真實情況，研究粗糙元變化帶來的差異。李宏海通過布置粗糙元來考慮空氣動力學粗糙度對下擊暴流風場發育的影響，但只討論了單一地貌下高層建筑風荷載特性，并未考慮不同粗糙度地貌對下擊暴流作用下高層建筑風荷載特性的影響。綜合已有的風洞試驗及數值模擬研究，試驗采用Lettau[19]的理論模型布置粗糙元，通過模擬不同空氣動力學粗糙度地貌來研究不同粗糙地貌對高層建筑風荷載特性的影響。本文采用靜止型沖擊射流物理風洞試驗模擬下擊暴流風場，進行高層建筑剛性模型測壓試驗，考察了粗糙地貌以及不同地貌下不同徑向距離對高層建筑風荷載的影響，對試驗結果進行統計分析，為實際下擊暴流作用下高層建筑抗風設計提供一定的參考依據。

1 風洞試驗概況

本文采用靜止型沖擊射流裝置模擬下擊暴流風場，進行各層建筑剛性模型測壓試驗。該試驗裝置簡單且便于操作，而且采用沖擊射流模型得到的模擬結果與實測數據吻合較好。故本文選用沖擊射流模型進行風洞試驗，試驗裝置如圖1所示。

沖擊射流噴口直徑為Djet=600 mm，噴口距離底板Hjet=1.2 m，幾何縮尺比1∶1 000，噴口射流速度為Vjet=20 m/s。射流風速沿徑向分布較為均勻，能夠產生均勻的沖擊風。建筑模型為剛性模型，采用有機玻璃制作，其幾何尺寸為50 mm(長)×50 mm(寬)×100 mm(高)。由于建筑模型尺寸小，不便四面均布置測壓孔，故只在模型單側面布置測壓孔，側面測點分布如圖2所示。通過模型旋轉四個角度，分四次測得風場中建筑四個表面的風壓數據。風壓采樣頻率為315.25 Hz，每個測點采樣10 000步，采樣時間32 s。

圖1 沖擊射流試驗裝置Fig.1 Impinging jet experimental device

圖2 測點布置(mm)Fig.2 Arrangement of measuring points (mm)

試驗考慮了徑向位置、粗糙度因素對高層建筑表面風壓的影響。在考慮不同粗糙度的徑向位置對高層建筑表面風壓影響的試驗中，高層建筑迎風面距噴口中心距離分別為r=1.0Djet、1.25Djet、1.5Djet、1.75Djet、2.0Djet。風荷載試驗設置3種地貌工況，分別為地貌I(光滑地面)、地貌II、地貌III，粗糙度逐漸增大，粗糙元為木質正立方體，邊長為10 mm，對應建筑高度為10 m。風荷載試驗考慮五個徑向位置、三種地貌，共設置15種子工況。工況如圖3所示，工況參數見表1。

風場工況粗糙元的布置，按Lettau提出的統計經驗公式，求得場地粗糙度的合理近似值

(1)

式中：h為粗糙元高度；Ar為順風向粗糙元的迎風面面積；At為單位粗糙元的占地面積。通過設置不同間距的粗糙元，改變At以得到不同的粗糙度地貌工況。由于現階段國內規范沒有相關規定，故各地貌粗糙度的取值參考歐洲規范1關于z0的規定，具體可見表2。

圖3 試驗工況簡圖Fig.3 Schematic diagram of test condition

表1 風荷載試驗地貌工況參數表Tab.1 Landform parameters of wind loads test

表2 歐洲規范1Tab.2 Eurocode 1

2 試驗結果與分析

2.1 風速剖面比較

圖4給出了地貌I(光滑地面)與地貌III在r=1.0Djet、1.5Djet、2.0Djet位置處隨高度變化的徑向風速分布曲線，由圖可知：徑向風速在約r=1.0Djet左右位置處達到極值。然后隨徑向距離增加而逐漸減小。這與以往相關文獻[20-21]中下擊暴流的平均風速分布規律及極值風速位置比較吻合。圖5給出了地貌I(光滑地面)、地貌II與地貌III在r=1.0Djet徑向位置處無量綱水平風速豎向風剖面與國外學者物理試驗以及實測結果的對比，由圖可見，風場測試結果與國外學者的研究結論較為吻合，因此本風洞試驗可提供較可靠的風場數據。

圖4 各徑向位置平均風剖面Fig.4 Radial development of the mean velocity profile

圖5 各模型豎向風剖面比較Fig.5 Comparison of vertical wind profile of analytical models

2.2 建筑表面風壓總體分布特性

建筑表面風壓分布通過壓力系數來考察，建筑表面點i平均壓力系數定義為

(2)

脈動風壓系數主要反映了建筑表面周圍漩渦運動的強弱程度，其表達式如式(3)所示

(3)

其中P(i,tj)表示測點編號i時刻tj壓力。n為單個測點采集數據個數，ρ表示空氣密度。UH為參考高度處的風速，采用噴口風速。

圖6分別給出測點A43和A33的風壓數據時程圖?？芍?，風場基本處于穩定狀態，高層建筑表面風壓數據穩定。

圖7給出了地貌I(光滑地面)下徑向距離r=1.0Djet時建筑表面平均風壓系數與脈動分壓系數云圖。

由平均風壓系數云圖可以看出，迎風面呈現“下大上小”的趨勢，迎風面均為正風壓，正風壓極值區域主要出現在下部區域，正風壓系數極值處于0.85～0.95范圍內；背風面為負風壓，負風壓絕對值呈“上大下小”的趨勢，負風壓極值位于上部區域，負風壓系數極值為-0.6左右；側面風壓距迎風面較近一側的上下角部較大，負風壓系數極值為-0.75左右。

由脈動風壓系數云圖可以看出，迎風面與背風面的脈動風壓系數相對較小，側面脈動系數較大，脈動風壓系數反映的是建筑表面受到附近小渦旋的影響，受影響較大區域多為角部區域。

圖8給出了不同粗糙地貌下的高層建筑表面風壓系數結果。從下至上分為10層，對于每一層而言，測點編號1～20為沿A-B-C-D建筑四個表面逆時針編號，由于平均風壓系數變化規律基本一致，為了在圖中表達更加清晰，這里僅給出其中5層，用以說明此分布規律。迎風面編號1～5，背風面11～15，依次類推。

(a1)測點A43

(b1)測點A33

各粗糙地貌下高層建筑平均風壓系數呈現如下規律：迎風面平均風壓均為正壓，呈現“下大上小”的趨勢，最大值集中在15～35 m高度范圍，75 m高度處正風壓明顯減小，頂部邊緣處風壓最?。槐筹L面平均風壓均為負壓，負壓絕對值呈現“上大下小”的趨勢，負風壓系數分布集中在-0.2～-0.6；側面平均風壓均為負壓，負壓系數絕對值處于-0.6～-0.8范圍內，負壓最大值集中于臨近迎風面的角部區域。

各粗糙地貌下高層建筑脈動風壓系數呈現如下規律：迎風面與背風面脈動風壓系數較小，側面脈動風壓系數較大。

2.3 粗糙度對風壓系數的影響

上文給出了各粗糙度地貌下高層建筑平均風壓系數和脈動風壓系數的比較。限于篇幅，僅以高度z=0.045 m為例，圖9和圖10給出了z=0.045 m高度處高層建筑表面平均風壓系數和脈動風壓系數分布圖。總體來看平均風壓系數在迎風面大部分區域的風壓系數大于0.5，側面大部分區域的平均風壓系數位于-0.6～-0.8的范圍，背風面大部分區域平均風壓系數位于-0.4～-0.6的范圍；而脈動風壓系數迎風面和背風面均方根風壓系數較為穩定，在0.1～0.15之間，側面的脈動風壓系數在0.17～0.25之間。

(a) A面平均風壓系數云圖(b) A面脈動風壓系數云圖(c) C面平均風壓系數云圖(d) C面脈動風壓系數云圖(e) B面平均風壓系數云圖(f) B面脈動風壓系數云圖

由圖9、圖10可以看出，由于粗糙元的存在增大了近地面風場的湍流度，從而改變了風場對于鈍體建筑物的繞流特性。且隨著粗糙度的增加，極值風速所在高度有所抬升，導致z=0.045 m高度處迎風面風壓系數隨著粗糙度的增加而增大，背風面風壓系數絕對值(吸力)則隨著粗糙度的增加而略有減小，建筑物側面的平均風壓系數受粗糙度的影響較小。而對于脈動風壓系數則呈現相反的規律，即迎風面和背風面隨著粗糙度的增加影響較小，而建筑物側面脈動風壓隨著粗糙度的增加而增大。其他高度z=0.015 m、0.035 m及0.075 m具有類似的規律。

(a)地貌I(光滑地面)平均風壓系數

(b)地貌I(光滑地面)脈動風壓系數

(c)地貌II平均風壓系數

(d)地貌II脈動風壓系數

(e)地貌III平均風壓系數

(f)地貌III脈動風壓系數

圖9 z=0.045 m高度處建筑表面壓力系數曲線Fig.9 Wind pressure coefficient at z=0.045 m height

圖10 z=0.045 m高度測點脈動風壓系數Fig.10 RMS pressure coefficient of z=0.045 m height

圖11、圖12、圖13分別給出了高層建筑處于各徑向位置時不同粗糙度下迎風面中線與背風面中線的風壓系數對比圖。

由圖11～圖13對比可知，對于迎風面：當徑向距離r=1.0Djet時，粗糙地貌對風壓系數的影響較?。粡牡孛睮(光滑地面)到地貌II，此時粗糙度變化相對較小，風壓系數差異較小；而從地貌II到地貌III，粗糙度顯著增大，近壁面z/H<0.4范圍內衰減明顯增大，風壓極值的高度逐漸提升。對于背風面：風壓系數程線性分布，負風壓絕對值上大下小，從地貌I(光滑地面)到地貌II，此時粗糙度變化相對較小，風壓系數差異較小；而從地貌II到地貌III，粗糙度顯著增大，近壁面的衰減明顯增大。

圖14、圖15、圖16分別給出了高層建筑處于各徑向位置時不同粗糙度下側面B及側面D中線測點的平均風壓系數對比圖。

由圖16～圖18可知，高層建筑B、D兩側面平均風壓系數基本呈現對稱性分布，隨著徑向距離的增大，風壓系數逐漸衰減，在r=1.0Djet～1.5Djet范圍內衰減較慢，而在r=1.5Djet～2.0Djet衰減較快。

2.4 徑向距離對不同粗糙地貌下風壓系數的影響

圖17、圖18、圖19給出了各粗糙地貌下不同徑向位置高層建筑迎風面中線與背風面中線測點的風壓系數對比圖，以研究不同徑向位置對風壓系數的影響。

迎風面的風壓系數分布呈現“鼻子”型。對比發現，徑向距離對迎風面風壓系數的衰減影響較大，隨著徑向距離的增大，風壓系數逐漸減小：

(1)徑向距離為r=1.0Djet到徑向距離r=1.25Djet，對于地貌I(光滑地面)及地貌II，迎風面風壓系數上部區域衰減較明顯，中下部區域衰減不明顯；對于地貌III，上部及下部區域衰減明顯，中部區域衰減不明顯。在z/H<0.25范圍內，地貌I(光滑地面)及地貌II衰減較小，在0.05以內，地貌III衰減較大，在0.1左右。在z/H>0.65范圍內，各地貌粗糙度下的風壓系數衰減均達到0.2；

(a)迎風面A中線

(b)背風面C中線

(a)迎風面A中線

(b)背風面C中線

(a)迎風面A中線

(b)背風面C中線

(a)側面B中線

(b)側面D中線

(a)側面B中線

(b)側面D中線

(a)側面B中線

(b)側面D中線

(2)從徑向距離r=1.25Djet到徑向距離r=1.5Djet、1.75Djet、2.0Djet處，迎風面風壓系數上部區域衰減較小，中下部區域衰減較大。隨著徑向距離的增大，各粗糙地貌下下的風壓系數衰減幅度較均勻。

背風面風壓系數近地面較小，高度升高負風壓增大，基本呈線性分布。對比發現，徑向距離對背風面風壓系數的衰減影響較大，隨著徑向距離的增大，風壓系數逐漸減?。?/p>

(1)從徑向距離r=1.0Djet到徑向距離r=1.25Djet、1.5Djet，風壓系數衰減的幅度較大，地貌I(光滑地面)r=1.25Djet～1.5Djet衰減幅度最大，地貌II及地貌III在r=1Djet～1.25Djet衰減幅度最大；

(2)從徑向距離r=1.5Djet到徑向距離r=1.75Djet、2.0Djet，風壓系數衰減的幅度相對較小，背風面風壓系數各粗糙地貌下的衰減幅度較均勻。

圖20、圖21、圖22給出了各粗糙地貌下不同徑向位置高層建筑B、D兩側面中線測點的風壓系數對比圖，以研究不同徑向位置的粗糙地貌對風壓系數的影響。

(a)迎風面A中線

(b)背風面C中線

(a)迎風面A中線

(b)背風面C中線

(a)迎風面A中線

(b)背風面C中線

(a)側面B中線

(b)側面D中線

(a)側面B中線

(b)側面D中線

(a)側面B中線

(b)側面D中線

由圖20～圖22對比可知，高層建筑B、D兩側面平均風壓系數基本呈現對稱性分布，隨著徑向距離的增大，風壓系數逐漸衰減，負風壓減小，在r=1.0Djet～1.5Djet范圍內衰減較慢，而在r=1.5Djet～2.0Djet衰減較快。在一定高度范圍內，隨著徑向距離的增大，風壓分布由上下均勻分布向中部區域大上下區域小的趨勢發展。

由于下擊暴流風場特性與傳統大氣邊界層風場相比，存在顯著差異。所以二者風荷載特性也有顯著差別，傳統邊界層風最大風壓分布約在高層建筑的3/4建筑高度附近，而下擊暴流的最大風壓出現約在1/4建筑高度附近。氣象觀測表明，雷暴風(下擊暴流)往往是非臺風地區極值風速出現的主要原因，是造成大量工程結構風致破壞的主要根源，而包括高層建筑在內的常規工程結構，在抗風設計時一般僅考慮了規范給定的邊界層風荷載。在雷暴多發地區，對于比較重要的工程結構，為提高結構設計的安全性與可靠性，應考慮下擊暴流這一極端風荷載所帶來的不利影響。在指導高層建筑設計上，在下擊暴流多發地，應考慮不同粗糙度對高層建筑下擊暴流風荷載的影響，應適當提高荷載規范給出的參考值。除了常規的抗風驗算外，還應進行不同粗糙度下擊暴流抗風驗算。

3 結 論

基于沖擊射流模型物理風洞試驗獲取下擊暴流風場中高層建筑表面風荷載數據，分別考慮了不同粗糙度地貌以及不同徑向距離對高層建筑表面風壓的影響，得到以下結論：

(1)各粗糙地貌下高層建筑風壓系數呈現如下規律：迎風面平均風壓均為正壓，呈現“下大上小”的趨勢，頂部邊緣處風壓最??；背風面平均風壓均為負壓，負壓絕對值呈現“上大下小”的趨勢；側面平均風壓均為負壓，負壓最大值集中在臨近迎風面的角部區域。迎風面與背風面脈動風壓系數較小，側面脈動風壓系數較大。

(2)考慮不同粗糙地貌的影響：對比平均風壓系數結果，隨著粗糙度的增大，迎風面上部區域受粗糙度影響較小，但風壓系數有增大的趨勢，迎風面中下部平均風壓系數衰減幅度越來越大，風壓極值的高度逐漸提升，背風面負風壓絕對值隨之減小，側面風壓系數受粗糙度影響變化不明顯；對比脈動風壓結果，隨著粗糙度的增大，側面脈動風壓系數隨之增大，而迎風面和背風面的脈動風壓系數受粗糙度影響變化不明顯。

(3)考慮不同徑向位置的影響：當徑向距離較小時，水平風速衰減不明顯，高層建筑迎風面風壓系數下部區域衰減較小，迎風面上部區域衰減較大；隨著徑向距離增大，水平風速衰減明顯加快，高層建筑迎風面風壓系數中部及下部區域衰減較大，背風面風壓系數的衰減受徑向距離的影響較大，隨著徑向距離的增大風壓系數逐漸減小，呈線性衰減趨勢，側面風壓系數隨著徑向距離的增大逐漸衰減。

(4)對下擊暴流作用下結構抗風設計的價值體現在：對處在不同的粗糙度地貌中的高層建筑，粗糙度越大，迎風面極值風壓的高度升高，極值風壓的絕對值減小，背風面極值風壓的絕對值也會減小，側面風壓受粗糙度影響較小。