王 旭，黃 鵬，顧 明

(同濟大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092)

雖然風(fēng)在絕大多數(shù)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(yán)重的破壞［1］。根據(jù)各國風(fēng)災(zāi)調(diào)查，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的最主要的根源是村鎮(zhèn)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(fēng)荷載現(xiàn)場實測研究是十分必要的。

隨著電子儀器以及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，從上世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)外學(xué)者對低矮建筑上的風(fēng)荷載進行了大量的現(xiàn)場實測研究，為風(fēng)洞試驗的改進及發(fā)展提供了重要的幫助。20世紀(jì)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(xiàn)場實測研究，該項目設(shè)立在艾爾斯伯里［2］(Aylesbury)，建筑平面尺寸13.3 m×7 m，設(shè)計為兩層，特殊之處在于屋蓋坡角在5°～45°之間任意可調(diào)。但可惜的是該建筑在兩年后被拆除，即便如此仍有眾多學(xué)者通過縮尺模型風(fēng)洞試驗結(jié)果與僅有的實測數(shù)據(jù)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(xiàn)場實測研究項目，根據(jù)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(jié)構(gòu)。建筑特點是檐口可以根據(jù)需要裝配成弧形或銳角形，目的是研究檐口類型對結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的影響。TTU建筑建立在德州理工大學(xué)校園內(nèi)，是一座平面尺寸9.1 m×13.7 m，高4m的鋼結(jié)構(gòu)小屋，其獨特之處是其安裝在一轉(zhuǎn)盤上，可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)盤采集各個方向的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。本世紀(jì)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(shè)計是根據(jù)一座建筑原型縮尺而成，特點是可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的傾斜度。此后在國內(nèi)，湖南大學(xué)的研究人員提出了追風(fēng)屋設(shè)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(fēng)登陸地區(qū)的低矮建筑物風(fēng)效應(yīng)實測系統(tǒng)(追風(fēng)屋)［9-10］。其主要特點是可以根據(jù)臺風(fēng)登陸的實際狀況將該追風(fēng)房系統(tǒng)布設(shè)在臺風(fēng)登陸地區(qū)開展實測研究，變被動等待臺風(fēng)登陸為主動的尋找臺風(fēng)，創(chuàng)造更多的機會開展現(xiàn)場實測研究。本文中現(xiàn)場實測建筑設(shè)立在上海浦東國際機場附近(以下均稱“變坡房”)，是國內(nèi)首個固定式低矮建筑現(xiàn)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(diào)節(jié)。其建筑外形參考了眾多中國南方村鎮(zhèn)房屋的普遍特點，因此研究結(jié)果對我國村鎮(zhèn)低矮建筑抗風(fēng)研究具有重要意義。

1 試驗儀器及設(shè)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?？冢庥鰪婏L(fēng)的頻率較高。因此，同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室和上海機場建設(shè)指揮部合作建設(shè)風(fēng)速及風(fēng)壓特性現(xiàn)場實測項目，實地測量浦東機場地區(qū)的強風(fēng)特性以及足尺建筑模型上的風(fēng)壓分布。實測建筑位于圖1中圈標(biāo)定處的位置(北緯:31°11'46.36″;東經(jīng):121°47'8.29″)，緊鄰臨海泵站入?？谔?，占用浦東機場范圍內(nèi)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(fēng)格構(gòu)塔以及一棟屋面坡角可調(diào)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(huán)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(jù)試驗需要，屋蓋坡角可以在0°～30°之間連續(xù)調(diào)節(jié)。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(jù)試驗?zāi)康?，將R.M.Young 81000型超聲波和R.M.Young 05305V型機械式風(fēng)速儀安裝于據(jù)變坡房偏東30 m處的測風(fēng)塔處(安裝高度10 m)，用以采集來流風(fēng)速數(shù)據(jù)，儀器的相關(guān)參數(shù)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(fēng)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(fēng)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(fēng)為主，故在東南角部測點布置較為密集。

表1 風(fēng)速測試儀器相關(guān)參數(shù)Tab.1 Instrumentation specifications

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

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 屋蓋表面風(fēng)壓分布

為了將實測結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)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(fēng)洞試驗。試驗是在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室風(fēng)洞試驗室的TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中進行的。根據(jù)變坡房周邊環(huán)境，選擇用粗糙元和尖塔模擬的B類風(fēng)場中進行?，F(xiàn)場實測及風(fēng)洞試驗相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 現(xiàn)場實測及風(fēng)洞試驗相關(guān)參數(shù)Tab.2 Cases of field measurement and wind tunnel test

在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中，常采用量綱為1的壓力系數(shù)Cpi表征結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載特性。風(fēng)壓系數(shù)為風(fēng)在建筑表面引起的實際壓力與來流風(fēng)壓的比值［13］，本文中計算風(fēng)壓系數(shù)的公式如下:

其中，Cpi為測點i處的壓力系數(shù)，本文中取實測房屋檐高度，即屋檐高度處的來流風(fēng)壓為參考風(fēng)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(fēng)洞試驗屋蓋表面的平均及脈動風(fēng)壓系數(shù)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(fēng)洞試驗均在屋脊的背部區(qū)域再次產(chǎn)生一對錐形渦，使得個別工況下此區(qū)域附近負(fù)壓值較大。實測及風(fēng)洞試驗平均及脈動風(fēng)壓的分布趨勢完全一致，只是在迎風(fēng)前緣形成的錐形渦區(qū)域內(nèi)測點的平均負(fù)壓稍大，這可能是由于風(fēng)洞中模擬的風(fēng)場與實測風(fēng)場之間差異或模型制作誤差造成的。綜上可知，實測結(jié)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(fēng)壓系數(shù)

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(fēng)壓系數(shù)進行了分析，以研究屋蓋坡角對其風(fēng)壓的影響。圖8給出了軸線上平均、脈動及極值風(fēng)壓隨屋蓋坡角的變化曲線。首先，從圖8(a)中可知，在迎風(fēng)區(qū)域0°坡角下平均負(fù)壓最大而20°下負(fù)壓最小，但在背風(fēng)區(qū)域結(jié)果相反。圖8(b)與圖8(a)結(jié)果類似，在迎風(fēng)區(qū)域脈動風(fēng)壓隨坡角增大而減小，在背風(fēng)區(qū)域結(jié)論相反。從圖8(c)中可明顯看出，20°坡角下得到的風(fēng)壓最大值明顯小于另外兩個坡角下的結(jié)果，而圖8(d)表明0°坡角下的最小風(fēng)壓值最小。綜上說明屋蓋坡角對屋蓋表面風(fēng)壓影響較大，不僅影響平均風(fēng)壓而且對脈動及極值風(fēng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)特性，從而使屋蓋表面風(fēng)壓產(chǎn)生較為明顯的變化。

2.3 風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)性分析

眾多相關(guān)研究表明［14-16］，風(fēng)向角脈動對風(fēng)速特性影響較大，往往風(fēng)速的間歇脈動是由風(fēng)向的間歇脈動引起的，因此研究風(fēng)速、風(fēng)向耦合及相關(guān)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(fēng)速及風(fēng)向時程進行分析，時程曲線如圖9(a)所示(圖中圓圈標(biāo)注區(qū)域為間歇極值點)。圖9(b)和圖9(c)分別給出了風(fēng)速與水平風(fēng)向角及風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)曲線。圖9(b)中在時間遲滯在-0.3 min附近出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)最大值為0.2，說明風(fēng)速與水平風(fēng)向角在此時間遲滯下具有一定正相關(guān)性，但相關(guān)性不強。圖9(c)中，在時間遲滯為0時，出現(xiàn)明顯的峰值，達到-0.5，表明風(fēng)速與豎向風(fēng)向角呈現(xiàn)為較強的負(fù)相關(guān)特性，耦合作用較為明顯，可以推斷豎向風(fēng)向角的脈動是導(dǎo)致風(fēng)向脈動的主要原因之一。為了對不同時段風(fēng)速、風(fēng)向之間相關(guān)性進行統(tǒng)計分析，文中隨機選取了60段10分鐘風(fēng)速風(fēng)向同步采集數(shù)據(jù)進行研究，如圖10所示?？梢钥闯鰰r間遲滯為0時，風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)性明顯大于風(fēng)速與水平風(fēng)向角之間的相關(guān)性。風(fēng)速與水平風(fēng)向角之間相關(guān)系數(shù)在0附近脈動，說明此遲滯下兩者關(guān)聯(lián)度很小;而風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)性系數(shù)在-0.2～-0.6之間脈動，均值為-0.43，進一步驗證了前面的結(jié)論。

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

2.4 風(fēng)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(qū)域的風(fēng)壓時程不再呈現(xiàn)為高斯分布，而表現(xiàn)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(fēng)壓的脈動特性，而且可以為風(fēng)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(fēng)壓系數(shù)概率分布圖。從圖中可知，在迎風(fēng)區(qū)域和屋脊區(qū)域兩對錐形渦附近測點風(fēng)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(fā)現(xiàn)當(dāng)偏度值大于-0.5時，測點壓力時程服從Gauss分布，當(dāng)偏度值大于-1而小于-0.5時服從Gamma分布［17］較好。但當(dāng)偏度值小于-1時，兩種分布均不適合。

圖9 風(fēng)速、風(fēng)向時程及相關(guān)性Fig.9 Time-histories of wind speed and directions and correlation between them

圖10 不同時段風(fēng)速、風(fēng)向之間相關(guān)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(fēng)壓的非高斯分布影響較大，研究兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系顯得極為重要［18］。為了研究偏度和峰度之間的聯(lián)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(guān)系曲線及擬合公式?？梢悦黠@看出，偏度與峰度呈現(xiàn)線性關(guān)系。在0°和10°坡角下，線性關(guān)聯(lián)度較好，而20°坡角下，關(guān)聯(lián)度略差。說明屋蓋坡角會對偏度與峰度的相關(guān)特性產(chǎn)生一定影響。為方便工程應(yīng)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(jié)果令人滿意。

3 結(jié)論

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

(1)浦東機場實測項目是國內(nèi)首個固定式低矮建筑現(xiàn)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(diào)節(jié)，以便可以對屋蓋坡角對其表面風(fēng)壓的影響進行分析。

(2)通過對實測及風(fēng)洞試驗屋蓋表面的平均及脈動風(fēng)壓系數(shù)分布等值線圖進行比較分析，表明實測及風(fēng)洞試驗平均及脈動風(fēng)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(fēng)速、風(fēng)向角的平穩(wěn)性及其之間的相關(guān)性進行了分析，表明風(fēng)速與風(fēng)向角之間耦合作用明顯。時間遲滯為0時，風(fēng)速與豎向風(fēng)向角之間的相關(guān)性接近-0.5，明顯大于風(fēng)速與水平風(fēng)向角之間的相關(guān)性，說明豎向風(fēng)向角對風(fēng)速脈動影響較大。

(4)對屋蓋表面風(fēng)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(xiàn)較好的線性關(guān)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(fēng)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(nóng).低矮房屋屋面風(fēng)壓特性的實測研［J］.土木工程學(xué)報，2008，41(6):9-13.

［10］戴益民，李正農(nóng)，李秋勝，等.低矮房屋的風(fēng)載特性——近地風(fēng)剖面變化規(guī)律的研究［J］.土木工程學(xué)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(xué)出版社，2004.

［13］王 旭，黃 鵬，顧 明.半球形屋面結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性試驗研究［J］.中國工程機械學(xué)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(jié)構(gòu)風(fēng)壓脈動的非高斯特性［J］.土木工程學(xué)報，2007，40(4):1-6.