李正農(nóng)，余　蜜，吳紅華，史文海

(1.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙　410082;2.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州　325035)

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某低矮模型房屋實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓的相關(guān)性研究*1

李正農(nóng)1?，余蜜1，吳紅華1，史文海2

(1.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410082;2.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州325035)

基于臺(tái)風(fēng)“菲特”影響下溫州某低矮房屋的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及該建筑物屋蓋上的風(fēng)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于風(fēng)場(chǎng)特性和屋蓋風(fēng)壓特性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析.分析結(jié)果表明：隨著平均時(shí)距的減小，平均風(fēng)速最大值增大；湍流度隨著平均風(fēng)速的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)；建筑物屋面及屋面屋脊邊緣處的平均風(fēng)壓均為較大的負(fù)壓且脈動(dòng)較大；根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)壓的變化趨勢(shì)可以看出，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速與建筑物屋蓋上風(fēng)壓呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，進(jìn)而在不同的時(shí)距條件下對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速與屋蓋風(fēng)壓的相關(guān)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)取5min為基本時(shí)距時(shí)風(fēng)速與風(fēng)壓的相關(guān)性系數(shù)值較高，說(shuō)明在確定結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)取基本時(shí)距為5min更為合理.

低矮房屋；風(fēng)場(chǎng)；風(fēng)壓；相關(guān)性

通過(guò)研究各國(guó)的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范可知[1-2],在計(jì)算結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)首先需要確定的是結(jié)構(gòu)可能遭遇的最大平均風(fēng)速，而平均風(fēng)速是根據(jù)在一定的時(shí)間段內(nèi)實(shí)測(cè)得到的多個(gè)瞬時(shí)風(fēng)速測(cè)量值通過(guò)平均計(jì)算得出的.各國(guó)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的計(jì)算平均風(fēng)速時(shí)所確定時(shí)間段的長(zhǎng)度(即基本時(shí)距)是不盡相同的,國(guó)際上許多國(guó)家( 包括中國(guó)) 將平均風(fēng)速計(jì)算時(shí)距值取為 10min(即在10min實(shí)測(cè)獲得多個(gè)瞬時(shí)風(fēng)速值，然后計(jì)算平均風(fēng)速值，但也有國(guó)家取為1h( 如加拿大等) ,甚至有的國(guó)家取為3～5s時(shí)距的瞬時(shí)風(fēng)速( 如美國(guó)規(guī)范取為3s) .顯然在風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，取不同的時(shí)距得到的平均風(fēng)速結(jié)果是不同的.對(duì)于高層建筑而言, 究竟時(shí)距長(zhǎng)度取何值時(shí)最為適宜, 已有學(xué)者進(jìn)行了分析[3]，但對(duì)于低矮建筑是否有相同規(guī)律尚無(wú)定論[4-8].本文主要通過(guò)對(duì)一幢足尺低矮房屋模型實(shí)驗(yàn)房在臺(tái)風(fēng)“菲特”影響溫州期間，對(duì)登陸時(shí)的風(fēng)場(chǎng)及其屋蓋迎、背風(fēng)面風(fēng)壓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析, 研究了在不同時(shí)距條件下對(duì)風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓的相關(guān)性大小的影響, 從而確定在低矮建筑風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)最為合理的基本時(shí)距.

1　實(shí)驗(yàn)房概況

本課題組于2012年4月經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)與選址，在溫州濱海園區(qū)建造了一幢足尺低矮實(shí)驗(yàn)房用于抗風(fēng)研究.實(shí)驗(yàn)房所在地為海涂圍墾地形，平坦、開闊，東南面距離東海約1.3km，實(shí)驗(yàn)房地理位置如圖1所示.該實(shí)驗(yàn)房為一幢兩層板房，主體受力結(jié)構(gòu)為鋼骨架，基礎(chǔ)為整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土.實(shí)驗(yàn)房總高6.7m，長(zhǎng)7.6m，寬4.95m，為前后對(duì)稱的雙坡屋頂(屋面角為20°)，屋面開洞30個(gè)，用于安裝屋面風(fēng)壓傳感器，其布置詳圖如圖2所示.在實(shí)驗(yàn)房東北面6m處架設(shè)了一座可自由升降的10m高測(cè)風(fēng)塔，分別在3.5m，6.8m和10m塔高處安裝了3臺(tái)R.M.YOUNG05103V型螺旋槳式風(fēng)速、風(fēng)向傳感器進(jìn)行觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)，采用優(yōu)泰32通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集，采樣頻率為25.6Hz.實(shí)測(cè)足尺模型實(shí)驗(yàn)房及測(cè)風(fēng)塔整體圖如圖3所示.

2　風(fēng)場(chǎng)特性分析

2.1平均風(fēng)速和風(fēng)向

在2013年第23號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”(Fitow)登陸期間開展了實(shí)測(cè)研究,獲得了大量的風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).本文在具體分析時(shí)選取了地面以上10m高度處10月6日17:45～19:25時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速風(fēng)向)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析.

圖2　風(fēng)壓傳感器布置Fig.2　The arrangement of wind pressure sensors

圖3　實(shí)驗(yàn)房及測(cè)風(fēng)塔整體圖Fig.3　Instrumented building and anemometer tower

在實(shí)測(cè)時(shí)，將風(fēng)向角定義正北風(fēng)為θ=0°，正南風(fēng)為θ=180°，角度按順時(shí)針遞增，風(fēng)速則可以根據(jù)式(1),(2)分解為兩個(gè)分量：

ux(t)=u(5)cosθ(t)，

(1)

uy(t)=u(t)sinθ(t)．

(2)

式中：ux為南北向分量；uy為東西向分量.在具體計(jì)算分析時(shí)若取t為基本時(shí)距，則主風(fēng)速u和主風(fēng)向φ為：

(3)

(4)

式中：

(5)

(6)

表示t時(shí)距樣本的二維風(fēng)速平均值.式中n為t時(shí)距段內(nèi)的采樣個(gè)數(shù).

分別以10min，5min，30s和10s為基本時(shí)距，測(cè)得的水平向平均風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)分別如圖4(a)和4(b)所示，時(shí)間段長(zhǎng)度為100min.從圖4看出，以10min為基本時(shí)距所測(cè)得的平均風(fēng)速為7～12m/s，平均風(fēng)向位于10°～35°之間.對(duì)于其他的時(shí)間間距，取相對(duì)應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，即可得到對(duì)應(yīng)于時(shí)間間距的平均風(fēng)速和風(fēng)向.

t/min(a)平均風(fēng)速變化歷程

t/min(b)平均風(fēng)向變化歷程圖4　平均風(fēng)速、風(fēng)向角變化歷程Fig.4　Variation of average wind speed, wind direction

2.2脈動(dòng)風(fēng)速

在t時(shí)距內(nèi)，順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速u(t)和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速v(t)可根據(jù)式(7)，(8)計(jì)算：

u(t)=ux(t)cosφ+uy(t)sinφ-u，

(7)

v(t)=-ux(t)sinφ+uy(t)cosφ．

(8)

式中：ux(t),uy(t)的含義及計(jì)算方法見2.1節(jié).

以10min為基本時(shí)距，選擇順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根值為脈動(dòng)風(fēng)速的代表值，脈動(dòng)風(fēng)速均方根值σi(i=u,v)定義公式如下：

(9)

(10)

其隨時(shí)間變化歷程如圖5所示.從圖5中可以看出，在100min的脈動(dòng)風(fēng)速均方根值的變化歷程中，脈動(dòng)風(fēng)速均方根值總體呈上升趨勢(shì)，順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根值有相似的變化趨勢(shì),且順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根值比橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根值略大.

2.3湍流度

湍流度反映了風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度，是確定結(jié)構(gòu)所受脈動(dòng)風(fēng)荷載的關(guān)鍵參數(shù).一般而言，湍流度常定義為T時(shí)距的脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)方差與水平平均風(fēng)速的比值．

(11)

式中：σi分別表示u(t)和v(t)的均方根.

分別以10min,5min,30s,10s為基本時(shí)距，計(jì)算得到的順風(fēng)向和橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度隨時(shí)間變化歷程如圖6所示，其總的時(shí)間長(zhǎng)度為100min.從圖6可以看出，在該段時(shí)間內(nèi)，湍流度變化趨勢(shì)大致與脈動(dòng)風(fēng)速相似，順風(fēng)向湍流強(qiáng)度比橫風(fēng)向略大且變化均隨基本時(shí)距的增大而更為平緩.若取用其他的時(shí)間段時(shí)，也可采用相似的方法進(jìn)行計(jì)算分析.

3　實(shí)測(cè)風(fēng)壓特性

跟風(fēng)速一樣，風(fēng)壓也可以提取一系列代表風(fēng)壓的特征值，如平均風(fēng)壓，脈動(dòng)風(fēng)壓等.本文以平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值作為代表風(fēng)壓的特征值.

該段時(shí)間內(nèi)風(fēng)主要從東偏北方向吹向?qū)嶒?yàn)房，屋蓋所在面為東南面和西北面，東南屋蓋為背風(fēng)屋蓋，布置測(cè)點(diǎn)為W1～W9；西北屋蓋為迎風(fēng)屋蓋，布置測(cè)點(diǎn)為W10～W18(其中測(cè)點(diǎn)W13，W18所測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)效)．其中，測(cè)點(diǎn)W6,W9,W12,和W15受風(fēng)荷載影響最為明顯，所以本文即取這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓測(cè)值具體分析.由圖7屋蓋兩面各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)壓時(shí)程可知，屋蓋兩面邊緣處的各測(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)較大的負(fù)壓.又因?yàn)榕_(tái)風(fēng)影響期間往往伴隨著降雨，雨滴對(duì)傳感器實(shí)測(cè)風(fēng)壓有些影響，主要表現(xiàn)在雨滴落在傳感器表面時(shí)可能導(dǎo)致實(shí)測(cè)風(fēng)壓瞬間大幅變化，在分析平均風(fēng)壓時(shí)，因其影響較小，可以忽略不計(jì),但其對(duì)瞬時(shí)分析結(jié)果影響較大.為使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文在分析時(shí)均將其作為奇異值剔除.

圖8，圖9所示平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值變化歷程均為基本時(shí)距為10min時(shí)計(jì)算所得.綜合以上屋蓋風(fēng)壓變化歷程可以看出,當(dāng)風(fēng)從角部吹向房屋時(shí)，屋蓋風(fēng)壓均為較大的負(fù)值，脈動(dòng)風(fēng)壓整體呈上升趨勢(shì).

t/min(a)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根值

t/min(b)橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根值圖5　脈動(dòng)風(fēng)速均方根值變化歷程Fig.5　Variation of root-mean-square value of fluctuating wind speed

t/min(a)順風(fēng)向湍流度變化歷程

t/min(b)橫風(fēng)向湍流度變化歷程圖6　湍流度變化歷程Fig.6　Variation of turbulence intensity

t/min(a) W6實(shí)測(cè)風(fēng)壓時(shí)程

t/min(b) W9實(shí)測(cè)風(fēng)壓時(shí)程

t/min(c) W12實(shí)測(cè)風(fēng)壓時(shí)程

t/min(d) W15實(shí)測(cè)風(fēng)壓時(shí)程圖7　 W6,W9,W12和W15實(shí)測(cè)風(fēng)壓時(shí)程Fig.7　Time series of measured wind pressure for W6,W9,W12,W15

t/min(a)平均風(fēng)壓變化歷程

t/min(b)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值變化歷程圖8　東南屋蓋測(cè)點(diǎn)W6，W9平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值變化歷程Fig.8　Time series of average wind pressure and the root-mean-square value of fluctuatingwind pressure for W6，W9 on the southeast of the roof

t/min(a)平均風(fēng)壓變化歷程

t/min(b)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值變化歷程圖9　西北屋蓋測(cè)點(diǎn)W12，W15平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值變化歷程Fig.9　Time series of average wind pressure and the root-mean-square value of fluctuating wind pressurefor W12，W15 on the northwest of the roof

4　相關(guān)性分析

為了尋找在確定低矮建筑的風(fēng)壓特性和計(jì)算體型系數(shù)時(shí)所適宜的基本時(shí)距, 根據(jù)前述實(shí)測(cè)所獲得的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和風(fēng)壓場(chǎng)數(shù)據(jù),通過(guò)相關(guān)性分析的方法研究在不同的時(shí)距條件下兩者之間的相關(guān)性，進(jìn)而確定計(jì)算低矮結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)最適宜的基本時(shí)距.本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論對(duì)相關(guān)度的定義，求兩個(gè)符合條件的變量之間的相關(guān)性[9].

4.1相關(guān)性及其計(jì)算

對(duì)于一組復(fù)雜數(shù)據(jù)可以使用一定的數(shù)學(xué)手段生成一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的類結(jié)構(gòu)，進(jìn)行“相關(guān)性”或 “相似性”分析[10]，最常用的是使用相似系數(shù)Cxy來(lái)表示指標(biāo)x和指標(biāo)y之間的相似關(guān)系.Cxy的取值在 -1～1 之間 ,當(dāng)其絕對(duì)值越接近1，表示指標(biāo)x和指標(biāo)y之間的關(guān)系越密切，當(dāng)其絕對(duì)值越接近0，表示指標(biāo)x和指標(biāo)y之間的關(guān)系越疏遠(yuǎn).對(duì)于兩條曲線形狀變化規(guī)律之間的間隔尺度，常用的相似系數(shù)有夾角余弦和相關(guān)系數(shù).

1)夾角余弦:這是受相似形的啟發(fā)而來(lái)，對(duì)于兩條曲線，如果長(zhǎng)度不一，但是形狀相似，當(dāng)長(zhǎng)度不是主要矛盾時(shí)，可以定義一種相似系數(shù)來(lái)表示兩條曲線之間的比較密切的相似關(guān)系從而加以描述.通常用夾角余弦來(lái)描述這種關(guān)系，其定義為：

(12)

式中：vkx,vky為所要研究的兩個(gè)指標(biāo)向量，在本文研究分析中，vkx分別對(duì)應(yīng)于平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速均方根值；vky分別對(duì)應(yīng)于平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值，k為指標(biāo)向量的第k個(gè)元素，n為指標(biāo)向量中元素的個(gè)數(shù).

2)相關(guān)系數(shù):相關(guān)系數(shù)Cxy就是求將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 (將指標(biāo)向量的每個(gè)元素減去指標(biāo)向量元素平均值) 后的夾角余弦.為了簡(jiǎn)便,在計(jì)算分析時(shí),相關(guān)系數(shù)取計(jì)算各指標(biāo)向量之間的夾角余弦的絕對(duì)值.

4.2相關(guān)性分析結(jié)果

在研究不同時(shí)距下，風(fēng)場(chǎng)與建筑物屋面風(fēng)壓場(chǎng)的相關(guān)性的關(guān)系時(shí)，集中考慮并計(jì)算了在不同時(shí)距下風(fēng)速同風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)速同脈動(dòng)風(fēng)壓的平均值、最大值、最小值以及均方根值的相關(guān)性.計(jì)算結(jié)果表明，在取用最大值或最小值作為代表值分析時(shí)，各時(shí)距條件下，相關(guān)性系數(shù)變化趨勢(shì)大致相同，但相關(guān)性系數(shù)普遍較小，所以本文取平均值來(lái)分析相關(guān)性可能更加合理.

在總的采樣時(shí)間長(zhǎng)度相同，不同平均時(shí)距條件下所劃分的數(shù)據(jù)段個(gè)數(shù)顯然是不同的，平均風(fēng)時(shí)距越大所劃分的數(shù)據(jù)段個(gè)數(shù)越少，而采用上述相關(guān)性分析方法，數(shù)據(jù)段個(gè)數(shù)的多少直接會(huì)影響到計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)值.因此，為了體現(xiàn)最后結(jié)果的一般性，分別取等時(shí)間長(zhǎng)度(取計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為100min)和等數(shù)據(jù)段個(gè)數(shù)兩種情況進(jìn)行分析.選取了在時(shí)距為1s，2s，3s，5s，10s，0.5min，1min，3min，5min，10min10 個(gè)基本時(shí)距下的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析.

1)等時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)的相關(guān)度

取計(jì)算的時(shí)間長(zhǎng)度為100min，在此條件下，計(jì)算得出了在不同時(shí)距條件下，平均風(fēng)速同平均風(fēng)壓以及順、橫方向脈動(dòng)風(fēng)速均方根與脈動(dòng)風(fēng)壓均方根值的相關(guān)性.具體計(jì)算結(jié)果如圖10，圖11所示.

基本時(shí)距/s(a)平均風(fēng)壓和平均風(fēng)速的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(b)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(c)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性圖10　東南屋蓋風(fēng)速和風(fēng)壓的相關(guān)性Fig.10　Correlation between wind speed andwind pressure on the southeast of the roof

由圖10，圖11可以看出，隨著基本時(shí)距的增大，數(shù)據(jù)段的個(gè)數(shù)越來(lái)越少，風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓場(chǎng)各標(biāo)量之間的相關(guān)性系數(shù)的值越來(lái)越大，當(dāng)基本時(shí)距為1s時(shí)相關(guān)性非常小，在取基本時(shí)距為10min時(shí)，相關(guān)性系數(shù)最大，但在基本時(shí)距為3min后相關(guān)性系數(shù)特別是平均風(fēng)速與平均風(fēng)壓的相關(guān)性系數(shù)與之相比差別較小，通過(guò)具體分析可以發(fā)現(xiàn)，這主要是由參與相關(guān)性計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同所引起的，當(dāng)取計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度為100min時(shí)，若取不同的時(shí)距計(jì)算，則所取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同，如假定取基本時(shí)距為10min時(shí)，則參與計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為10個(gè)，而取基本時(shí)距為1s時(shí)，參與計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為6 000個(gè).在進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，相關(guān)性系數(shù)所描述得是兩條曲線變化趨勢(shì)之間的相似性程度，對(duì)于每條曲線而言，特征點(diǎn)取得越多，則對(duì)曲線的變化趨勢(shì)描述得越詳細(xì)，也就越能描述兩條曲線的差別.因此在進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)的計(jì)算時(shí)，相關(guān)性計(jì)算結(jié)果除與曲線變化趨勢(shì)有關(guān)，還與參與計(jì)算的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)密切相關(guān).

基本時(shí)距/s(a)平均風(fēng)壓和平均風(fēng)速的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(b)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(c)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性圖11　西北屋蓋風(fēng)速和風(fēng)壓的相關(guān)性Fig.11　Correlation between wind speed and windpressure on the northwest of the roof

2)等數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)時(shí)相關(guān)性結(jié)果

為消除變量個(gè)數(shù)對(duì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型的影響，對(duì)應(yīng)不同基本時(shí)距取相對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度，保證在進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)計(jì)算時(shí)，在不同的時(shí)間間距條件下參與計(jì)算的變量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)均為10個(gè).例如基本時(shí)距為10min時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度為100min，基本時(shí)距為1s時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度為10s.進(jìn)一步考慮到風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的脈動(dòng)性，當(dāng)基本時(shí)距較短時(shí)，所取10個(gè)數(shù)據(jù)不能精確地代表所有數(shù)據(jù)，所以以基本時(shí)距為1s時(shí)為例，本文計(jì)算了100min內(nèi)測(cè)點(diǎn)W6及測(cè)點(diǎn)W15全部600個(gè)10s數(shù)據(jù)的相關(guān)性，然后就這600個(gè)相關(guān)性系數(shù)的最大值、最小值以及平均值分別與其他時(shí)距條件下的相應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比.具體計(jì)算結(jié)果見圖12，圖13. 圖中,“A”，“B”和“C”分別表示測(cè)點(diǎn)W6的相關(guān)性系數(shù)最大值、最小值以及平均值，“A1～C1”則表示測(cè)點(diǎn)W15的相應(yīng)值.

由圖12，圖13可以看出，平均風(fēng)壓和平均風(fēng)速的相關(guān)性以及脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致.就相關(guān)性系數(shù)最大值的變化來(lái)說(shuō)，隨著基本時(shí)距的增大，其變化相對(duì)比較平緩，其中基本時(shí)距為3min和5min時(shí)的相關(guān)性系數(shù)均比基本時(shí)距為10min時(shí)的大，且其間差別較??；就相關(guān)性系數(shù)最小值的變化來(lái)說(shuō)，當(dāng)基本時(shí)距小于10s時(shí)，相關(guān)性系數(shù)近乎為0，當(dāng)基本時(shí)距位于10s～3min時(shí)，相關(guān)性系數(shù)呈現(xiàn)陡增的趨勢(shì)，當(dāng)基本時(shí)距大于3min時(shí)，相關(guān)性系數(shù)則變化相對(duì)平穩(wěn)，呈小幅遞增趨勢(shì).西北屋蓋的脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性系數(shù)變化曲線在基本時(shí)距為5min時(shí)出現(xiàn)了極值；就相關(guān)性系數(shù)平均值的變化來(lái)說(shuō)，其變化幅度居于最大值和最小值之間.當(dāng)基本時(shí)距為1s時(shí)，相關(guān)性系數(shù)最小，當(dāng)基本時(shí)距位于1s～3min時(shí)，相關(guān)性系數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)步遞增趨勢(shì)，當(dāng)基本時(shí)距大于3min時(shí)，對(duì)于東南屋蓋的脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)仍有小幅增加，但變化則相對(duì)平緩．對(duì)于平均風(fēng)壓和平均風(fēng)速的相關(guān)性以及西北屋蓋脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)也有所增加，且均在基本時(shí)距為5min時(shí)取得了最大值.

綜上所述，在進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)計(jì)算時(shí)，取相應(yīng)的不同時(shí)間長(zhǎng)度保證參與計(jì)算相關(guān)性系數(shù)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)相同時(shí)，時(shí)距對(duì)相關(guān)性系數(shù)的影響很大，其中，當(dāng)基本時(shí)距為10min和5min時(shí)，相關(guān)性系數(shù)相對(duì)較大，且其間差別較小.因?yàn)樵谌≥^短的時(shí)間間距進(jìn)行分析時(shí)，包含更多較大風(fēng)速的影響，對(duì)應(yīng)于這一時(shí)距的最大平均風(fēng)速將增大[11]，而結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載相對(duì)而言，較大風(fēng)速的影響要大一些，所以相對(duì)較短的時(shí)間間距相關(guān)性系數(shù)要大一些，且工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)致災(zāi)害往往由較大陣風(fēng)引起，因此取5min為基本時(shí)距進(jìn)行計(jì)算更加合理[12-13].

基本時(shí)距/s(a)平均風(fēng)壓和平均風(fēng)速的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(b)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(c)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性圖12　東南屋蓋W6測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)壓的相關(guān)性Fig.12　Correlation between wind speed and windpressure for W6 on the southeast of the roof

基本時(shí)距/s(a)平均風(fēng)壓和平均風(fēng)速的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(b)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性

基本時(shí)距/s(c)脈動(dòng)風(fēng)壓均方根和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速均方根的相關(guān)性圖13　西北屋蓋W15測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)壓的相關(guān)性Fig.13　Correlation between wind speed and windpressure for W15 on the northwest of the roof

5　結(jié)　論

通過(guò)上述對(duì)所取時(shí)間段內(nèi)風(fēng)場(chǎng)和建筑物屋蓋風(fēng)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及風(fēng)場(chǎng)參數(shù)和風(fēng)壓場(chǎng)參數(shù)的相似性分析得到的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性及風(fēng)壓特性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，風(fēng)速和風(fēng)向變化較為平穩(wěn)；隨著平均時(shí)距的減小，平均風(fēng)速最大值增大；湍流度隨著平均風(fēng)速的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)；屋面各測(cè)點(diǎn)尤其是西北屋面邊緣處的測(cè)點(diǎn)W15以及東南屋面屋脊邊緣處的測(cè)點(diǎn)W9均出現(xiàn)了較大的平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓.

2)通過(guò)對(duì)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)與風(fēng)壓參數(shù)的相關(guān)性分析，當(dāng)取等時(shí)長(zhǎng)100min進(jìn)行分析時(shí)，由于不同時(shí)距條件下，參與分析的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同，隨著基本時(shí)距的增大，數(shù)據(jù)段個(gè)數(shù)越來(lái)越少，所呈現(xiàn)的相關(guān)性也越來(lái)越大，呈逐步遞增趨勢(shì)，基本時(shí)距為10min時(shí)，相關(guān)性系數(shù)最大.

3)取相同的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，其中基本時(shí)距為5min時(shí)，相關(guān)性最高.通過(guò)對(duì)在不同時(shí)距條件下相關(guān)性系數(shù)的最大值、最小值以及平均值的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析可以看出，在確定風(fēng)場(chǎng)同風(fēng)壓的相關(guān)性時(shí)，取5min為基本時(shí)距更加合理.

4)綜合對(duì)相同時(shí)間段和相同數(shù)據(jù)兩種情況下的相關(guān)性分析,當(dāng)取基本時(shí)距為5min時(shí),風(fēng)場(chǎng)同風(fēng)壓的相關(guān)性較高且比較合理.但是需要指出的是,該結(jié)果是根據(jù)特定臺(tái)風(fēng)下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出的,在進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)取樣數(shù)據(jù)較少,此結(jié)論是否具有普遍性有待于進(jìn)一步研究.

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Correlation Research of the Measured Wind Field and Wind Pressure of a Low-rise Building

LI Zheng-nong1?, YU Mi1, WU Hong-hua1, SHI Wen-hai2

(1.Key Laboratory of Building Safety and Efficiency of the Ministry of Education, Hunan Univ, Changsha, Hunan410082, China; 2.College of Civil Engineering and Architectural ,Wenzhou Univ, Wenzhou, Zhejiang325035, China)

Thispaperpresentedtheanalysisresultsofthewindfieldcharacteristicsandwindpressureoftheroofonthebasisofthemeasurementdataoftheroofobtainedinaninstrumentedlow-risebuilding,whichsitsinWenzhouandwasaffectedbythetyphoonFitow.Theresultsrevealthat,withthedecreaseoftheaverageinterval,themaximalaveragewindvelocityincreases;theturbulenceintensitytendstodecreasewithanincreasingaveragewindvelocity.Furthermore,theaveragewindpressureattheedgeofthebuildingroofandridgeisnegativewithlargefluctuation.Thevariationtendenciesofwindvelocityandwindpressureshowtheobviouscorrelationbetweenthevelocityinwindfieldandwindpressureontheroof.Thecorrelationanalysisbetweenthewindfieldcharacteristicsandwindpressureontheroofwasthenconductedwithindifferenttimeintervals.Theanalysisresultsshowthatthewindvelocityandwindpressurearecorrelatedwellatanaverageintervalof5minutes,whichindicatesthattheaverageintervalof5minutescanbereasonablyusedtocalculatethewindload.

low-risebuilding;windfield;windpressure;correlation

1674-2974(2016)05-0070-09

2015-06-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278190， 51178180, 51478179，51478366),National Natural Science Foundation of China(51278190， 51178180, 51478179，51478366)

李正農(nóng)(1962-)，男，湖北武漢人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail:zhn88@263.net

TU312．1

A