戴益民， 高 陽， 許靈波， 蔣榮正， 彭 望

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201)

罩棚結(jié)構(gòu)對低矮建筑局部風(fēng)載影響規(guī)律試驗

戴益民， 高 陽， 許靈波， 蔣榮正， 彭 望

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201)

采用縮尺比為1∶20風(fēng)洞試驗剛性模型，以風(fēng)向角及屋面坡角為變量，針對單體低矮建筑及罩棚與低矮建筑組合而成的罩棚式低矮建筑屋面局部風(fēng)載展開風(fēng)洞試驗研究，采用風(fēng)壓系數(shù)差深入探討B(tài)類地貌下罩棚結(jié)構(gòu)對配套低矮建筑屋面迎風(fēng)屋沿、屋脊及屋面角部等局部測點風(fēng)壓影響變化規(guī)律。結(jié)果表明：不同風(fēng)向下罩棚對低矮建筑迎風(fēng)屋沿處風(fēng)壓的影響隨著屋面坡角的增大而減小，對背風(fēng)屋面各分區(qū)的影響較小。隨著風(fēng)向角的改變，迎風(fēng)屋面靠山墻邊緣及角部區(qū)域受罩棚影響呈增大趨勢。45°斜風(fēng)向下，平屋面(β=0°)迎風(fēng)屋沿測點6風(fēng)壓系數(shù)變化最大，風(fēng)壓系數(shù)差為-2.01。當(dāng)來流平行于屋沿方向時，罩棚結(jié)構(gòu)對迎風(fēng)屋沿、屋脊、屋面角部等易損區(qū)的風(fēng)壓系數(shù)隨坡角的變化影響最小。

低矮建筑； 罩棚； 局部風(fēng)載； 風(fēng)洞試驗； 風(fēng)壓系數(shù)

加油站一般由大跨罩棚結(jié)構(gòu)與配套用低矮建筑組合而成，而歷次風(fēng)災(zāi)調(diào)查研究表明，低矮房屋的損毀主要表現(xiàn)為迎風(fēng)屋面轉(zhuǎn)角、邊緣和屋脊等易損部位(簡稱易損區(qū))先損毀并進而引發(fā)建筑的整體倒塌[1]。國內(nèi)外針對罩棚結(jié)構(gòu)對配套低矮建筑影響的研究不多，所以開展罩棚結(jié)構(gòu)對配套低矮建筑屋面易損區(qū)風(fēng)載特性研究具有重要的現(xiàn)實意義。劉帥等[2]風(fēng)洞試驗研究了矩形及圓形罩棚屋面結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓特性，提出了兩類罩棚結(jié)構(gòu)風(fēng)載體型系數(shù)，并分析了模型尺寸變化對風(fēng)壓系數(shù)和堵塞特征的影響。近幾年，國外學(xué)者[3，4]對三種不同類型的罩棚式低矮建筑進行了風(fēng)洞試驗，研究了屋面坡度及風(fēng)向?qū)ζ浔砻骘L(fēng)壓分布規(guī)律的影響。Santiago P等[5]通過風(fēng)洞試驗分析了上游建筑的距離、高度對平屋面的吸力影響，并給出了兩棟建筑間距的建議值。全涌[6]等通過風(fēng)洞試驗研究了周邊建筑群密度、相對高度及排列方式對被包圍低矮建筑平屋面上最大局部負風(fēng)壓及最大屋面升力干擾因子的影響，得出有價值結(jié)論。胡尚瑜等[7]基于實測，研究近地臺風(fēng)風(fēng)場湍流特征與低矮房屋迎風(fēng)屋面角部測點峰值風(fēng)壓，獲取了低矮實測房屋面局部測點風(fēng)壓特性時空平均效應(yīng)。樓文娟等[8]對體育場罩棚在兩類不同風(fēng)場下屋面風(fēng)壓總體分布特性進行了分析，給出了兩類風(fēng)場對屋面升力的影響。Augusto Poitevin等[9]采用風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬的方法，研究了帶女兒墻的罩棚結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角下表面風(fēng)壓分布規(guī)律。Natalini M B等[10]采用風(fēng)洞試驗方法研究了罩棚式低矮建筑表面風(fēng)壓分布特性，對比分析了不同體型比對罩棚表面風(fēng)壓的影響規(guī)律。以上主要針對單體和群體低矮建筑及罩棚結(jié)構(gòu)風(fēng)載研究，即鮮有罩棚結(jié)構(gòu)對配套結(jié)合的低矮建筑屋面風(fēng)載特性影響開展研究。

本文采用風(fēng)洞試驗手段，對低矮建筑及低矮建筑與罩棚組合而成的罩棚式低矮建筑分別進行測壓實驗。以風(fēng)向角和屋面坡角為變量，深入探討罩棚結(jié)構(gòu)對低矮房屋迎風(fēng)屋沿、角部、屋脊等局部測點風(fēng)壓的影響規(guī)律，結(jié)果將為低矮房屋與罩棚組合而成的低矮建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究提供一些有價值的參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)備及流場模擬

本文風(fēng)洞試驗在湖南科技大學(xué)風(fēng)洞實驗室開展，采用尖劈、粗糙元及格柵等被動模擬裝置調(diào)出適合大縮尺比1:20低矮建筑風(fēng)洞試驗B類風(fēng)場。湍流度及平均風(fēng)速剖面見圖1a，風(fēng)場模擬布置見圖1b。試驗測壓儀器采用美國PSI壓力掃描閥，采樣頻率為330 Hz，采樣點數(shù)為10000個。

圖1 風(fēng)場模擬結(jié)果

1.2 試驗?zāi)Ｐ图皽y點布置

風(fēng)洞測壓剛性模型采用ABS板制作，模型縮尺比為1:20，低矮建筑屋面布置130個測點，墻面測點布置依據(jù)坡角的變化而不同，單體與組合模型見圖2。為研究罩棚在不同風(fēng)向角下對不同坡角低矮建筑風(fēng)載的影響和分布特性，本文選擇迎風(fēng)屋面角部、屋脊、屋沿局部測點進行區(qū)域劃分，具體見圖3。試驗在B類風(fēng)場中進行，罩棚與低矮建筑尺寸及試驗工況劃分見表1。

圖2 縮尺模型/mm

圖3 屋面局部測點布置及分區(qū)/mm

低矮房屋模型尺寸/mm罩棚模型尺寸/mm地貌類型縮尺比風(fēng)向角α/(°)屋面坡角β/(°)600×400×400(長×寬×高)600×600×400(長×寬×高)B1∶200、30、45、60、900、9.6、18.4、30、45

2 罩棚對低矮建筑屋面局部風(fēng)載影響規(guī)律

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理

風(fēng)壓系數(shù)為風(fēng)在建筑物表面引起的實際壓力與來流風(fēng)壓的比值[1]，本文以模型屋面平均高度處風(fēng)壓作為無量綱化的參考風(fēng)壓，平均風(fēng)壓系數(shù)采用以下公式推導(dǎo)計算：

(1)

式中：Cpi為測點平均風(fēng)壓系數(shù)；pi為測點平均風(fēng)壓值；pref為參考高度處靜壓；ρ為空氣密度；VH為屋面平均高度H處的平均風(fēng)速。

為了系統(tǒng)研究在不同風(fēng)向角下罩棚結(jié)構(gòu)對不同坡角低矮建筑屋面局部測點風(fēng)壓影響規(guī)律，本文試驗結(jié)果針對單體與組合體兩者屋面測點風(fēng)壓系數(shù)差進行分析，用ΔCpi表示：

ΔCpi=Cpi單體-Cpi組合

(2)

式中：Cpi單體為單體低矮房屋測點平均風(fēng)壓系數(shù)；Cpi組合為低矮房屋與罩棚組合體測點平均風(fēng)壓系數(shù)。

2.2 試驗結(jié)果分析

本文采用B類風(fēng)場，以風(fēng)向角和屋面坡角為變量，對單體低矮建筑及罩棚與低矮建筑組合的罩棚式低矮建筑屋面局部測點進行風(fēng)洞試驗對比研究。通過兩者試驗數(shù)據(jù)對比分析，獲取如下試驗結(jié)果。

2.2.1 風(fēng)向角為0°工況

風(fēng)向角為0°，通過對單體低矮建筑及罩棚式低矮建筑組合結(jié)構(gòu)屋面局部測點風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)對比分析獲得結(jié)果如圖4a～d所示。

圖4 0°風(fēng)向角下屋面局部測點風(fēng)壓系數(shù)差

(1)如圖4a所示，罩棚對迎風(fēng)屋沿A區(qū)測點風(fēng)壓影響較明顯，在坡角范圍為9.6°～45°時，隨屋面坡角增大而呈影響變小趨勢，其中在坡角β=9.6°，測點1與6風(fēng)壓受罩棚影響最大，ΔCp1=-1.48，ΔCp6=-1.53，負值說明吸力減小，這是由于來流在罩棚屋檐處分離、再附使得A區(qū)吸力減小。背風(fēng)屋沿F區(qū)各測點受罩棚影響較小。

(2)由圖4b，0°坡角屋脊C、D區(qū)受罩棚影響較大，距離山墻越遠屋脊處測點受罩棚影響越大，屋脊中部測點25、30、90受影響最大，ΔCp25=-0.62，ΔCp30=-0.61，ΔCp90=-0.54。9.6°坡角屋脊C、D區(qū)吸力增大，其它坡角受罩棚影響較小。

(3)由圖4c和4d，隨著屋面坡角的變化，靠山墻B、E區(qū)風(fēng)壓受罩棚影響變化較小。迎風(fēng)屋角J區(qū)，屋面坡角為9.6°和18.4°時受罩棚影響較大，該區(qū)吸力減小。其中測點7、12風(fēng)壓變化最大，屋面坡角為9.6°時，ΔCp7=-1.06，ΔCp12=-1.19；屋面坡角為18.4°時，ΔCp7=-0.97，ΔCp12=-1.10。

2.2.2 風(fēng)向角為30°工況

風(fēng)向角為30°，通過對單體低矮建筑及罩棚式低矮建筑組合結(jié)構(gòu)屋面局部測點風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)對比分析獲得結(jié)果如圖5a～d所示。

(1)由圖5a，迎風(fēng)屋沿A區(qū)測點風(fēng)壓隨屋面坡角的增加受罩棚影響呈減小趨勢。坡角為0°～18.4°時，屋面角部測點風(fēng)壓系數(shù)差較大，這主要是由于氣流在罩棚屋面分離、再附，使得屋面角部測點吸力減小，其中屋面坡角為9.6°時，測點6風(fēng)壓系數(shù)變化最大，ΔCp6=-1.92。F區(qū)各測點ΔCp在-0.2～0.2范圍內(nèi)波動。

(2)由圖5b，坡角為0°、9.6°時，迎風(fēng)屋脊C區(qū)受罩棚影響較大，其中測點5風(fēng)壓系數(shù)變化最大，其相應(yīng)風(fēng)壓系數(shù)差分別為-0.47，-0.46。背風(fēng)屋脊D區(qū)在坡角為0°、18.4°時受罩棚影響較大，其中18.4°坡角測點75、80，9.6°坡角測點70風(fēng)壓系數(shù)變化較大，其相應(yīng)風(fēng)壓系數(shù)差為-0.59，-0.55，-0.61。坡角為30°、45°時，屋脊C、D區(qū)受罩棚影響較小。

圖5 30°風(fēng)向下屋面局部測點風(fēng)壓系數(shù)差

(3)由圖5c和5d，0°坡角靠山墻B區(qū)風(fēng)壓變化較大，其中測點2變化最大，ΔCp=-1.24。J區(qū)各測點隨屋面坡角的增大受罩棚影響而減小，其中0°坡角測點12變化最大，ΔCp=-0.53。

2.2.3 風(fēng)向角為45°工況

風(fēng)向角為45°，通過對單體低矮建筑及罩棚式低矮建筑組合結(jié)構(gòu)屋面局部測點風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)對比分析獲得結(jié)果如圖6a～d所示。

圖6 45°風(fēng)向下屋面局部測點風(fēng)壓系數(shù)差

(1)由圖6a，背風(fēng)屋沿F區(qū)各測點風(fēng)壓系數(shù)差隨屋面坡度變化平緩，受罩棚影響較小。坡角為0°～18.4°時，迎風(fēng)屋沿A區(qū)測點風(fēng)壓受罩棚影響較大且隨坡角增大呈影響減小趨勢，其中測點6(β=0°)風(fēng)壓系數(shù)變化最大，ΔCp6=-2.01。

(2)由圖6b，靠近山墻處屋脊測點5(β=0°、9.6°)、70(β=9.6°)風(fēng)壓受罩棚影響較大，其中測點5、70在β=9.6°時風(fēng)壓變化最大，ΔCp5=-0.69，ΔCp70=-0.73。坡角為0°和18.4°時，背風(fēng)屋脊D區(qū)受罩棚影響較大，其中坡角β=0°時，D區(qū)吸力增大，這主要是斜風(fēng)向下，罩棚迎風(fēng)屋面前沿的氣流分離產(chǎn)生的錐狀渦沿著屋檐渦尺寸變大，使得屋面在斜風(fēng)向下受錐狀渦的影響區(qū)域增大，因而該區(qū)域吸力增大。這在抗風(fēng)設(shè)計中應(yīng)引起注意。

(3)由圖6c和6d，屋面角部J區(qū)ΔCp>0,吸力增大且坡角為0°～18.4°時，測點受罩棚影響較大，B區(qū)風(fēng)壓變化隨坡角的增大而減小，其中測點2(β=0°)風(fēng)壓變化最大，ΔCp2= -1.88。

2.2.4 風(fēng)向角為60°工況

風(fēng)向角為60°，通過對單體低矮建筑及罩棚式低矮建筑組合結(jié)構(gòu)屋面局部測點風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)對比分析獲得結(jié)果如圖7a～d所示。

圖7 60°風(fēng)向下屋面局部測點風(fēng)壓系數(shù)差

(1)由圖7a，背風(fēng)屋沿F區(qū)各測點風(fēng)壓系數(shù)變化不大，迎風(fēng)屋沿A區(qū)測點6(β=0°、45°)，測點26(β=18.4°)受罩棚影響較大，β為0°、45°時，測點6的風(fēng)壓系數(shù)差ΔCp6分別為-0.84、0.55(吸力變大)；β為18.4°時，ΔCp26=-0.78。

(2)由圖7b,迎風(fēng)屋脊C區(qū)測點是在坡角β為0°、9.6°時測點10風(fēng)壓變化最大，其風(fēng)壓系數(shù)差ΔCp分別為-0.53、-0.54。背風(fēng)屋脊D區(qū)測點坡角β=0°～18.4°時風(fēng)壓系數(shù)變化較大，其中0°屋面坡角吸力增大，應(yīng)引起注意。

(3)由圖7c和7d，山墻B區(qū)各測點風(fēng)壓隨著坡角的增大受罩棚影響減小，測點2在β=0°、9.6°時，風(fēng)壓變化最大，其風(fēng)壓系數(shù)差ΔCp分別為-1.48、-1.43。屋面角部J區(qū)靠近山墻處測點7吸力增大55%左右，測點9(β=0°)風(fēng)壓受罩棚影響最大，ΔCp9=-0.64。

2.2.5 風(fēng)向角為90°工況

風(fēng)向角為90°，通過對單體低矮建筑及罩棚式低矮建筑組合結(jié)構(gòu)屋面局部測點風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)對比分析獲得結(jié)果如圖8a～d所示。

圖8 90°風(fēng)向下屋面局部測點風(fēng)壓系數(shù)差

由圖8a～d，此風(fēng)向角下，屋面各分區(qū)測點的風(fēng)壓系數(shù)差曲線基本一致，隨屋面坡度變化平緩，其風(fēng)壓系數(shù)差在-0.2～0.2范圍內(nèi)波動，受罩棚影響較小。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)風(fēng)向角為0°時，罩棚對迎風(fēng)屋面屋沿、屋脊、角部區(qū)域的風(fēng)壓影響較大，其中坡角為9.6°時，測點6受罩棚影響最大。背風(fēng)屋面各區(qū)受罩棚影響較小，但背風(fēng)屋脊D區(qū)在坡角β=0°時受罩棚影響較大，這在抗風(fēng)設(shè)計中應(yīng)引起注意。

(2)隨著風(fēng)向角的改變，罩棚對靠山墻B區(qū)和角部J區(qū)影響增大，背風(fēng)屋沿風(fēng)壓受罩棚的影響較小，罩棚對迎風(fēng)屋沿A區(qū)的影響隨屋面坡角的增大呈減小趨勢。45°風(fēng)向角下，0°屋面坡角迎風(fēng)屋沿局部測點受罩棚影響達到最大，當(dāng)坡角為9.6°～45°時，罩棚對迎風(fēng)屋沿的影響在風(fēng)向角為30°時達到最大。這在抗風(fēng)設(shè)計中應(yīng)引起注意。

(3)90°風(fēng)向角下，屋面各分區(qū)測點風(fēng)壓受罩棚的影響達到最小。

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Experimental on Local Wind Load of Low-rise Building Affected by Canopy

DAIYi-min,GAOYang,XULing-bo,JIANGRong-zheng,PENGWang

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China)

Adopting the rigid model of wind tunnel test at a scale of 1:20, the roof local wind load of isolate low-rise building and composite structure of canopy and low rise building were studied at different wind azimuths and roof pitchs. The wind pressure change law of the measuring points which were affected by canopy on the windward eaves, ridge and roof corner of the low-rise building under B landscape were further discussed by using wind pressure coefficients differences in the wind tunnel. The results indicate that the influence of canopy on windward eaves of low-rise building decreases with the increase of the slope pitch, and there has a little influence on the leeward eaves at different wind azimuths. The influence of canopy on the edge of windward gable wall and corner increases with the wind direction changed. The wind pressure coefficient of tap 6 on windward eaves of flat roof (β=0°) varies widely at wind azimuth of 45°, and the wind pressure coefficients differences is -2.01. When the wind azimuth is 90°, the canopy has a little influence on the vulnerable zone of low-rise building with the slope pitch changed.

low-rise building; canopy; local wind load; wind tunnel test; wind pressure coefficient

2016-03-04

2016-05-12

戴益民(1972-)，男，湖南婁底人，教授，博士，研究方向為建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)(Email：dymzzy@163.com)

高 陽(1990-)，男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向為建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)(Email：gaoyang3566@163.com)

國家自然科學(xué)基金(51578237)；湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(S140008)

TU312+.1

A

2095-0985(2016)06-0001-05