李秋勝　李建成

摘要：基于熱帶風暴“彩虹”中采集的高分辨率風速風向和雙坡低矮房屋屋面風壓數(shù)據(jù)，研究了臺風天氣下來流垂直于屋脊線時豎向風攻角對雙坡低矮房屋屋面風壓的影響。結(jié)果表明：來流垂直屋脊線時，屋面特殊風壓系數(shù)與來流豎向風攻角之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。測點特殊風壓系數(shù)受來流豎向風攻角的影響程度隨著測點距迎風前緣距離的增加而減小。另外，受屋脊的影響，雙坡屋面背風面距離屋脊較近的區(qū)域受來流豎向風攻角的影響程度會有一定程度的增強。來流豎向風攻角可能是造成雙坡屋面迎風前緣及背風面屋脊附近風壓系數(shù)實驗值與實測結(jié)果差異較大的主要原因之一，在進行風洞試驗模擬時，應考慮來流豎向風攻角的影響。

關(guān)鍵詞：豎向風攻角；低矮房屋；風壓；熱帶氣旋

中圖分類號：TU973.32 文獻標識碼：A

臺風風致災害是最主要的自然災害之一，我國地處西太平洋海岸，是世界上受臺風影響最為嚴重的國家之一。災后調(diào)查顯示，風災中損毀的絕大多數(shù)建筑為低矮房屋，其主要破壞形式為屋面外覆構(gòu)件的局部損壞，如屋面角部、屋檐和屋脊附近區(qū)域。在我國東南沿海地區(qū)，雙坡屋面低矮房屋是居民住房的主要建筑形式之一，開展該類型低矮房屋在臺風作用下的實測研究具有重要意義。

近40年來，關(guān)于低矮房屋風致風壓，國內(nèi)外學者開展了大量的實測研究，其中比較著名的有英國的艾爾斯伯里實驗房、西爾斯框架結(jié)構(gòu)實驗房（SSB）、美國德克薩斯理工大學實驗房（TTU）以及國內(nèi)的湖南大學臺風實測房（工期平坡實測房和Ⅱ期雙坡實測房）和同濟大學變坡實測房、大量的實測結(jié)果與風洞試驗結(jié)果對比顯示，低矮房屋屋面迎風前緣、屋面角部區(qū)域以及雙坡屋面屋脊附近風壓實測值與風洞試驗結(jié)果差異較大，風洞試驗低估了這些區(qū)域的峰值風壓和脈動風壓。目前，國內(nèi)外學者認為在低速風洞中難以準確模擬雷諾數(shù)相似條件和近地面層風場特性是造成這種偏差的主要原因。

風洞試驗中模擬的風場一般不考慮豎向風攻角，但實際環(huán)境中，由于風自身結(jié)構(gòu)或者周邊地形的影響，風具有一定的豎向風攻角，豎向風攻角的存在會加劇來流在屋面迎風前緣的分離效應，對屋面風壓產(chǎn)生不利影響。但國內(nèi)外關(guān)于豎向風攻角對屋面風壓影響的研究很少，Letchford等設(shè)計了一個可以沿對角線縱向旋轉(zhuǎn)的平坡低矮房屋試驗模型，通過改變模型的旋轉(zhuǎn)角度來模擬不同的來流豎向風攻角，以評估來流平均豎向風攻角對錐形渦作用范圍內(nèi)風壓特性的影響程度，結(jié)果表明在使用準定常理論預測屋面角部風壓時，引入豎向風攻角可以減小風洞試驗結(jié)果與實測結(jié)果的誤差。Wu等基于TTU的實測數(shù)據(jù)分析了豎向風攻角對屋面角部風壓系數(shù)的影響，其研究結(jié)果表明豎向風攻角對錐形渦的形成和發(fā)展有非常大的影響，低矮房屋設(shè)計中不能忽視豎向風攻角的影響。

鑒于目前關(guān)于豎向風攻角對低矮房屋屋面風壓影響的研究較少，且多是針對平坡屋面低矮房屋的研究，本文基于在熱帶風暴“彩虹”中采集的高分辨率近地面風速風向數(shù)據(jù)和雙坡低矮房屋屋面風壓數(shù)據(jù)，分析了來流垂直于屋脊線這一工況下，豎向風攻角對雙坡低矮房屋屋面風壓的影響規(guī)律。本文研究結(jié)果可為改進現(xiàn)有風洞試驗模擬技術(shù)提供參考。

1監(jiān)測系統(tǒng)及熱帶風暴“彩虹”介紹

1.1監(jiān)測系統(tǒng)介紹

本文數(shù)據(jù)來自湖南大學臺風監(jiān)測系統(tǒng)Ⅱ期工程，該監(jiān)測系統(tǒng)位于海南省文昌市錦山鎮(zhèn)某臨海位置，由一棟雙坡屋面低矮房屋和一座10m高氣象監(jiān)測塔組成，如圖1所示。房屋尺寸為12.32 m×6.0 m×3.2 m（長×寬×高），屋面坡角為11.3°，四臺二維機械式風速儀（RM Young 05106）分別安裝在氣象監(jiān)測塔的3.2，5.0，7.5，10.0 m高處；另外，一臺超聲風速儀（GillWind Master Pro）和一臺三維機械式風速儀（Model20075 Gill UVW）分別安裝在10.0 m和3.2 m高度處。觀測點周圍地貌及儀器技術(shù)參數(shù)詳見文獻。文中所用數(shù)據(jù)采樣頻率均為20 Hz。

1.2熱帶風暴彩虹介紹

熱帶氣旋彩虹（國際編號0913）于2009年9月9日在南海中部形成，之后向西北移動，橫過南海北部，并于9月10日增強為熱帶風暴，9月11日凌晨，彩虹達到其最高強度，中心附近最高風速約為75 km/h，并橫過海南島北部，進入北部灣海域，9月12日早上彩虹在越南北部登陸，并減弱為熱帶低氣壓。熱帶風暴“彩虹”中心距實測房最近直線距離約為38 km，其路徑如圖2所示。

實測系統(tǒng)同步采集了熱帶風暴彩虹影響實測地點時的風速風向和屋面風壓數(shù)據(jù)。本文設(shè)定風速閾值為10 m/s，即僅選擇10 min平均風速大于10 m/s的風速數(shù)據(jù)以及對應的風向和風壓數(shù)據(jù)。經(jīng)過篩選，最終選擇了時長為4 h的實測數(shù)據(jù)作為分析樣本。圖3（a）（b）分別給出了3.2，5.0，7.5，10.0 m高度處的10 min平均風速時程和平均風向時程。由圖可知，4個高度處之間風速和風向數(shù)據(jù)體現(xiàn)了很好的一致性，說明了風速風向數(shù)據(jù)的可靠性。圖3（c）給出了3.2 m高度處的3 s平均豎向風攻角時程。

2數(shù)據(jù)處理方法

2.1數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

臺風登陸過程中的實測風速常伴有非平穩(wěn)過程，對臺風脈動特性進行分析時，需經(jīng)過平穩(wěn)性檢驗，否則會導致平穩(wěn)隨機序列統(tǒng)計樣本參數(shù)出現(xiàn)誤差。選取10 min為參考時距，即時長為10 min的數(shù)據(jù)為1個樣本單元，采用逆序法分別對全部數(shù)據(jù)中的每個樣本單元進行平穩(wěn)性檢驗，選取滿足95%置信水平條件的平穩(wěn)過程樣本用于分析。

2.2定義特殊風壓系數(shù)

風工程中常用的風壓系數(shù)（本文稱為傳統(tǒng)風壓系數(shù)）為風壓與參考高度處某一指定時距（通常為10min）下的平均動風壓的比值：

（1）式中：C_p為傳統(tǒng)風壓系數(shù)；p為平均風壓；ρ為空氣密度；v為參考高度處的平均風速。

由式（1）可知，傳統(tǒng)風壓系數(shù)對風速的變化很敏感。由于自然界中的風是變化無常的，因此在計算平均風速時，起始時間以及持續(xù)時距均會對平均風速的大小產(chǎn)生影響，進而影響風壓系數(shù)。為了減弱風速對風壓系數(shù)的影響，Zhao以在測點正上方采集到的瞬時速度壓為參考動壓定義了一種瞬時風壓系數(shù)。這種瞬時風壓系數(shù)能有效地減弱風速脈動對風壓系數(shù)的影響，更好地反映水平風向角和豎向風攻角對風壓系數(shù)的影響規(guī)律。

本文實測系統(tǒng)中，風速儀未安裝在測點正上方，而是安裝在位于實驗房北面，距其6.0 m處的氣象塔上，故直接使用瞬時風壓系數(shù)方法是不準確的。王云杰證明了當參考時距很短時，風速可認為是穩(wěn)定的，故可以通過使用短時距內(nèi)的平均速度壓作為參考動壓，以達到瞬時風壓系數(shù)的效果。本文選用3s作為參考時距，定義特殊風壓系數(shù)：

（2）式中：C^'_p為特殊風壓系數(shù)；τ為參考時距，本文取3s；p（τ）為參考時距內(nèi)的平均風壓；v（τ）為參考高度處（3.2 m，屋面平均高度）的平均風速。

2.3解耦豎向風攻角和水平風向角

雖然特殊風壓系數(shù)已經(jīng)減弱了風速脈動的影響，但其依然同時受到豎向風攻角和水平風向角的影響。因此，若想單獨分析豎向風攻角對風壓的影響，必須將豎向風攻角和水平風向角的影響進行解耦。將3 s平均水平風向角、平均豎向風攻角和各個測點處的特殊風壓系數(shù)，按照水平風向角進行排序，可以得到某一水平風向角下特殊風壓系數(shù)隨豎向風攻角的變化規(guī)律；同理，若按豎向風攻角進行排序，可以得到某一豎向風攻角下特殊風壓系數(shù)隨水平風向角的變化規(guī)律。

3結(jié)果分析

3.190°風向角下豎向風攻角對風壓的影響

本文定義風平行屋脊線吹向?qū)嶒灧繛?°風向角，按順時針增加。選擇關(guān)于中軸線對稱的兩列測點作為分析對象，如圖4所示。

圖5給出了90°水平風向角下，各測點特殊風壓系數(shù)隨來流豎向風攻角的變化規(guī)律。由于房屋沿中軸線對稱，若假設(shè)來流風在房屋尺度范圍內(nèi)沿水平方向完全相關(guān)，則理論上關(guān)于中軸線對稱的一對測點風壓系數(shù)應該完全一致。由圖5可知，關(guān)于中軸線對稱的每一對測點的特殊風壓系數(shù)均體現(xiàn)了很好的一致性，說明了本次實測風壓數(shù)據(jù)的可靠性。

由圖5可以看出每一對測點的特殊風壓系數(shù)與來流豎向風攻角之間均體現(xiàn)了明顯的線性關(guān)系。為了評估不同位置測點風壓受來流豎向風攻角的影響程度，對每對測點特殊風壓系數(shù)與豎向風攻角之間的關(guān)系進行了線性擬合，并以擬合直線的斜率來表征測點風壓受來流豎向風攻角的影響程度。擬合直線斜率絕對值越大表示該對測點風壓受來流豎向風攻角的影響越強烈。

圖6給出了擬合直線斜率與測點位置之間的關(guān)系。由圖6可知，整體上擬合直線斜率絕對值隨測點距迎風前緣距離的增加而減小，表明距離迎風前緣越遠的屋面區(qū)域受來流豎向風攻角的影響越小。但屋面背風面距離屋脊最近的一對測點受來流豎向風攻角的影響程度突然增大，說明雙坡屋面房屋屋面風壓受屋脊的影響，屋面背風面距離屋脊較近的區(qū)域受來流豎向風攻角的影響程度會有一定程度的增強。另外，屋面迎風前緣位置測點風壓系數(shù)受來流豎向風攻角影響程度遠大于其余測點，說明迎風前緣位置是受來流豎向風攻角影響最強烈的區(qū)域。大量風洞試驗結(jié)果與實測結(jié)果的對比顯示，90°風向角下，迎風前緣及背風面屋脊附近區(qū)域的風壓系數(shù)實驗值與實測結(jié)果差異較大。由于風洞試驗中未模擬豎向風攻角的影響，所以來流豎向風攻角可能是造成這種差異的原因之一。

3.24°和10°豎向風攻角下的特殊風壓系數(shù)對比

為了進一步說明來流豎向風攻角對屋面風壓的影響，圖7給出了4°和10°兩種豎向風攻角下每對測點實測特殊風壓系數(shù)與水平風向角（80°～120°）之間的關(guān)系。之所以選擇4°和10°豎向風攻角作為分析對象，是因為這兩種攻角下各測點具有足夠的數(shù)據(jù)量，同時又能保證足夠的攻角差，從而能更明顯地體現(xiàn)豎向風攻角對屋面風壓的影響程度。

另外，對受豎向風攻角影響較大的4對測點，圖中給出了其風洞試驗結(jié)果。試驗是在湖南大學建筑與環(huán)境風洞實驗室開展的（詳見文獻），采樣頻率為520 Hz，每個樣本的采樣時長為115 s。模型縮尺比為1：20，根據(jù)實測3.2 m高度處總平均風速和實驗室內(nèi)16 cm處的平均風速計算得到風速比為1：2.15，根據(jù)斯托羅哈數(shù)相似可得時間比為1：9.3，則實測3 s時長對應風洞中的0.32 s時長。對每個樣本進行0.32 s滑動平均，之后計算0.32 s平均值的總體平均值和標準差，如圖7所示°

10°豎向風攻角下，位于迎風前緣區(qū)域的測點50606和50509的特殊風壓系數(shù)絕對值在80°～120°風向角間均明顯大于4°豎向風攻角下的特殊風壓系數(shù)絕對值，尤其是90°和120°風向角附近，這種差異更為明顯，這主要是因為90°風向角時，豎向風攻角的存在加劇了來流在迎風前緣處的分離；而120°風向角下，豎向風攻角的存在影響了錐形渦的強度，這與Wu在平坡屋面上得到的結(jié)果相似。測點50506和50509以及測點50406和50409，在10°豎向風攻角下的特殊風壓系數(shù)絕對值略大于4°攻角下的值。屋面背風面靠近屋脊附近測點50306和50309的特殊風壓系數(shù)在90°和120°水平風向角附近這種差異較為明顯，而在其余風向角下，豎向風攻角的影響有限。屋面背風面測點50206和50209以及測點50106和50109的特殊風壓系數(shù)值在2種豎向風攻角下幾乎沒有差異，表明豎向風攻角對屋面背風面且遠離屋脊的區(qū)域幾乎沒有影響，可以不予考慮。

另外，風洞試驗結(jié)果與4°風攻角下的實測特殊風壓系數(shù)之間的差異明顯小于10°風攻角下二者之間的差異，說明豎向風攻角的增大加劇了實測與實驗結(jié)果的差。

4結(jié)論

本文基于在熱帶風暴“彩虹”中采集的高分辨率風速風向及低矮雙坡房屋屋面風壓數(shù)據(jù)，研究了臺風天氣中，來流垂直低矮雙坡房屋屋脊線工況下豎向風攻角對屋面風壓的影響規(guī)律。得到如下結(jié)果：

1）來流垂直于屋脊線時，屋面特殊風壓系數(shù)與來流豎向風攻角之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。

2）屋面迎風前緣處特殊風壓系數(shù)受來流豎向風攻角的影響程度最強烈，隨著測點距迎風前緣距離的增加，測點特殊風壓系數(shù)的受影響程度遞減，在背風面且距屋脊較遠的區(qū)域可忽略豎向風攻角的影響。但雙坡屋面房屋屋面風壓受屋脊的影響，屋面背風面距離屋脊較近的區(qū)域受來流豎向風攻角的影響程度會有一定程度的增強。

3）來流豎向風攻角可能是造成雙坡屋面迎風前緣及背風面屋脊附近風壓系數(shù)實驗值與實測結(jié)果差異較大的原因之一。