全 涌，陳泂翔，楊 淳，2，顧 明

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.華潤(rùn)（上海）房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，上海201802）

城市是人類(lèi)文明的中心，城市化是全球社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)之一。隨著我國(guó)城市化的進(jìn)行，大城市中心區(qū)域建筑的平均高度和建筑密度也隨之上升，城市發(fā)展總體呈現(xiàn)出以大城市為中心、城市規(guī)模不斷擴(kuò)大的情形。城市地貌特征的改變會(huì)引起該區(qū)域下墊面空氣動(dòng)力學(xué)特性的改變，隨之影響其上空的風(fēng)場(chǎng)特性?？茖W(xué)合理地描述風(fēng)場(chǎng)特性，對(duì)風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載確定、結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)分析和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)等意義重大，關(guān)系著工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

研究人員［1-3］已建立了多種地貌特征與風(fēng)場(chǎng)特性之間的聯(lián)系，主要研究了地貌特征參數(shù)（建筑平均高度、建筑迎風(fēng)面面積指數(shù)和建筑迎風(fēng)向?qū)挾鹊龋┡c風(fēng)剖面對(duì)數(shù)律模型中地面粗糙度長(zhǎng)度的關(guān)系；Tieleman［4］指出，在無(wú)障礙開(kāi)放條件下，地面粗糙度長(zhǎng)度z0隨地貌變化產(chǎn)生顯著變化，梯度風(fēng)高度隨著風(fēng)速的增大而增大；Hagishima等［5］研究了地貌特征對(duì)零平面位移zd和拖曳力系數(shù)的影響；Hjelmfelt［6］研究了城市下墊面與非城市下墊面對(duì)大氣邊界層結(jié)構(gòu)的影響。

國(guó)際上通常將地貌類(lèi)別分為海上、鄉(xiāng)村、郊區(qū)和市區(qū)4類(lèi)。其中市區(qū)地貌的相關(guān)參數(shù)主要基于歐美日發(fā)達(dá)國(guó)家普通城市上空風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到。我國(guó)現(xiàn)行荷載規(guī)范也將地面粗糙度類(lèi)型分為A、B、C和D共4類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)海上、鄉(xiāng)村、城市和大城市中心地貌，并參考國(guó)際規(guī)范給定了相關(guān)參數(shù)。但由于我國(guó)人口眾多、土地資源有限，國(guó)內(nèi)大型中心城市的建筑分布形態(tài)與國(guó)外有明顯的差異，其建筑平均高度和建筑密度均遠(yuǎn)大于歐美國(guó)家的普通城市。研究［7-8］表明，規(guī)范給定的D類(lèi)地貌的相關(guān)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的取值有待考證，如地面粗糙度指數(shù)α具有一定保守性，不利于實(shí)現(xiàn)工程安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，相關(guān)問(wèn)題亟待進(jìn)一步研究解決。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)城市地貌上空風(fēng)場(chǎng)特性的研究主要采用實(shí)測(cè)手段，重心多在臺(tái)風(fēng)作用下的低空風(fēng)場(chǎng)，且通常將風(fēng)場(chǎng)特性與地貌特征割裂開(kāi)來(lái)單獨(dú)研究［9-10］，未量化描述地貌特征對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性的影響；風(fēng)洞試驗(yàn)研究中通常采用理想的粗糙元模擬不同地貌［11-12］，但考慮的地貌范圍一般較小，其結(jié)論的普遍性有待考證。

本文用縮尺模型還原了上海市楊浦區(qū)同濟(jì)大學(xué)土木工程館WNW方向上1.8km×8.0km矩形區(qū)域的真實(shí)地貌，通過(guò)改變模型擺放位置，設(shè)計(jì)了不同工況，利用風(fēng)洞試驗(yàn)手段研究了城市地貌特征、地貌起點(diǎn)距觀測(cè)點(diǎn)的距離以及遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)地貌的差異對(duì)良態(tài)強(qiáng)風(fēng)風(fēng)剖面的形成與發(fā)展的影響，分析各因素對(duì)地面粗糙度指數(shù)及梯度風(fēng)高度等的影響程度。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況與地貌特征參數(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與模型

試驗(yàn)于同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞試驗(yàn)段高1.8m、寬1.8m、長(zhǎng)12m。試驗(yàn)參考高度處的風(fēng)速由皮托管和微壓計(jì)來(lái)監(jiān)控測(cè)量；風(fēng)剖面的測(cè)定由自制風(fēng)速管系統(tǒng)和DSM3400電子壓力掃描閥系統(tǒng)完成。

自制風(fēng)速管系統(tǒng)是試驗(yàn)所用的主要設(shè)備之一。它整體上由3根鋼柱焊接在底座組成，在迎風(fēng)面處的豎直鋼柱上由下至上依次布置了一系列的空心鋼針，作為風(fēng)速采集點(diǎn)，各空心鋼針尾端用橡膠管連接到電子壓力掃描閥系統(tǒng)，從而獲得一定風(fēng)速下各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程。

試驗(yàn)前，在2017年1月10日至3月2日期間，于上海市楊浦區(qū)同濟(jì)大學(xué)土木工程館樓頂平臺(tái)應(yīng)用WINDCUBE S100多普勒激光雷達(dá)測(cè)得了該處75m～1 000m高度內(nèi)共計(jì)38h的有效冬季良態(tài)風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。

本試驗(yàn)選取地貌特征變化多樣、實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)較多且實(shí)測(cè)地面粗糙度指數(shù)較大的主導(dǎo)風(fēng)向WNW方向，還原了該方向上8.0km×1.8km范圍內(nèi)的真實(shí)地貌（見(jiàn)圖1），并將其等分成8個(gè)連續(xù)的1.0km×1.8km的地塊，分別記為地塊1～8。地塊5、6和8上的建筑主要是分布稀疏的底面較大的中高層工商業(yè)建筑，其余地塊則以分布密集的底面較小的高層、超高層住宅建筑為主。

將建筑物簡(jiǎn)化為不同尺寸的長(zhǎng)方體，用塑料泡沫制成試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，幾何縮尺比為1：1 000。試驗(yàn)所用部分測(cè)量設(shè)備和模型在風(fēng)洞中擺放的相對(duì)位置如圖2所示。

圖1 WNW方向上8.0km×1.8km范圍內(nèi)的真實(shí)地貌Fig.1 The terrain in the WNW direction within an area of 8.0km×1.8km

圖2 試驗(yàn)部分測(cè)量設(shè)備及模型的布置Fig.2 The arrangement of equipments and models

在模擬區(qū)域上游的來(lái)流入口處，來(lái)流為均勻?qū)恿?。模擬區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)了8m長(zhǎng)的木板用于固定建筑模型，木板上表面與風(fēng)洞地面的高差為15mm。均勻?qū)恿魇茉摳卟畹挠绊?，?huì)產(chǎn)生一定的湍流度并發(fā)展出邊界層。在木板上安置建筑模型前，來(lái)流流過(guò)8m長(zhǎng)木板到達(dá)模擬區(qū)域末端的觀測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，形成的邊界層平均風(fēng)速剖面指數(shù)為0.12，風(fēng)洞0.10m（實(shí)際100m）高度處的湍流度為0.075。

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)置

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了14個(gè)工況，在來(lái)流入口到觀測(cè)點(diǎn)之間，各工況所用到的地塊及其排放順序如圖3所示。其中，工況8為完整的實(shí)際地貌。

圖3 各工況對(duì)應(yīng)的地塊順序Fig.3 The arrangement of blocks corresponding to cases

1.3 地貌特征參數(shù)

本文所指的地貌特征反映的是一定區(qū)域內(nèi)建筑自身的幾何特征、其在空間上的分布特性以及建筑群落與所在場(chǎng)地之間的相互關(guān)系。

表1 各地塊對(duì)應(yīng)的地貌特征參數(shù)Tab.1 Terrain parameters corresponding to blocks

2 風(fēng)場(chǎng)特性影響因素分析

2.1 上游來(lái)流風(fēng)速的影響

圖4給出了不同來(lái)流風(fēng)速下工況8的歸一化平均風(fēng)速剖面。圖4表明，除了2m·s-1和5m·s-1低試驗(yàn)風(fēng)速下的風(fēng)剖面外，其余風(fēng)剖面形狀具有較高的一致性：在60m高度以下，風(fēng)速受地面摩擦力的影響較大，風(fēng)速變化不明顯，且并不滿(mǎn)足指數(shù)律風(fēng)剖面規(guī)律。隨著高度的增加，風(fēng)剖面指數(shù)律的規(guī)律性逐漸明顯，在達(dá)到450m梯度風(fēng)高度后，風(fēng)速已不再變化。由圖4可知，高試驗(yàn)風(fēng)速下的風(fēng)剖面更為穩(wěn)定。故除特別說(shuō)明外，后續(xù)分析均采用15m·s-1高試驗(yàn)風(fēng)速下的數(shù)據(jù)進(jìn)行。

圖4 不同來(lái)流風(fēng)速下的風(fēng)剖面Fig.4 Wind profiles under different wind velocitys

2.2 地貌起點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離的影響

圖5a是以觀測(cè)點(diǎn)500m高度處的風(fēng)速為參考的工況1～8的歸一化平均風(fēng)速剖面。各工況對(duì)應(yīng)的地貌起點(diǎn)距觀測(cè)點(diǎn)的距離L分別為1km、2km、…、8km。由圖5a可知，L對(duì)風(fēng)剖面形狀及梯度風(fēng)高度的影響極大。整體上講，梯度風(fēng)高度Hg隨著L的增大而增大；梯度風(fēng)高度以下，在相同高度處，L越大，風(fēng)速越小。在L≥5km后，風(fēng)剖面形狀隨L的變化程度較小，說(shuō)明地貌起點(diǎn)距觀測(cè)點(diǎn)的距離超過(guò)一定值后，遠(yuǎn)場(chǎng)地貌對(duì)風(fēng)剖面的影響程度會(huì)減弱。由于觀測(cè)點(diǎn)與地塊1水平距離較近，近地面50m高度以下的風(fēng)剖面均未顯示出穩(wěn)定的規(guī)律，其僅反映局部非穩(wěn)定的流場(chǎng)特征。

圖5 各工況的風(fēng)剖面及地面粗糙度指數(shù)Fig.5 Wind profiles and the ground roughness exponents

圖5b給出了以70m為高度下限、不同高度上限情況下擬合得到的各工況下的地面粗糙度指數(shù)α值。整體上講，地面粗糙度指數(shù)主要分布在0.60～0.75以?xún)?nèi)，其隨L的增大基本呈增大趨勢(shì)。對(duì)同一個(gè)工況而言，在梯度風(fēng)高度以?xún)?nèi)，α隨著擬合高度上限的增加而減小。

各工況的梯度風(fēng)高度Hg及各工況在70m至梯度風(fēng)高度區(qū)間內(nèi)的地面粗糙度指數(shù)擬合值見(jiàn)表2，擬合值均遠(yuǎn)大于建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范給定的D類(lèi)地貌的地面粗糙度指數(shù)0.30。

表2 各工況梯度風(fēng)高度及地面粗糙度指數(shù)擬合值Tab.2 Gradient wind height and fitted values of ground roughness exponent

2.3 地貌特征的影響

為研究地貌特征的影響，設(shè)置了3個(gè)工況組。工況組Ⅰ：工況2、9和14；工況組Ⅱ：工況3和13；工況組Ⅲ：工況4、10和12。對(duì)應(yīng)的地貌起點(diǎn)距觀測(cè)點(diǎn)的距離L分別為2km、3km和4km。表3是這3個(gè)工況組對(duì)應(yīng)的地貌特征參數(shù)。

圖6是以觀測(cè)點(diǎn)500m高度處的風(fēng)速為參考的各工況組的歸一化風(fēng)剖面。由圖6a可知，在相同的L下，工況2由于3個(gè)地貌特征參數(shù)均較大，其風(fēng)剖面形狀與另2個(gè)工況差異極大，在近地面附近尤其明顯。工況9和14的地貌特征參數(shù)值雖然一致，其風(fēng)剖面形狀總體上卻存在細(xì)微差異，且近地面局部風(fēng)剖面形狀存在明顯差異，后者可能是由于觀測(cè)點(diǎn)位于不同建筑的尾流影響區(qū)域引起的。

表3 不同工況對(duì)應(yīng)的地貌特征參數(shù)Tab.3 Terrain parameters corresponding to cases

此外，工況9和工況14風(fēng)剖面的變化趨勢(shì)在120m高度處均發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是，L較小時(shí)，來(lái)流發(fā)展不充分，地貌對(duì)風(fēng)剖面的影響僅反映在其高度較低的區(qū)段［13］，高度較高區(qū)段上的風(fēng)剖面還未受到影響。

由圖6b可知，工況3和工況13的地貌特征參數(shù)的差異導(dǎo)致二者風(fēng)剖面差異較大。對(duì)比工況13與工況組Ⅰ中的工況14，在L增大1km后，風(fēng)剖面形狀的變化已不再表現(xiàn)出分段特征。

表4給出了不同高度區(qū)間內(nèi)各工況的地面粗糙度指數(shù)α的擬合值?？v觀3個(gè)工況組內(nèi)α值最大的工況2、3和4，發(fā)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的地貌特征參數(shù)均是同組內(nèi)最大的，證明地貌特征參數(shù)的大小對(duì)地面粗糙度指數(shù)有極大的影響。

圖6 各工況組的歸一化平均風(fēng)剖面Fig.6 Normalized mean wind profiles corresponding to cases

表4 不同高度區(qū)間內(nèi)各工況的地面粗糙度指數(shù)Tab.4 Ground roughness exponents in different height interval

工況組Ⅲ中，工況10和工況12是由地塊5～8順序和逆序排列形成的。整體上講，地塊5～8的建筑密度及平均高度變化不大，而迎風(fēng)面面積指數(shù)呈遞增趨勢(shì)，因此二者風(fēng)剖面的差異能反映該參數(shù)變化趨勢(shì)不同引起的影響。由表4可知，工況12的地面粗糙度指數(shù)比工況10的相應(yīng)值大15.38%.說(shuō)明在相同的地貌參數(shù)下，迎風(fēng)面面積指數(shù)較大的地塊處于近場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)同一地點(diǎn)的地面粗糙度指數(shù)有影響。因此，地貌的變化趨勢(shì)也是影響風(fēng)剖面的因素，較粗糙的地貌處于近場(chǎng)時(shí)，地面粗糙度指數(shù)比其位于遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)有所增大。

2.4 風(fēng)剖面的發(fā)展變化過(guò)程

圖7給出了工況9、10、11和工況8下的平均風(fēng)剖面，各工況對(duì)應(yīng)的地貌起點(diǎn)距觀測(cè)點(diǎn)的距離L分別為2km、4km、6km和8km。圖7反映了來(lái)流從入口出發(fā)每經(jīng)過(guò)2km長(zhǎng)度的地貌后平均風(fēng)剖面和梯度風(fēng)高度的變化。

可以明顯地看出梯度風(fēng)高度在不斷上升，各位置的風(fēng)剖面形狀都有所不同。相比于工況10（L=4km），工況11（L=6km）在觀測(cè)點(diǎn)近場(chǎng)新增了地塊3和地塊4，這2個(gè)地塊的迎風(fēng)面指數(shù)較工況10中地塊的相應(yīng)值突增了50%，因此工況10中100m高度以下已發(fā)展穩(wěn)定的風(fēng)剖面規(guī)律遭到了擾動(dòng)，該擾動(dòng)在來(lái)流再次經(jīng)過(guò)2km后才有所平緩。

圖7 平均風(fēng)剖面和梯度風(fēng)高度的發(fā)展變化過(guò)程Fig.7 The developing of mean wind profile and gradient wind height

3 結(jié)論

在風(fēng)洞中模擬了上海市中心某一區(qū)域內(nèi)的真實(shí)城市地貌，研究了來(lái)流風(fēng)速、地貌起點(diǎn)到觀測(cè)點(diǎn)的距離、地貌特征及其變化趨勢(shì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性的影響。量化描述了上述因素對(duì)梯度風(fēng)高度、平均風(fēng)速剖面形狀以及地面粗糙度指數(shù)的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）隨著來(lái)流風(fēng)速的增大，平均風(fēng)速剖面指數(shù)規(guī)律性逐漸明顯，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的指數(shù)律規(guī)律。

（2）地貌起點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離L對(duì)梯度風(fēng)高度及地面粗糙度指數(shù)的影響極大。整體上講，二者隨L的增大而增大；L增大到一定程度后，更遠(yuǎn)的地貌對(duì)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)剖面的影響會(huì)消失。

（3）研究區(qū)域內(nèi)70m至梯度風(fēng)高度范圍內(nèi)的地面粗糙度指數(shù)在0.50～0.75之間，荷載規(guī)范中D類(lèi)地貌的規(guī)定值0.30遠(yuǎn)小于上述值，這會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。

（5）地貌特征對(duì)平均風(fēng)速剖面形狀和地面粗糙度指數(shù)的影響較大。即使場(chǎng)地的地貌特征參數(shù)和地貌范圍相同，觀測(cè)點(diǎn)附近地貌與遠(yuǎn)端地貌的差異及地貌特征的變化趨勢(shì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性仍存在影響。粗糙地貌處于觀測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，比其位于觀測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)端時(shí)對(duì)地面粗糙度指數(shù)的影響更大。

（6）在平均風(fēng)速剖面的發(fā)展變化過(guò)程中，梯度風(fēng)高度處于不斷升高中，地貌特征的變化會(huì)體現(xiàn)在平均風(fēng)速剖面形狀上。