陳 勝，黃 鵬，顧 明

（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）

在臺(tái)風(fēng)等風(fēng)災(zāi)破壞中，當(dāng)風(fēng)致碎片沖擊并損壞建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以后，原本處于封閉狀態(tài)的建筑將會(huì)產(chǎn)生開(kāi)孔，從而導(dǎo)致建筑內(nèi)部風(fēng)壓突然增大，對(duì)開(kāi)孔建筑的安全性造成巨大的威脅［1-2］。因此，在開(kāi)孔建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，建筑內(nèi)部風(fēng)壓的取值是保證建筑抗風(fēng)安全性重要的一部分。開(kāi)孔建筑的風(fēng)致內(nèi)壓響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，有很多因素都會(huì)導(dǎo)致開(kāi)孔建筑內(nèi)壓發(fā)生變化，例如建筑周邊地貌環(huán)境、開(kāi)孔的位置和大小、建筑背景孔隙率和結(jié)構(gòu)的柔度等［3-5］。但是在實(shí)際建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，建筑物的外形、背景孔隙率以及柔度等特性區(qū)別較大，很難將所有因素對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓的影響都考慮在內(nèi)。特別是對(duì)于風(fēng)荷載規(guī)范，由于其需要廣泛的適用性，故應(yīng)在對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)取值時(shí)考慮最主要的影響因素。

目前世界上各個(gè)國(guó)家的風(fēng)荷載規(guī)范對(duì)開(kāi)孔建筑風(fēng)致內(nèi)壓取值的規(guī)定有較大的不同。日本建筑學(xué)會(huì)在本國(guó)規(guī)范［6］中指出，開(kāi)孔建筑內(nèi)壓的計(jì)算必須考慮開(kāi)孔在墻面上的大小，但其只定義了封閉建筑的內(nèi)壓系數(shù)，取值為0或-0.4。我國(guó)在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［7］中不僅定義了封閉建筑的內(nèi)壓系數(shù)，還根據(jù)開(kāi)孔率的大小定義了開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓系數(shù)。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)提出的ASCE7-16規(guī)范［8］將建筑分成封閉式和開(kāi)敞式等不同類型，并根據(jù)建筑類型給出了相應(yīng)的內(nèi)壓系數(shù)。澳大利亞/新西蘭AS/NZS 1170.2：2011規(guī)范［9］對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的定義最為詳細(xì)，不僅給出了建筑迎風(fēng)面開(kāi)孔時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)，還定義了開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面和屋面時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)。需要說(shuō)明的是，各國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范中定義的內(nèi)壓系數(shù)均為開(kāi)孔建筑內(nèi)部風(fēng)壓的平均值。

本文首先通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)開(kāi)孔低矮房屋模型的內(nèi)壓響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量，討論了開(kāi)孔孔口周邊的外部風(fēng)壓、風(fēng)向角、風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度和開(kāi)孔率對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓均值響應(yīng)的影響，并從時(shí)程和功率譜兩方面分析了開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)壓與開(kāi)孔孔口周邊外壓的相關(guān)性。然后將風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外具有代表性的3種風(fēng)荷載規(guī)范：我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、美國(guó)規(guī)范ASCE7-16規(guī)范以及澳大利亞/新西蘭規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011進(jìn)行了對(duì)比。最后對(duì)這3種規(guī)范在開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)取值方面的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析了它們各自的優(yōu)勢(shì)和不足之處。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置

開(kāi)孔建筑內(nèi)壓響應(yīng)試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞完成，TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞是一個(gè)閉口回流式矩形截面風(fēng)洞。在開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓研究中，美國(guó)德州理工大學(xué)風(fēng)工程研究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室的TTU（Texas Tech University）建筑模型具有較廣泛的應(yīng)用［10］，許多研究人員均以此建筑為原型進(jìn)行開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致內(nèi)壓研究［11-12］，因此本文也采用TTU模型作為建筑原型進(jìn)行剛性風(fēng)洞試驗(yàn)研究。試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)548 mm，寬364 mm，高160 mm，縮尺比為1：25，如圖1。該模型采用雙層有機(jī)玻璃板制作而成，將測(cè)壓管線布置在雙層板中間，減小了在來(lái)流作用下測(cè)壓管對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的干擾。雙層板板厚為10 mm，因此模型內(nèi)部長(zhǎng)528 mm，寬344 mm，高150 mm，內(nèi)部容積為0.027 m3。主開(kāi)孔布置在模型的迎風(fēng)面上，可通過(guò)拆卸并更換不同的迎風(fēng)面來(lái)模擬不同面積大小的開(kāi)孔。風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)向角以來(lái)流垂直于開(kāi)孔墻面為0°，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎L(fēng)向角，如圖2所示。根據(jù)對(duì)稱性，試驗(yàn)風(fēng)向角范圍取為0°到180°，間隔為10°。

圖1 TTU剛性測(cè)壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 TTU rigid test building model

圖2 風(fēng)向角定義Fig.2 Definition of wind direction

在屋面布置了20個(gè)內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)，左右墻面各布置了15個(gè)內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)，背風(fēng)面布置了12個(gè)內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)，迎風(fēng)面根據(jù)開(kāi)孔大小的不同布置了22或20個(gè)內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)。其中位于開(kāi)孔孔口周邊的8個(gè)測(cè)點(diǎn)為內(nèi)外壓雙面測(cè)點(diǎn)，目的是為了分析孔口周邊的外部風(fēng)壓與開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的相關(guān)性，內(nèi)外風(fēng)壓滿足同步測(cè)量的要求，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。為了研究開(kāi)孔面積（開(kāi)孔率）對(duì)內(nèi)壓響應(yīng)的影響，設(shè)置了4種位于迎風(fēng)面正中心、面積不同的方形開(kāi)孔，其邊長(zhǎng)分別為31、53、68和81 mm，對(duì)應(yīng)的開(kāi)孔率（開(kāi)孔面積與開(kāi)孔墻面面積之比）分別為0.017、0.048、0.079和0.112。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of pressure taps

1.2 風(fēng)場(chǎng)模擬

試驗(yàn)采用被動(dòng)模擬的方法實(shí)現(xiàn)所需風(fēng)場(chǎng)的模擬，為了研究湍流強(qiáng)度對(duì)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壓響應(yīng)的影響，需保證模型開(kāi)孔處范圍內(nèi)的湍流強(qiáng)度一致，因此模擬的風(fēng)場(chǎng)需為均勻湍流場(chǎng)。此外，為了消除地面邊界層對(duì)均勻湍流場(chǎng)的影響，試驗(yàn)設(shè)置了一個(gè)高20 cm、直徑100 cm的圓形試驗(yàn)平臺(tái)（如圖1所示），將模型從地面抬高20 cm，從而確保模型開(kāi)孔處范圍內(nèi)的湍流場(chǎng)是均勻的。圖4為從圓形試驗(yàn)平臺(tái)表面開(kāi)始算起風(fēng)洞試驗(yàn)中模擬的3種均勻風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面和開(kāi)孔中心高度處的風(fēng)速功率譜，模型迎風(fēng)面開(kāi)孔處的風(fēng)速均保持為10 m·s-1。圖中，參數(shù)n為頻率，Su（n）為風(fēng)速功率譜函數(shù)，σ2為風(fēng)速方差，Lu為湍流積分尺度，U為風(fēng)速均值。從圖中可知，在模型最大開(kāi)孔高度范圍4～12 cm內(nèi)，平均風(fēng)速和湍流度均相差不大，在此范圍內(nèi)風(fēng)場(chǎng)1、2、3的湍流強(qiáng)度分別約為0.014、0.094和0.176，均滿足均勻風(fēng)場(chǎng)的要求，且試驗(yàn)風(fēng)速功率譜與Karman譜吻合良好。

圖4 各風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速剖面、湍流度剖面及風(fēng)速功率譜Fig.4 Profiles of mean wind speed and turbulence intensity,and wind speed spectra for three wind fields

風(fēng)壓測(cè)量采用Scanivalve電子壓力掃描閥系統(tǒng)，采樣頻率為312.5 Hz，采樣時(shí)間設(shè)置為28.8 s，即每個(gè)測(cè)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)為9 000個(gè)。由于試驗(yàn)風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速比為1：1，模型縮尺比為1：25，根據(jù)相似定律，28.8 s采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)的實(shí)際采樣時(shí)間為12 min，大于10 min，滿足規(guī)范要求［7］。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 內(nèi)壓與孔口周邊外壓的相關(guān)性

2.1.1 內(nèi)外壓隨風(fēng)向角變化

圖5為開(kāi)孔周邊外部風(fēng)壓系數(shù)和開(kāi)孔模型內(nèi)部風(fēng)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線，開(kāi)孔孔口尺寸為53 mm×53 mm（開(kāi)孔率0.048）。需要說(shuō)明的是，在對(duì)內(nèi)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前，首先對(duì)內(nèi)壓在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同位置處的空間分布特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明不論在正風(fēng)向還是斜風(fēng)向下，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的平均和脈動(dòng)內(nèi)壓均具有較好的空間相關(guān)性，即在開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部均勻分布。因此，數(shù)據(jù)處理中將采用所有內(nèi)壓測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值代表開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壓響應(yīng)的大小，而孔口周邊外壓系數(shù)也均為所有外壓測(cè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)的平均值。由圖可見(jiàn)，不論在哪個(gè)風(fēng)向角下，該開(kāi)孔尺寸的內(nèi)壓響應(yīng)大小與孔口周邊的外部風(fēng)壓都非常接近，外壓只比內(nèi)壓稍大一些。當(dāng)風(fēng)向角大于60°以后，內(nèi)外壓系數(shù)均開(kāi)始由正值（壓力）變成負(fù)值（吸力）。因此，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)平均內(nèi)壓系數(shù)的大小需要根據(jù)開(kāi)孔孔口周邊外壓系數(shù)的大小來(lái)確定，后文的規(guī)范對(duì)比將對(duì)此進(jìn)行相關(guān)的討論。

圖5 平均外壓和內(nèi)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化Fig.5 Mean external and internal pressure coefficients as a function of wind direction

2.1.2 內(nèi)外壓響應(yīng)時(shí)程相關(guān)性

圖6對(duì)比了開(kāi)孔尺寸為53 mm×53 mm的模型，在0°正風(fēng)向角和70°斜風(fēng)向角下的內(nèi)壓系數(shù)與孔口周邊外壓系數(shù)的時(shí)程變化曲線。由圖可見(jiàn)，無(wú)論在0°還是70°風(fēng)向角下，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓響應(yīng)與孔口周邊外壓響應(yīng)在時(shí)程上均具有高度的同步性，且不會(huì)受到風(fēng)向角的影響。

圖6 孔口周邊外壓系數(shù)與內(nèi)壓系數(shù)時(shí)程曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of time histories of external pressure coefficient around orifice and internal pressure coefficient

2.1.3 內(nèi)外壓響應(yīng)功率譜相關(guān)性

為了進(jìn)一步分析開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壓動(dòng)力響應(yīng)的特性及其與孔口周邊外壓響應(yīng)之間的關(guān)系，圖7對(duì)比了在0°正風(fēng)向角和70°斜風(fēng)向角下，開(kāi)孔尺寸為53 mm×53 mm時(shí)模型內(nèi)外壓系數(shù)的功率譜曲線。從圖中可以看出，雖然內(nèi)外壓響應(yīng)功率譜的同步性沒(méi)有內(nèi)外壓響應(yīng)時(shí)程的同步性那么高，但是在0°正風(fēng)向角下仍然表現(xiàn)出了一定的相關(guān)性，并且彼此之間相差不大。而在70°斜風(fēng)向角下，內(nèi)外壓系數(shù)功率譜函數(shù)則有很大的區(qū)別，尤其是在內(nèi)壓功率譜函數(shù)曲線上，出現(xiàn)了2個(gè)共振峰，內(nèi)壓系數(shù)功率譜在這2個(gè)共振峰的頻率附近明顯大于外壓系數(shù)功率譜。根據(jù)相關(guān)研究的結(jié)論，這2個(gè)共振峰可能是由于斜風(fēng)剪切流在孔口處產(chǎn)生的漩渦脫落與內(nèi)壓Helmholtz共振導(dǎo)致的［13-15］。

為了更直觀地對(duì)比內(nèi)外風(fēng)壓系數(shù)功率譜函數(shù)的大小，將內(nèi)壓系數(shù)功率譜與外壓系數(shù)功率譜的比值定義為內(nèi)壓導(dǎo)納，并將0°正風(fēng)向角和70°斜風(fēng)向角的開(kāi)孔模型內(nèi)壓導(dǎo)納曲線繪于圖8中。由圖可見(jiàn)，在0°正風(fēng)向角下，總體上內(nèi)外壓系數(shù)功率譜相差不大，內(nèi)壓導(dǎo)納的值基本在1左右的范圍內(nèi)波動(dòng)。但是在70°斜風(fēng)向角下，內(nèi)壓導(dǎo)納波動(dòng)很大并且也出現(xiàn)了2個(gè)明顯的峰值，其最大值甚至超過(guò)了10，這意味著內(nèi)壓系數(shù)功率譜可能比外壓系數(shù)功率譜大10倍以上。因此，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓響應(yīng)在功率譜上與孔口周邊外壓在斜風(fēng)向角下存在很大的差異。

圖8 內(nèi)壓系數(shù)導(dǎo)納曲線Fig.8 Admittance curves of internal pressure coefficient

2.2 湍流強(qiáng)度的影響

建筑物周邊不同類型的地貌會(huì)導(dǎo)致來(lái)流湍流強(qiáng)度發(fā)生很大的變化，對(duì)開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓響應(yīng)具有不可忽略的影響。圖9為來(lái)流風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，邊長(zhǎng)53 mm的方形中心開(kāi)孔結(jié)構(gòu)在3種不同湍流度的均勻湍流風(fēng)場(chǎng)中平均內(nèi)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線。由圖可見(jiàn)，在同一風(fēng)向角下，湍流度越大，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的平均內(nèi)壓系數(shù)越大，這意味著較大的湍流度將會(huì)增強(qiáng)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓均值響應(yīng)。此外不論來(lái)流湍流度多大，平均內(nèi)壓系數(shù)的最大正值均出現(xiàn)在0°風(fēng)向角時(shí)，即開(kāi)孔墻面垂直于來(lái)流方向。但是平均內(nèi)壓系數(shù)的最大負(fù)值出現(xiàn)在90°風(fēng)向角下，即開(kāi)孔墻面平行于來(lái)流方向，而不是大于90°的風(fēng)向角，即迎風(fēng)墻面位于背風(fēng)面時(shí)。

圖9 3種湍流風(fēng)場(chǎng)中平均內(nèi)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化Fig.9 Mean internal pressure coefficients as a function of wind direction for three turbulent wind fields

2.3 開(kāi)孔面積（開(kāi)孔率）的影響

圖10為邊長(zhǎng)分別為31、53、68和81 mm（開(kāi)孔率分別為0.017、0.048、0.079和0.112）的4種方形中心開(kāi)孔結(jié)構(gòu)在10 m·s-1來(lái)流風(fēng)速下平均內(nèi)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化曲線。由圖可見(jiàn)，在同一風(fēng)向角下，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的平均內(nèi)壓系數(shù)隨開(kāi)孔面積的增大而增大，這是因?yàn)檩^大的開(kāi)孔面積增大了外部風(fēng)壓對(duì)內(nèi)部風(fēng)壓的影響，同時(shí)還減小了內(nèi)壓體系的阻尼比［16］，導(dǎo)致開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓響應(yīng)更加強(qiáng)烈。此外，隨著開(kāi)孔面積的增大，內(nèi)壓均值響應(yīng)的增大幅度卻逐漸減小，當(dāng)開(kāi)孔面積為68 mm×68 mm（開(kāi)孔率0.079）和81 mm×81 mm（開(kāi)孔率0.112）時(shí)，它們的平均內(nèi)壓系數(shù)在各風(fēng)向角下幾乎都相等。因此，當(dāng)開(kāi)孔率達(dá)到0.1左右后，開(kāi)孔建筑的平均內(nèi)壓系數(shù)隨開(kāi)孔面積的進(jìn)一步增大變化很小。

圖10 不同開(kāi)孔面積的平均內(nèi)壓系數(shù)隨風(fēng)向角變化Fig.10 Mean internal pressure coefficients with different opening sizes as a function of wind direction

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與各國(guó)規(guī)范的對(duì)比

3.1 對(duì)比我國(guó)規(guī)范GB 50009—2012

我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》規(guī)定，建筑物內(nèi)部壓力的局部體型系數(shù)可按下列規(guī)定采用：①封閉式建筑物。按其外表面風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2。②僅一面墻有主導(dǎo)孔口的建筑物。當(dāng)0.02＜δ≤0.10時(shí)，取0.4μsl；當(dāng)0.10＜δ≤0.30時(shí)，取0.6μsl；當(dāng)δ＞0.30時(shí)，取0.8μsl。③其他情況。按開(kāi)放式建筑物的μsl取值。其中，δ為開(kāi)孔率；系數(shù)μsl為外部風(fēng)壓局部體型系數(shù)，即外部平均風(fēng)壓系數(shù)，此處應(yīng)取主導(dǎo)孔口對(duì)應(yīng)位置的值，對(duì)應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈_(kāi)孔迎風(fēng)墻面局部體型系數(shù)μsl取值應(yīng)為1.0。由此可計(jì)算，當(dāng)開(kāi)孔墻面正對(duì)風(fēng)向時(shí)不同開(kāi)孔率對(duì)應(yīng)的開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)，并將其與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。

圖11 規(guī)范和風(fēng)洞試驗(yàn)的內(nèi)壓系數(shù)隨開(kāi)孔率變化對(duì)比Fig.11 Comparison of mean internal pressure coefficients as a function of opening ratio in Chinese code and wind tunnel test

從圖中可以看到，無(wú)論開(kāi)孔多大，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)大于規(guī)范取值。需要特別說(shuō)明的是，這里風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果是在湍流度為0.014的均勻風(fēng)場(chǎng)中得到的，而在規(guī)范中的體型系數(shù)值是基于B類風(fēng)場(chǎng)（田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)）10 m高度處的基本風(fēng)速定義的，其對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)湍流度為0.14。根據(jù)前文開(kāi)孔結(jié)構(gòu)平均內(nèi)壓系數(shù)隨來(lái)流湍流度的變化規(guī)律可知，湍流度越大，平均內(nèi)壓系數(shù)也越大，所以如果增大風(fēng)洞試驗(yàn)中的湍流度使其與規(guī)范一致，將進(jìn)一步增大試驗(yàn)的內(nèi)壓均值響應(yīng)結(jié)果，從而使規(guī)范的取值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相差更大。因此，我國(guó)現(xiàn)行風(fēng)荷載規(guī)范較大低估了開(kāi)孔結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的取值，需要較大幅度提高目前所規(guī)定的內(nèi)壓體型系數(shù)。

3.2 對(duì)比美國(guó)規(guī)范ASCE7-16

美國(guó)規(guī)范ASCE7-16將建筑物分為4類：全封閉式、部分封閉式、開(kāi)敞式和部分開(kāi)敞式。①全封閉式建筑：外部風(fēng)壓為正壓的墻面上的開(kāi)孔總面積A0不超過(guò)0.37 m2或該墻面總面積Ag的1%中的較小值。②部分封閉式建筑：外部風(fēng)壓為正壓的墻面上的開(kāi)孔總面積A0應(yīng)大于建筑其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻面和屋面）上的開(kāi)孔總面積A0i的1.1倍，并且外部風(fēng)壓為正壓的墻面上的開(kāi)孔總面積A0大于0.37 m2或該墻面總面積Ag的1%中的較小值，且建筑其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻面和屋面）的開(kāi)孔率不超過(guò)20%。③開(kāi)敞式建筑：建筑每個(gè)墻面上的開(kāi)孔率都不小于80%。④部分開(kāi)敞式建筑：不符合全封閉式、部分封閉式或開(kāi)敞式建筑物要求的建筑物。規(guī)范ASCE7-16給出了以上各類建筑的內(nèi)部風(fēng)壓系數(shù)的取值，如表1所示。

表1 ASCE7-16內(nèi)壓系數(shù)取值Tab.1 Internal pressure coefficient of ASCE7-16

本文風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)孔尺寸對(duì)應(yīng)的開(kāi)孔率分 別 為0.017、0.048、0.079和0.112，均 滿 足0.01Ag＜A0＜0.8Ag，并且試驗(yàn)中所有模型的開(kāi)孔均為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的單個(gè)開(kāi)孔，即A0i=0，故風(fēng)洞試驗(yàn)的開(kāi)孔模型均屬于部分封閉式建筑類型。將風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果與規(guī)范ASCE7-16的取值進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。由圖可見(jiàn)，規(guī)范ASCE7-16對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的取值遠(yuǎn)小于風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的內(nèi)壓系數(shù)，并且隨著開(kāi)孔率的增大二者的差距也越來(lái)越大，規(guī)范ASCE7-16低估了開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓系數(shù)。由風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，開(kāi)孔建筑的平均內(nèi)壓系數(shù)隨開(kāi)孔面積的增大而增大，而規(guī)范ASCE7-16并沒(méi)有區(qū)分開(kāi)孔率在0.01～0.80范圍內(nèi)（部分封閉式建筑）的開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)，因此現(xiàn)行規(guī)范ASCE7-16對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的取值方法較粗略，應(yīng)該基于開(kāi)孔率的大小對(duì)其進(jìn)行更細(xì)致的區(qū)分。

圖12 ASCE7-16和風(fēng)洞試驗(yàn)內(nèi)壓系數(shù)隨開(kāi)孔率變化對(duì)比Fig.12 Comparison of mean internal pressure coefficients as a function of opening ratio in ASCE7-16 and wind tunnel test

3.3 對(duì)比澳大利亞/新西蘭規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011

在當(dāng)前各國(guó)的風(fēng)荷載規(guī)范中，澳大利亞/新西蘭規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的取值定義最為詳細(xì)，其不僅給出了開(kāi)孔位于迎風(fēng)面時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)，還給出了開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)面、背風(fēng)面和屋面時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)。具體取值方法如表2所示。表中，Cpe為最大開(kāi)孔所在位置處對(duì)應(yīng)的外壓系數(shù)，ε為某個(gè)表面上的開(kāi)孔面積與其他表面上開(kāi)孔面積的比值。

本文進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的模型均為單開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，因此主開(kāi)孔墻面上的開(kāi)孔面積與建筑其他表面上的開(kāi)孔面積之比不小于6，則由表2可知，不論開(kāi)孔位于迎風(fēng)面、背風(fēng)面還是側(cè)風(fēng)面上，建筑的內(nèi)壓系數(shù)均等于外壓系數(shù)Cpe。根據(jù)規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011的相關(guān)規(guī)定，可得與風(fēng)洞試驗(yàn)建筑模型相對(duì)應(yīng)的外壓系數(shù)，從而確定其開(kāi)孔狀態(tài)下的內(nèi)壓系數(shù)，分別為：開(kāi)孔位于迎風(fēng)墻面上時(shí)為0.8，開(kāi)孔位于背風(fēng)墻面時(shí)為-0.3，開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)墻面時(shí)為-0.5。將規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011對(duì)內(nèi)壓系數(shù)的取值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。

表2 AS/NZS規(guī)范內(nèi)壓系數(shù)取值Tab.2 Internal pressure coefficient of AS/NZS code

圖13 AS/NZS規(guī)范和風(fēng)洞試驗(yàn)內(nèi)壓系數(shù)隨開(kāi)孔率變化對(duì)比Fig.13 Comparison of mean internal pressure coefficients as a function of opening ratio in AS/NZS code and wind tunnel test

由圖中可以看到，總體上規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011的取值與風(fēng)洞試驗(yàn)的吻合程度較為理想。開(kāi)孔面積的大小對(duì)內(nèi)壓系數(shù)的影響在開(kāi)孔位于迎風(fēng)墻面上時(shí)最明顯，對(duì)開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)墻面時(shí)的影響相對(duì)較小，而當(dāng)開(kāi)孔位于背風(fēng)墻面上時(shí)，開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓大小幾乎不會(huì)受到開(kāi)孔面積的影響。因此，為了改進(jìn)現(xiàn)行方法的不足，AS/NZS風(fēng)荷載規(guī)范可以考慮在開(kāi)孔位于迎風(fēng)和側(cè)風(fēng)墻面時(shí)，根據(jù)開(kāi)孔率的大小對(duì)開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓系數(shù)進(jìn)行更細(xì)致的區(qū)分。

3.4 3種風(fēng)荷載規(guī)范的比較

通過(guò)對(duì)比以上3種風(fēng)荷載規(guī)范對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的取值方法可以發(fā)現(xiàn)，各國(guó)規(guī)范考慮影響內(nèi)壓系數(shù)的因素包括開(kāi)孔率的大小、開(kāi)孔處的外部風(fēng)壓以及開(kāi)孔所在墻面的風(fēng)向角。由風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，這些因素對(duì)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的風(fēng)致內(nèi)壓響應(yīng)均有顯著的影響。但是這3種規(guī)范在區(qū)分內(nèi)壓系數(shù)時(shí)對(duì)這些因素考慮的側(cè)重點(diǎn)卻有所不同，并不是每個(gè)因素都考慮在內(nèi)，具體可總結(jié)成如表3所示。

表3 3種規(guī)范定義內(nèi)壓系數(shù)時(shí)考慮的因素Tab.3 Factors considered in three codes determining internal pressure coefficient

從表中可以看到，我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》考慮了開(kāi)孔率和外部風(fēng)壓對(duì)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)內(nèi)壓系數(shù)的影響，但是不足是只給出了主導(dǎo)孔口位于迎風(fēng)墻面時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)，缺乏當(dāng)開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)墻面和背風(fēng)墻面等其他墻面上時(shí)對(duì)內(nèi)壓系數(shù)的定義。美國(guó)規(guī)范ASCE7-16只簡(jiǎn)單考慮了開(kāi)孔率的大小對(duì)內(nèi)壓系數(shù)的影響，但并沒(méi)有區(qū)分開(kāi)孔率在0.01～0.80范圍內(nèi)（部分封閉式建筑）的內(nèi)壓系數(shù)，并且通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓大小與孔口周邊的外壓密切相關(guān)，而規(guī)范ASCE7-16對(duì)內(nèi)壓系數(shù)取值時(shí)并未考慮開(kāi)孔處的外壓大小。澳大利亞/新西蘭規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011的最大特點(diǎn)是不僅定義了開(kāi)孔位于迎風(fēng)墻面的內(nèi)壓系數(shù)，還定義了開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)墻面、背風(fēng)墻面和屋面時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)，并且考慮了外部風(fēng)壓與內(nèi)部風(fēng)壓的聯(lián)系，但是它并未根據(jù)開(kāi)孔率的大小對(duì)內(nèi)壓系數(shù)進(jìn)行更細(xì)致的區(qū)分。

另一方面，通過(guò)對(duì)比這3種規(guī)范的內(nèi)壓系數(shù)取值與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)澳大利亞/新西蘭規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011的內(nèi)壓系數(shù)取值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，但是我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和美國(guó)規(guī)范ASCE7-16都較大低估了開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的大小。因此在對(duì)各國(guó)規(guī)范的改進(jìn)中，我國(guó)和美國(guó)的規(guī)范都應(yīng)該增大內(nèi)壓系數(shù)的取值，并且可以考慮加入對(duì)開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)墻面、背風(fēng)墻面和屋面等建筑其他表面時(shí)內(nèi)壓系數(shù)的定義，而澳大利亞/新西蘭的規(guī)范應(yīng)該基于開(kāi)孔率的大小對(duì)開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓系數(shù)進(jìn)行更細(xì)致的區(qū)分。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了3種均勻湍流風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)孔低矮建筑的內(nèi)壓風(fēng)洞試驗(yàn)，討論了孔口周邊外部風(fēng)壓、風(fēng)向角、風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度和開(kāi)孔面積（開(kāi)孔率）對(duì)開(kāi)孔建筑平均內(nèi)壓系數(shù)的影響，同時(shí)將風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行風(fēng)荷載規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比，分析了當(dāng)前各國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范中對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)取值的準(zhǔn)確性以及各自的優(yōu)勢(shì)和不足，得到了一些適用于當(dāng)建筑的門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)中遭受破壞從而產(chǎn)生主開(kāi)孔時(shí)，其內(nèi)部平均風(fēng)壓系數(shù)大小變化情況的結(jié)論。主要研究結(jié)論如下：

（1）開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓大小與開(kāi)孔孔口周邊的外壓大小密切相關(guān)。在正風(fēng)向角和斜風(fēng)向角下，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓響應(yīng)與孔口周邊外壓在時(shí)程上均具有高度的同步性，但是斜風(fēng)向角時(shí)的內(nèi)壓響應(yīng)與孔口周邊外壓在功率譜上存在很大的差異。由于內(nèi)壓共振響應(yīng)的存在，斜風(fēng)向角時(shí)內(nèi)壓系數(shù)功率譜在共振頻率附近明顯大于外壓系數(shù)功率譜，且相差可能高達(dá)10倍以上。

（2）當(dāng)孔口位于迎風(fēng)墻面正中心，且來(lái)流方向垂直于開(kāi)孔墻面時(shí)（0°風(fēng)向角），開(kāi)孔建筑的平均內(nèi)壓系數(shù)最大，但是當(dāng)來(lái)流方向平行于開(kāi)孔墻面時(shí)（90°風(fēng)向角）平均內(nèi)壓系數(shù)負(fù)值最大。對(duì)于湍流度的影響，在同一風(fēng)向角下，來(lái)流湍流度越大，開(kāi)孔建筑的平均內(nèi)壓系數(shù)也越大。

（3）在同一風(fēng)向角下，較大的開(kāi)孔面積（開(kāi)孔率）將增大開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓均值響應(yīng)，但是開(kāi)孔建筑內(nèi)壓均值響應(yīng)的增大幅度隨開(kāi)孔面積的增大而減小，當(dāng)開(kāi)孔率達(dá)到0.1左右后，開(kāi)孔建筑的平均內(nèi)壓系數(shù)隨開(kāi)孔面積的進(jìn)一步增大在任一風(fēng)向角下變化都很小。

（4）我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》較大低估了開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的大小，當(dāng)前規(guī)范應(yīng)提高不同開(kāi)孔率區(qū)間的內(nèi)壓體型系數(shù)取值，此外還應(yīng)該考慮增加對(duì)開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)墻面、背風(fēng)墻面和屋面等其他風(fēng)向角下內(nèi)壓系數(shù)取值的規(guī)定。

（5）美國(guó)規(guī)范ASCE7-16對(duì)開(kāi)孔建筑內(nèi)壓系數(shù)的取值普遍小于風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，且沒(méi)有區(qū)分開(kāi)孔率在0.01～0.80范圍內(nèi)（部分封閉式建筑）內(nèi)壓系數(shù)的差別，與實(shí)際情況相差較大。

（6）澳大利亞/新西蘭規(guī)范AS/NZS 1170.2：2011對(duì)內(nèi)壓系數(shù)的取值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并且較準(zhǔn)確地定義了開(kāi)孔位于側(cè)風(fēng)和背風(fēng)墻面時(shí)的內(nèi)壓系數(shù)。但是當(dāng)開(kāi)孔位于迎風(fēng)和側(cè)風(fēng)墻面時(shí)，可以考慮根據(jù)開(kāi)孔率的大小對(duì)開(kāi)孔建筑的內(nèi)壓系數(shù)進(jìn)行更細(xì)致的區(qū)分。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明：

陳勝：提出研究思路，設(shè)計(jì)研究方案，負(fù)責(zé)風(fēng)洞試驗(yàn)，采集和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫論文。

黃鵬：修改研究方案，獲取研究經(jīng)費(fèi)，指導(dǎo)風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)施和論文撰寫，審閱和修改論文。

顧明：參與論文選題和設(shè)計(jì)，修改研究方案，審閱和修訂最終版本論文。