典型山體地貌下受山坡坡度影響的低矮房屋風荷載風洞試驗研究

鐘旻，李正農，*，邱敏，史文海，吳紅華

(1.湖南大學建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南長沙410082; 2.溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州325035)

典型山體地貌下受山坡坡度影響的低矮房屋風荷載風洞試驗研究

鐘旻1，李正農1，*，邱敏1，史文海2，吳紅華1

(1.湖南大學建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南長沙410082; 2.溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州325035)

通過風洞實驗對三種典型山體地貌中低矮房屋的風壓分布規律進行了研究，并與無周邊時的低矮房屋風壓分布狀況進行了對比，重點討論了低矮房屋在0°風向角下，隨山坡坡度變化時平均風壓系數、體型系數的變化規律，進而分析了低矮房屋在0°～90°風向角下的平均風壓系數的變化趨勢。結果表明:低矮房屋的風壓分布受山體的坡度影響較為明顯，其中背風墻面較為顯著;隨著山坡坡度的增大，屋面的平均風壓逐漸由負壓變為正壓，山坡坡度β=90°時，背風屋面體型系數相對無周邊時增大250%;某些部位(迎風墻面中線、背風屋檐、迎風屋檐)等處測點出現絕對值較大的平均風壓系數，應在設計時引起注意;測點在不同風向角下的平均風壓系數與山體環境有很大關系，在考慮低矮房屋設計時，應取最不利風向角下的風荷載進行計算。

低矮房屋;風荷載;風洞試驗;山坡坡度

0 引言

在我國近海地區，山區占很大比例，許多低矮房屋建設在復雜的山區地帶，由于地形地貌會造成風場的復雜變化，相對于平坦地貌其在臺風作用下受損比率較大，其中尤其以二層以上的多層房屋受損最為嚴重。近年來，我國在低矮房屋風載特性方面的研究得到了重視和發展［1］，然而同發達國家相比，我國在低矮建筑抗風研究方面的投入及學術關注度比較低，特別是對近海山地等復雜地形上低矮房屋的風載特性研究甚少，所以需要進一步加強對低矮房屋抗風問題的研究。

已有文獻［2-14］表明，有關低矮建筑風壓特性的風洞試驗研究一般只涉及單體和周邊建筑物，如Katayama和Nishid［15］對規則排列的建筑物的相互影響進行了研究。而考慮周邊環境，特別是山體對于低矮建筑風壓特性影響的研究還比較少。Weng等對二維山脊的邊界層風場進行了風洞試驗研究，發現復雜地形的風速加速比與孤立山丘相比有所降低［16］;時凌琳［17］通過對三種不同體型參數組合(山高Hm，形狀因子R，截面參數L)的山丘進行了數值模擬，研究了山丘周圍的風場特性及其受山丘影響后低矮建筑表面風壓分布。

綜上所述，對于低矮房屋風壓分布的研究主要集中在單體或者建筑群的研究，對于低矮房屋受周邊山體干擾影響的風洞試驗研究目前還較少涉及。本文通過風洞試驗對3種典型山體地貌中低矮房屋的風壓分布規律進行研究，并與無周邊時的低矮房屋風壓分布進行對比分析，以獲得低矮房屋隨山坡坡度變化的平均風壓系數、體型系數變化規律。

1 試驗概況

1.1 模型制作及測點布置

在湖南大學HD-3風洞中對典型山體地形下的雙剖帶挑檐低矮房屋模型進行測壓試驗。考慮到近海地區的特點，本試驗模擬規范所劃分的A類地貌進行試驗。房屋原尺寸為7.1 m(長)×4.45 m (寬)，檐口高5.95 m，兩邊挑檐長度均為0.25 m，屋脊高6.83 m，雙坡屋面的坡度為18.6°。模型的幾何縮尺比確定為1:40，平面尺寸為0.177 5 m(長)× 0.11125 m(寬)，檐口高0.14875 m，屋脊高0.17075 m，挑檐長度0.00625 m。模型尺寸如圖1所示。模型試驗以試驗房為中心進行風洞試驗，試驗房的四個墻面和屋面均布上測點，且屋檐處為雙側布點，測點總數為374，其中房屋主體四個墻面測點數202個，屋頂表面布置測點為130個，屋檐采用雙面布點，屋檐內側有42個測點，測點位置及編號如圖2所示。

圖1 全尺寸低矮房屋圖(單位:mm)Fig.1 Dimensions of full-scale low-rise building(unit:mm)

圖2 測點布置圖Fig.2 Locations of pressure taps

1.2 試驗工況介紹

試驗中A類地貌下的風洞試驗是以5°為增量，進行19個來流風向角下的風洞測壓試驗，風向角變化示意圖如圖3所示。試驗時，0°表示正北方向。H代表實驗房高度，Hm代表山坡高度，β代表山坡的角度、S代表房屋與山坡的間距，如圖4所示。為了方便研究山坡度度對建筑風壓的影響，統一選取S/H=0.4，Hm/H=2(低矮房屋距離山體0.0683m，山體高度為0.3415m)，山體情況為無周邊、β=30°、60°、90°時低矮房屋風壓進行分析，具體實驗工況見表1所示。本試驗各工況均滿足阻塞率的相關要求。

圖3 風向角示意圖Fig.3 W ind direction

表1 試驗工況Table 1 Test cases

圖4 位置關系示意圖Fig.4 Position of mountain

1.3 風場模擬

風洞試驗風速為12 m/s。試驗中近地A類地貌通過采用二元尖塔、擋板和粗糙元來實現，見圖5(a)。圖5(b)為風洞中按照上述布置得到的粗糙類別為A類風場的平均風速剖面和湍流度剖面。

圖5 風洞中模擬的A類風場Fig.5 Simulated w ind field for terrain category of A

1.4 數據處理方法

本文將通過分析山坡坡度β變量的影響，得到低矮建筑受到不同的山地環境狀況干擾時的風荷載特性，主要分析參數如下:

1)平均風壓系數Cp，mean。瞬時風壓系數定義為風在建筑表面引起的壓力與來流參考高度未擾動風速壓力的比值，計算公式如下:

平均風壓系數計算公式如下:

式中，p(t)為實際風壓值，pref為相對參考靜壓。ρ為試驗時的空氣密度，1.225kg/m3;Ur為來流在參考高度zr處的平均風速，其中參考高度為0.5m，相當于實際高度20m，高于山體模型的高度;N為測點采集風壓總次數。

2)風荷載體型系數μs。本文的風洞試驗中，由于參考點設置的原則要求對模型干擾足夠小且能反映模型位置處的來流特性，故本試驗參考點選為離風洞地板高度為0.5m處，在剛性模型的縮尺比為1∶40的情況下，與50 cm參考高度對應的實際原型風場中的離地面高度為20m。若和規范相對照，試驗測出的風壓系數均應被轉換成局部體型系數，利用下式的變換可以得到結構表面的第i點的平均局部體型系數

其中，α是地面的粗糙指數，本文取A類地面粗糙指數0.12;zi為測點的高度;zr為參考點的高度。由于近地面處的風速變化較為復雜，依據規范的規定，式(2)的計算有其截斷高度，在A類地貌下對應的截斷高度為5m，式(2)不適用于5m以下測點局部體型系數的計算，應對其進行適當的修正。

3)影響系數。為了更好的分析山體對低矮房屋的影響，對低矮房屋進行無周邊環境下的風壓測試，引入影響系數來定量描述山體對低矮房屋的影響效應，公式如下所示:

其中μI和μA分別為受山體影響后和無周邊情況下時低矮房屋的平均風壓系數。

2 0°來流風向角下受山體影響的分析

2.1 表面風壓分布規律分析

將各建筑表面在無周邊、β=30°、60°、90°四種工況下的平均風壓系數等值線圖進行比較，圖中相鄰兩根等值線的數值差為0.04。

如圖6所示，0°來流風向角下，無周邊干擾時，對于低矮建筑的迎風墻面，平均風壓系數均為正值，受壓力，且中間區域2/3高度處的正壓力最大，在該區域氣流形成了一個正面停滯區域，風速很小，壓力最大。停滯區域的風壓系數為0.42左右，氣流以該停滯區域為中心向四周擴散，且這種停滯氣流的作用越來越弱。當增加山坡坡度β=30°的山體時，迎風墻面平均風壓系數與無周邊情況的風壓分布情況幾乎一致，數值大小接近;當山坡坡度β=60°時，停滯區域相對β=30°時位置往上移動，數值較為接近，且邊緣處的等值線遞減現象沒有山坡坡度β=30°時明顯，邊緣處的平均風壓系數相對β=30°時有所增大，增幅為23%;當山坡坡度β=90°時，停滯區域相對山坡坡度β=60°時范圍繼續擴大且繼續往上移動，邊緣處等值線遞減現象也沒有山坡坡度β=60°時明顯。

由圖7可知，0°來流風向角下，無周邊干擾時，背風墻面的平均風壓系數為負值，且左右兩側的風壓系數等值線向中間凹進。當氣流受到建筑的阻擾后，一部分氣流繞過建筑物的兩側向背后流去，在背風墻面兩側邊形成一對方向相反的豎向渦。上下兩側的風壓等值線也向中間凹進，這是由于背風墻面上下均產生了渦旋氣流，上部分渦旋由于屋檐處分離的氣流，下部分渦旋由屋面的剪切層產生的環流。增加了坡度β=30°的山坡后，背風墻面分布狀況有所改變，但仍有豎向渦，平均風壓系數仍為負值，且絕對值變小為－0.035，受輕微吸力。由圖8(c)可知，當β=60°、90°時，背風墻面的平均風壓系數為正值，從下往上依次遞減，受到壓力。當β=90°時，背風墻面底部區域平均風壓系數值達0.5，相對β=60°的壓力值增大138%。隨著山坡坡度的增加，等值線變化越來越明顯。綜上所述，當山坡坡度β=30°時，山坡對建筑的兩側的平均風壓影響不大。當β∈(30°，90°)這個區間時，背風墻面的平均風壓系數值逐漸由負值變為正值，且平均風壓系數絕對值隨著山坡坡度的增加而增大，平均風壓由吸力變為壓力。

圖6 迎風墻面風壓系數等值線圖Fig.6 W indward’s contour curves of mean w ind pressures

圖7 背風墻面風壓系數等值線圖Fig.7 Leeward’s contour curves of mean w ind pressures

由圖8可知，0°來流風向角下，無周邊干擾時，側面的風壓系數為負值，平均風壓為吸力，右上角靠近迎風墻面處有最大的平均風壓系數，達－0.46左右。增加坡度β=30°的山坡后，側面的平均風壓系數絕對值總體減小，僅為無周邊工況時的50%。當山坡坡度β=60°時，建筑側面的風壓系數變成正值，為輕微的正壓，面上整體的平均風壓系數均較小，為0.044左右;山坡坡度β=90°時，平均風壓為壓力，平均風壓系數分布與山坡坡度β=60°時有較大的不同，中部區域的平均風壓系數達0.2左右。

由圖9可知，0°來流風向角下，無周邊干擾時，屋面的平均風壓系數均為負值，靠近迎風屋檐處的平均風壓系數最大，沿著風速的方向依次遞減。當增加了山坡坡度β=30°的山體時，屋面的平均風壓系數絕對值較無周邊工況有所減小，減小幅度為43%，在靠近背風屋檐處的平均風壓系數分布相對無周邊時變化更加平穩，其值保持在-0.15左右;當山坡坡度β= 60°時，除屋檐前緣部位，其余區域的平均風壓系數均為很小的負值－0.05，平均風壓為很小的負壓。當山坡坡度β=90°時，屋檐前緣處的平均風壓為很小的正壓，其余部分的壓力也隨著山坡高度的增加而增大，風壓系數值在0.2左右，且沒有出現氣流明顯凹進的現象，整體分布較為規整。從圖中可知，隨著山坡坡度的增大，屋面由較大的負壓變為較小的正壓。

綜上，當建筑后方有山坡干擾時，隨著山坡坡度的增大，屋面的平均風壓逐漸由負壓變為正壓。屋檐前緣的平均風壓系數絕對值減小，所受負壓減弱，其余部分的負壓逐漸減小，直至變為正壓。

圖8 側面風壓系數等值線圖Fig.8 Sideward’s contour curves of mean w ind p ressures

圖9 屋面的風壓系數等值線圖Fig.9 Roof’s contour curves of mean w ind pressures

2.2 低矮房屋關鍵測點風壓系數變化規律分析

選取低矮房屋模型中線及左右邊緣處的測點，如圖10所示，對0°來流風向角下，測點平均風壓系數隨著山坡坡度的變化進行詳細的分析，揭示其規律。

在0°來流風向角下，山坡坡度β=60°時，由圖11(a)可知，迎風墻面各測點的平均風壓系數相差很小，而其它工況時，中線測點A5、D5、G5相對其它測點的平均風壓系數要大，其中無周邊時相差最為明顯。無周邊時，中間測點A5相對邊緣測點A9平均風壓系數增大了500%;當山坡坡度β=30°時，中間測點A5相對邊緣測點A1平均風壓系數增大了153%;山坡坡度β=30°、90°相對無周邊時中線測點的平均風壓系數有所減小，而兩邊緣處測點的平均風壓系數有所增大，與中線測點的差值減小。

圖10 代表測點分布示意圖Fig.10 Locations of representative pressure taps

圖11 不同工況下代表性測點平均風壓系數變化圖Fig.11 M ean w ind pressures coefficient of representative pressure taps in different cases

由圖11(b)可知，迎風屋面各測點的平均風壓系數相差很小，在其它工況下，中線測點相對邊緣處的平均風壓系數要大。在無周邊時，隨著山坡坡度的增大，迎風屋面中線測點WA20、WC20、WE20有較大負值，平均風壓系數增大，尤其是迎風屋檐處測點WA20，無周邊時平均風壓系數為－1.3，當山坡坡度β=60°時增大至0.2，邊緣處測點的平均風壓系數隨山坡坡度的增大變化較為復雜，但總體來說中線處測點的平均風壓系數的絕對值相對邊緣處要大，其中，中間測點WA20相對邊緣測點WA26平均風壓系數增大了85.7%。

由圖11(c)可知，背風屋面各測點的平均風壓系數相差很小，背風屋面中間測點WC7和背風屋脊中間測點WE7受山體的影響較為顯著;無周邊時，中間測點WE7相對邊緣測點WE1平均風壓系數絕對值增大了200%;當山坡坡度β=90°時，中間測點WE7平均風壓系數為0.28，邊緣測點平均風壓系數為0.01。無周邊時兩測點的平均風壓系數有較大的負值，增設山坡以后，隨著山坡坡度的增大，平均風壓系數逐漸增大，當β=90°時，平均風壓系數出現較大的正值，圖13(d)可知，隨著山坡坡度的增加，背風墻面受山體的影響較為明顯，面上所有測點的平均風壓系數均有所增大，且測點數值相差較小。

由圖11(e、f)可知，低矮房屋模型左右兩側面測點的平均風壓系數在不同工況下變化趨勢較為相似。無周邊時，左側墻面邊緣測點A14、D14、G14和右側墻面測點A24、D24、G24相對其他測點的平均風壓系數要大。無周邊時，左側墻面中間測點G12平均風壓系數相對邊緣測點G14平均風壓系數絕對值增大了57.1%，右側墻面中間測點G26相對邊緣處測點G24的平均風壓系數絕對值增大了47.9%。增加山坡以后，三種工況下測點的平均風壓系數較為接近，其中山坡坡度β=60°、90°時平均風壓系數較為接近，而山坡坡度β=30°時與β=60°、90°時平均風壓系數相差較大。

2.3 體型系數相對無周邊變化規律分析

我國《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)［18］中表8.3.1風荷載體型系數的第2、24項提出了封閉式雙坡屋面、靠山封閉式雙坡屋面風荷載體型系數的規定，為了驗證風洞試驗結果的可靠性和準確性，取低矮房屋在0°風向角下，無周邊、β=30°、60°、90°時風洞試驗計算得到的體型系數與規范值進行對比，低矮房屋的坡度為18.6°，將規范規定的體型系數進行線性插值，得到房屋坡度為18.6°時的體型系數，對比情況如表2所示。

文獻［19］結論表明，挑檐的存在對墻面的體型系數基本沒有影響，對屋面的體型系數有一定的影響，由于本實驗的低矮房屋為帶挑檐的屋面形式，而規范為無挑檐屋面形式，故在對屋面體型系數對比時，沒有考慮挑檐上測點對屋面體型系數的作用。

表2 體型系數值對比表Table 2 Com parison of shape coefficient

由表2可知，通過風洞試驗得到的體型系數絕對值基本處于規范絕對值以內，由于規范可以起到很好的參考和指導的作用，風洞試驗值與規范值較為接近，可以進一步證實風洞實驗的可靠性。

為了更加全面宏觀地研究低矮房屋建筑表面受山坡坡度的影響，對各個建筑表面的體型系數的影響系數(具體公式見公式(4)所示)進行對比分析。取風向角為0°、S/H=0.4、Hm/H=2時，山坡坡度β= 30°、60°、90°三種工況時的體型系數進行分析，如圖12所示。

圖12 影響系數變化圖Fig.12 Change of influence coefficient

由圖12可知，山體對迎風墻面的影響總體較小。隨著坡度的增大，受山體的影響增大。當β=90°時，影響系數有最大值15.6%。

隨著山坡坡度的增大，迎風屋面、背風屋面影響系數變化趨勢較為相近，β=90°時，迎風屋面有最大的影響系數174.42%，背風屋面有最大的影響系數241.2%，背風面受山體的影響較其他建筑表面更加明顯。背風墻面，影響系數有所增大，其中當坡度角β=30°、60°、90°時，影響系數最大值分別為81.4%、167.4%、251.2%。表明山坡坡度從30°增至60°時，影響系數明顯增大。而左側墻面與右側墻面受山體的影響非常接近，當β=90°時左側墻面有最大影響系數146.4%，右側墻面有最大影響系數144.9%。

3 典型測點在不同風角下受山體影響分析

為了反映建筑表面測點隨風向角的變化情況，取迎風墻面中間測點D5，側面中間測點D12，背風墻面中間測點D19，迎風屋面屋檐中間測點WA20，背風屋面屋檐中間測點WA7，對各面測點不同工況下平均風壓系數隨風向角的變化規律進行分析。

由圖13(a)可知，隨著風向角的增大，迎風墻面測點的平均風壓系數均逐漸減小，有周邊時減小的幅度相對無周邊情況時越大，說明不論風向角如何變化，小坡度的平均風壓系數幾乎不隨坡度的變化而變化。這是因為小坡度范圍內的變化不會引起氣流流態的改變，整個屋蓋上總的升力系數不會有明顯的改變。當山坡坡度β=30°時，風向角在0°～30°時與無周邊時較為接近，當山坡坡度β=60°時，風向角在0°～45°時與β=90°較為接近。由圖13(b)可知，迎風屋檐的平均風壓系數由負值逐漸變成正值，無周邊情況下，平均風壓系數相對有周邊時絕對值增大，山體的存在減小了迎風屋檐測點的負壓，隨著山坡坡度的變化，平均風壓系數變化符合一般規律。當風向角接近90°時，四條曲線聚攏在一起，說明此時受山坡的影響不大。

由圖13(c)可知，隨著風向角的增大，在無周邊情況下，背風屋檐處測點的平均風壓系數變化很平穩，即受風向角的影響較小;在有周邊情況下，平均風壓系數均呈現先增大后減小的趨勢，風向角在40°～60°時有最大正風壓系數。背風屋檐測點隨著山坡坡度的變化規律相對迎風屋檐處不明顯，說明背風屋面受風向角的影響較大。由圖13(d)可知，背風墻面測點的平均風壓系數變化較平穩;受山體影響后，背風墻面平均風壓系數隨風向角的變化更加顯著，部分工況從正壓變為負壓。在不同山坡坡度下，變化趨勢一致但不同工況下數值相差較大，說明背風墻面受山坡坡度變化影響明顯。

圖13 不同風向角下代表性測點平均風壓系數值Fig.13 M ean w ind pressures coefficient of representative pressure taps in different w ind angle

由圖13(e)可知，在無周邊情況下，隨著風向角的增大，左側墻面測點的平均風壓系數呈現先減小后增大的趨勢，最小負壓出現在5°風向角時，受吸力作用，隨著風向角的增大，平均風壓系數逐漸增大，變為正壓，不同工況下的平均風壓系數相差較小，90°風向角下不同工況的平均風壓系數較為接近，說明隨著風向角的增加，低矮房屋受山體參數變化影響減弱。由圖13(f)可知，右側墻面測點的平均風壓系數為負值，絕對值有所減小。受山體影響后，隨著風向角的增大，平均風壓系數呈現先減小后增大的趨勢。當風向角在55°、山坡β=30°時平均風壓系數有最大的負值－0.45。

4 結論

本文進行了近海多種典型山體地貌中低矮房屋縮尺模型的風洞測壓試驗，重點研究了受山坡坡度因素影響下低矮房屋表面風壓分布狀況，得到如下結論:

1)在0°風向角下，隨著山坡坡度的增加，低矮房屋表面的平均風壓系數分布受山體的影響越來越明顯。其中，對低矮房屋背風墻面的影響較為明顯。

2)隨著山坡坡度的增大，背風屋面、背風墻面、左右側墻面的平均風壓系數逐漸增大;對于某些關鍵部位，如迎風墻面、迎風屋面、背風屋面、背風墻面中線測點的平均風壓系數絕對值相對邊緣處要大，這可能會產生相對建筑表面其他部位更大的風壓，設計時應考慮這些局部風壓較高的部位，引入局部風壓系數，避免房屋的局部失效。

3)從各個面的影響系數變化趨勢可以看出，當山坡坡度β=90°時，背風屋面體型系數的影響系數最大值達250%，影響系數從大到小依次為背風屋面、背風墻面、迎風屋面、迎風墻面、左側墻面、右側墻面，其中右側墻面的影響系數在不同山坡坡度時數值均較小，在17.5%以內。

4)平均風壓系數大小與風向角有很大關系，其中，迎風屋面在0°風向角下、無周邊干擾時有平均風壓系數負壓的極值－1.15，因此，在考慮低矮房屋設計時，應取最不利風向角下的風荷載進行驗算。

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W ind tunnel test on w ind load of low-rise buildings in typical mountain landform:analysis of hillside slope effects

Zhong Min1，Li Zhengnong1，*，Qiu Min1，Shi Wenhai2，Wu Honghua1
(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency，Ministry of Education，Hunan University，Changsha 4100821，China;2.School of Architectural and Civil Engineering，Wenzhou University，Wenzhou 325035，China)

The wind pressure distribution of a low-rise building model in three typical mountain terrains alone coastal area are studied by wind tunnel experiment.At the same time，comparison with the wind pressure distribution of low-rise building without surrounding buildings is presented.The study mainly focuses on the variation of average pressure coefficient and shape coefficient with the change of hillside slope under wind attack of 0°，then the trends of average wind pressure coefficients of low-rise building under wind attack of 0°～90°is analyzed.It is founded that the pressure distribution of low-rise building is affected by the slope of the mountain significantly，especially the leeward side;With the hillside slope increases，the average pressure increases gradually from negative to positive，shape coefficient of leeward roof many increase up to 250%compared with low-rise building without surrounding buildings.Some parts，such as windward midline，leeward roof and windward roof，should be paid more attention in the design because of their larger absolute value of the average pressure coefficient.There are some remarkable relationship between mean pressure coefficient under different wind angles and mountain environment.The most unfavorable wind angle of wind load calculations should betaken into consideration of the design for low-rise housing.

low-rise building;wind load;wind tunnel experiment;hillside slope

TU973.213;TU317.1;TU317.2

Adoi:10.7638/kqdlxxb-2014.0135

0258-1825(2016)05-0687-09

2015-02-29;

2015-05-26

國家自然科學基金(51178180，51278190，51478179)

鐘旻(1988-)，女，博士研究生，主要從事建筑抗風研究.E-mail:happysophia2010@sina.com

李正農*(1962-)，男，博士，教授，主要從事建筑抗風研究.E-mail:zhn88@263.net

鐘旻，李正農，邱敏，等.典型山體地貌下受山坡坡度影響的低矮房屋風荷載風洞試驗研究［J］.空氣動力學學報，2016，34(5): 687-695.

10.7638/kqdlxxb-2014.0135 Zhong M，Li Z N，Qiu M，et al.Wind tunnel test on wind load of low-rise buildings in typical mountain landform:analysis of hillside slope effects［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(5):687-695.