非均勻地貌的平屋面建筑風荷載特性研究

陳 波,杜 坤,楊慶山

(北京交通大學土木建筑工程學院 結構風工程與城市風環境北京市重點實驗室,北京 100044)

非均勻地貌的平屋面建筑風荷載特性研究

陳 波*,杜 坤,楊慶山

(北京交通大學土木建筑工程學院 結構風工程與城市風環境北京市重點實驗室,北京 100044)

通過風洞測壓試驗,研究單個平屋面建筑物在兩類均勻地貌,以及非均勻地貌邊界層內的屋面風壓分布變化規律。研究結果表明:均勻粗糙地貌下的屋面平均風壓系數和脈動風壓系數大于均勻平坦地貌,且脈動風壓系數差別更顯著;從粗糙地貌變化為平坦地貌的非均勻地貌中,用建筑物位置處動壓無量綱化時,隨著距地貌變化點的距離增大,平均風壓系數變化較小,脈動風壓系數逐漸減小且變化顯著;用上游粗糙地貌動壓無量綱化時,隨著距地貌變化點的距離增大,屋面迎風分離區平均風壓變化較小,迎風下游風壓幅值增大,脈動風壓幅值略有減小,但在過渡邊界層范圍內均變化較小;屋面整體平均風荷載的主要影響因素是來流動壓變化。

非均勻地貌;大氣邊界層模擬;平屋面;風洞試驗;風壓

0 引 言

城市化建設過程中,城市郊區興建大量的工業廠房等低矮建筑物。對于來自于城市中心方向的強風,這些低矮建筑所處的地貌將由城市中心的粗糙地貌轉變為郊區的平坦地貌,若建筑物所處地距離2種地貌變化點較近,處于過渡邊界層內時,建筑物表面風壓將受到2種地貌的復合影響。

國內外學者已對非均勻地貌大氣邊界層進行了較為深入的研究,Logan[1]指出當地貌由粗糙地貌轉變為平坦地貌時,大氣邊界層會隨著下游平坦地貌的發展逐漸分為3個子邊界層,依次為外邊界層、過渡邊界層和平衡邊界層,其中過渡邊界層受到上下游地貌共同影響。文獻[2-4]分別提出了非均勻地貌下平均風速剖面模型,并不斷得到完善。文獻[5]利用邊界層梯度高度隨地貌發展距離公式[6-7]提出多種復合地貌下的風速剖面及湍流度剖面模型。文獻[8]采用風速實測方法,對比分析了臨海地區在不同風向下形成的多種地貌的地貌粗糙長度及平均風速剖面。文獻[9-10]利用風洞試驗方法,研究了二維山體地貌分布下的平均風速與湍流強度,指出山后氣流分離區域的風場特性與山體坡度直接相關,同時還受山體表面粗糙度和來流湍流影響。文獻[11]對目前非均勻大氣邊界層的研究進展和問題進行了探討,指出地表的非均勻性會以多種方式對大氣邊界層產生影響,引起地表湍流變化。

與此同時,少量學者開展了不同地貌和非均勻地貌下低矮建筑物風荷載特性研究。文獻[12]指出在不同地貌類型下,單個鞍形屋蓋結構的平均風壓系數和風壓系數均方根存在較大差異,地貌越粗糙屋面平均風壓系數幅值越小,風壓系數均方根越大。文獻[5]通過風洞試驗,研究了在上游4km范圍內,多種地貌類型組合下,單個雙坡屋面風壓特性變化規律,指出模型上游300～400m長度范圍內的粗糙元對雙坡屋面風壓值影響最大。文獻[13]通過風洞試驗指出,在上游均勻地貌風場中布置棱柱體群,來流沿風向發展15倍的模型寬度后,棱柱體表面風壓系數達到穩定。中國《建筑結構荷載規范》[14]和美國ASCE-7[15]給出了局部地貌(山峰或山坡)引起的來流風速修正方法。美國ASCE-7[15]對于非均勻地貌,僅對來流風壓的高度系數進行了初略考慮,建議取兩類地貌中的較大值,而未考慮非均勻地貌對建筑物風壓分布的可能影響。

鑒于目前對非均勻地貌下的低矮建筑物風荷載特性研究較少,本文選取應用較為廣泛的平屋面建筑物作為研究對象,利用風洞試驗,模擬由粗糙地貌變為平坦地貌的非均勻地貌大氣邊界層,并通過測壓試驗,研究建筑物距地貌變化點不同距離時,非均勻地貌邊界層內單個平屋面建筑屋面的風壓變化規律。

1 風洞試驗及數據處理方法

1.1 風洞試驗概況

風洞試驗在北京交通大學回流式風洞進行,試驗段尺寸為長15.0m×寬3.0m×高2.0m。風洞試驗時,利用尖劈、粗糙元和擋板模擬大氣邊界層,上游和下游采用不同高度和密度的粗糙元模擬非均勻地貌。

測壓試驗對象為平屋面建筑,風場和幾何模型縮尺比為1∶200,模型尺寸為30cm(長)×20cm(寬)×10cm(高),本文主要研究屋面風壓特性,屋面測點59個,各墻面測點48個,共計測點107個,在屋面邊緣處測壓點加密,屋面測壓點和風向角定義如圖1所示。試驗風向角在0°～90°內以10°為間隔,并加測45°風向角,共計11個風向角。測壓試驗的采樣頻率為312Hz,測壓結果按照文獻[16]所述方法修正測壓管道系統引起的信號畸變。圖2為風洞試驗照片。圖3為非均勻地貌邊界層和測壓試驗模型布置圖,在非均勻地貌下,不斷地改變建筑物的位置,建筑物中心離地貌改變點的距離S分別取0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.9、2.3、2.7和3.1m。整個試驗共計121個工況。

1.2 試驗數據處理方法

為綜合評價過渡邊界層內單體平屋面風壓特性,定義兩類測點風壓系數,分別為C(t)、C′(t):

式中:pi(t)為t時刻測點i處的風壓值;p0為模型位置參考高度處的總壓;p′0為上游粗糙地貌風場充分發展(可取地貌變化點處,不是模型位置)位置參考高度處的總壓;p∞為參考高度處的靜壓。兩類風壓系數的參考高度均為屋檐高度處。

第一類風壓系數即為傳統方法定義的風壓系數,主要評價非均勻地貌對屋面風壓分布的影響,剔除了地貌變化對來流動壓的影響。第二類風壓系數的定義方式,相當于在第一類風壓系數的基礎上,同時考慮了地貌對來流動壓的影響,適合工程評價,綜合反映非均勻地貌對屋面實際所受風荷載的影響。

同時,考慮到非均勻地貌對屋面不同區域風壓的影響不同,為了定量評價地貌變換對屋面整體風荷載的影響,定義屋面整體平均風壓系數比例系數:

2 非均勻地貌邊界層模擬

文獻[1]指出,當來流風由粗糙地貌經過平坦地貌時,大氣邊界層會發展為3個子邊界層,如圖3所示。最下層為平衡邊界層,僅受到下游平坦地貌影響;中間層為過渡邊界層,受到粗糙地貌和平坦地貌的共同影響;最外層為外邊界層,僅受到粗糙地貌影響。平衡及過渡邊界層高度均隨著下游地貌發展逐漸增大。當下游地貌發展距離足夠大時,則地貌已發展完全,大氣邊界層內的風場特性僅由該地貌決定。

風洞試驗過程中,利用尖劈,擋板及粗糙元模擬了均勻粗糙地貌風場和均勻平坦地貌風場,它們的平均風速剖面指數律指數分別為0.228和0.108。

非均勻地貌模擬的工程背景是建設在城市郊區的低矮建筑,地貌由市區的粗糙地貌變化為郊區的平坦地貌。在模擬過程中,應確保地貌改變點位置處,上游粗糙地貌風場已充分發展,即平均風速剖面及湍流度剖面保持穩定。圖4給出了粗糙均勻地貌下從尖劈位置后7.2～11.8m范圍內,7個位置的平均風速剖面及湍流度剖面。可以看出,自尖劈位置后8.8m處之后,平均風速剖面及湍流剖面趨于穩定,即粗糙均勻地貌風場發展完全,可將該位置作為地貌變化的改變點,布置下游平坦地貌。

圖5給出了非均勻地貌條件下,距離地貌改變點0～3.4m范圍內,7個位置的平均風速剖面和湍流度剖面變化圖,可以看出:在所研究的距離范圍內,上部高度范圍一直主要受上游粗糙地貌影響,風速和湍流度基本保持不變,下部高度范圍(約0.2m高度以下)呈現了從受上游地貌向受下游地貌影響的發展過程,平均風速逐漸增大,湍流度逐漸減小。

建筑物模型高度為0.1m,圖6給出了高度0.1和0.4m這2個代表性高度處平均風速和湍流度隨著地貌發展的變化規律,圖中給出的是與上游均勻粗糙地貌下對應高度處的比值,可以看出:0.4m高度處的平均風速及湍流度變化率基本在1.0左右,不受下游新地貌影響,即此高度始終位于外邊界層范圍內。在0.1m高度處,在距離地貌改變點0.4m之內,平均風速及湍流度變化較小,與上游地貌數值相近,說明處于外邊界層范圍內;距地貌變化點0.4～1.2m范圍內,平均風速及湍流度隨著離地貌變化點的距離改變發生明顯變化,說明處于非均勻風場過渡邊界層內;距地貌變化點距離大于1.2m之后,平均風速和湍流度變化緩慢并趨于穩定,說明處于由下游地貌決定的平衡邊界層內。以上結果相當于說明:換算到原形地貌,對于高度20m處,距離地貌變化點約80m范圍內,主要受上游地貌控制,處于外邊界層范圍;距離地貌變化點約80～240m范圍內,受2種地貌共同作用,處于過渡邊界層范圍;但距離地貌變化點大于240m時,主要受下游地貌影響,處于平衡邊界層范圍。

3 平屋面建筑風壓特性

下文主要針對0°風向,分析兩類均勻地貌和非均勻地貌條件下,平屋面建筑的屋面平均風壓系數、均方根風壓系數和整體平均風壓系數的變化規律。

3.1 兩類均勻地貌下的屋面風壓分布

圖7給出了粗糙均勻地貌下,屋面的平均風壓系數和均方根風壓系數分布圖,圖8為兩均勻地貌下屋面各測點風壓系數對比圖,可以看出:平均風壓系數的變化趨勢和均方根風壓系數相似,均是屋面迎風分離區最大,沿著順風向幅值逐漸減小,平均風壓系數變化梯度明顯大于均方根風壓系數;除屋面迎風下游區粗糙地貌下的平均風壓系數幅值略小于平坦地貌,屋面其它位置平均風壓系數幅值和脈動風壓系數都是粗糙地貌明顯大于平坦地貌;地貌對脈動風壓系數的影響明顯大于對平均風壓系數的影響,并且在均方根風壓系數大的氣動分離位置影響更大。

圖9給出了在0°～90°風向范圍內,兩類均勻地貌下的屋面整體平均風壓系數,可以看出:兩類均勻地貌屋面整體平均風壓系數幅值隨著風向角的增大而減小,粗糙均勻地貌屋面整體風壓系數最小值為-0.60;在0°～45°風向范圍內,粗糙地貌條件下的屋面整體風壓系數幅值明顯大于平坦地貌,兩者相差約10%,當風向大于45°,不同地貌產生的風壓系數值差別較小。

3.2 非均勻地貌下的屋面風壓分布

圖10和11為0°風向下,建筑中心距地貌改變點6個不同位置處,屋面中心斷面測點分別按照式(1)和(2)兩類定義方式的平均風壓系數和均方根風壓系數的變化規律,其中當距離大于1.9m時,屋面風壓系數已經趨于穩定,圖中未給出該部分結果。從以建筑物位置動壓為無量綱化的風壓系數結果,可以看出:地貌變化對均方根風壓系數有較大影響,隨著距地貌變化點距離的增大,屋面均方根風壓系數逐漸減小,當離地貌改變點距離大于1.3m后,趨于穩定;地貌對平均風壓系數的影響小于均方根風壓系數,從上游粗糙地貌變化到過渡邊界層范圍內,屋面迎風分離區平均風壓系數幅值顯著減小,屋面迎風下游區負壓幅值減小,迅速接近于由下游地貌決定的平衡邊界層的風壓試驗結果,在過渡邊界層范圍內(建筑中心離地貌改變點0.7～1.3m范圍內)變化較小,隨著距離地貌變化點的增大,平均風壓系數幅值略有減小。從以上游粗糙地貌的動壓無量綱化得到的風壓系數,可以看出:從粗糙地貌變化到平坦地貌,來流動壓增大,但是以來流為參考的風壓系數幅值減小,兩者共同作用導致從受上游影響的外邊界層變化到非均勻地貌過渡邊界層和平衡邊界層的過程中,迎風氣動分離負壓區平均風壓系數值變化很小,在屋面迎風下游負壓區幅值增加,均方根風壓系數在迎風負壓區幅值減小,從粗糙地貌到剛進入過渡邊界層范圍內,風壓系數值變化顯著,但進入過渡邊界層范圍后,隨著離地貌變化點的距離增大,風壓系數值變化很小。這一結論對工程中評估地貌變化對建筑物屋面風荷載的影響十分重要,即在上游基本風壓相同的條件下,從粗糙地貌變化為平坦地貌,與均勻粗糙地貌相比,建筑物屋面迎風負壓分離區平均風荷載變化較小,而脈動風荷載變化稍大且數值變小。

圖12給出了離地貌改變點6個不同位置處,0°～90°風向范圍內,屋面整體平均風壓系數比例系數Rmean及R′mean,可以看出:各風向角下,屋面風壓系數比例系數Rmean基本保持不變,其主要原因如圖10(a)所示,隨著離地貌變化點的距離增大,屋面迎風分離區負壓幅值減小,但迎風下游區域幅值增大,導致整個屋面數值變化不大,而且在過渡邊界層范圍內,平均風壓系數變化較小;各風向下,屋面整體平均風壓系數比例系數R′mean在過渡邊界層內(建筑中心離地貌改變點0.7～1.3m范圍內)增長較快,建筑中心離地貌改變點距離大于1.3m的范圍,R′mean基本保持穩定,為1.17左右,且R′mean隨風向角變化并不敏感,結合圖12(a)和非均勻邊界層模擬結果圖5,說明非均勻地貌對屋面整體平均風荷載的主要影響因素是來流動壓變化。

4 結 論

本文利用風洞試驗,模擬了非均勻地貌大氣邊界層,采用剛性模型測壓試驗,研究了兩類均勻地貌和非均勻地貌下,單個平屋面建筑(長∶寬∶高=3∶2∶1)的屋面風壓特性,得到以下主要結論:

(1)在均勻粗糙地貌下,平屋面絕大多數位置平均風壓系數幅值和脈動風壓系數大于均勻平坦地貌,且脈動風壓系數差別更大。

(2)從粗糙地貌變化為平坦地貌的非均勻地貌中,以建筑物位置處動壓為參考,隨著距地貌變化點的距離增大,脈動風壓系數逐漸減小且變化顯著,但平均風壓系數變化較小。

(3)從粗糙地貌變化為平坦地貌的非均勻地貌中,以上游粗糙地貌動壓為參考,隨著距地貌變化點的距離增大,屋面迎風分離區平均風壓變化較小,迎風下游風壓幅值增大,脈動風壓幅值略有減小,但在過渡邊界層范圍內變化較小。屋面整體平均風荷載的主要影響因素是來流動壓變化。

[1]Logan E,Fichtl G H.Rough-to-smooth transition of an equilibrium neutral constant stress layer[J].Boundary-Layer Meteorology,1975,8(3):525-528.

[2]Deaves D M.Terrain-dependence of longitudinal R.M.S.velocities in the neutral atmosphere[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1981,8(3):259-274.

[3]Porté-Agel M A F.A new boundary condition for large-eddy simulation of boundary-layer flow over surface roughness transitions[J].Journal of Turbulence,2012,13(23):1-18.

[4]Bradley E F.A micrometeorological study of velocity profiles and surface drag in the region modified by a change in surface roughness[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1968,94(401):361-379.

[5]Wang K.Modeling terrain effects and application to the wind loading of low buildings[D].Montreal:Concordia University,2005.

[6]Lettau H.Note on aerodynamic roughness-parameter estimation on the basis of roughness-element description[J].Journal of Applied Meteorology and Climatology,1969,8(5):828-832.

[7]Sill B L,Fang C.Effect of upstream roughness element distribution on wind loads on low rise structures[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1990,36:1289-1297.

[8]Panofsky H A,Petersen E L.Wind profiles and change of terrain roughness at Ris?[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1972,98(418):845-854.

[9]Cao S,Tamura T.Experimental study on roughness effects on turbulent boundary layer flow over a two-dimensional steep hill[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2006,94(1):1-19.

[10]Cao S,Tamura T.Effects of roughness blocks on atmospheric boundary layer flow over a two-dimensional low hill with/without sudden roughness change[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2007,95(8):679-695.

[11]劉熙明,胡非.大氣邊界層的研究——從均勻到非均勻[J].氣象與減災研究,2007,30(2):44-51.Liu X M,Hu F.Atmospheric Boundary Layer(ABL)research:from homogeneous to heterogeneous[J].Meteorology and Disaster Reduction Research,2007,30(2):44-51.

[12]Liu M,Chen X,Yang Q.Characteristics of dynamic pressures on a saddle type roof in various boundary layer flows[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2016,150:1-14.

[13]Yong C K,Yoshida A,Tamura Y.Characteristics of surface wind pressures on low-rise building located among large group of surrounding buildings[J].Engineering Structures,2012,35:18-28.

[14]中國建筑科學研究院.GB 50009—2012建筑結構荷載規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012:31-33.China Academy of Building Research.GB 50009—2012 load code for the design of building structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2012:31-33.

[15]ASCE.ASCE 7-10 Minimum design loads for buildings and other structures[S].American Society of Civil Engineers,2010:246-254.

[16]陳波,駱盼育,楊慶山.測壓管道系統頻響函數及對風效應的影響[J].振動與沖擊,2014(3):130-134.Chen B,Luo P Y,Yang Q S.Frequency response function of a pressure measurement pipe system and its effect on structural wind effects[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(3):130-134.

Wind pressure on flat roof building in heterogeneous terrain

Chen Bo*,Du Kun,Yang Qingshan
(Beijing’s Key Laboratory of Structural Wind Engineering and Urban Wind Environment,School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

With pressure measurement experiments in wind tunnel,wind pressure distribution on the flat roof of a building in two kinds of uniform terrains and one kind of heterogeneous terrain was investigated.The results demonstrate:the mean and fluctuating wind pressure coefficients on the roof in a uniform rough terrain are larger than those in a uniform smooth terrain,and this difference of the fluctuating pressure is more significant;When the pressure coefficients are normalized by the dynamic wind pressure of the building location,fluctuating wind pressure coefficients decrease significantly and mean pressure coefficients change slowly with an increase of the distance from the terrain change point to the building location in a rough to smooth heterogeneous terrain;When the pressure coefficients are normalized by the dynamic wind pressure of upstream terrain,mean pressure coefficients at the separation area change slowly,the amplitudes at the downstream roof area increase,and fluctuating wind pressure coefficients decrease slightly with an increase of the distance from the terrain change point to the building location,but these changes are small in the range of transition boundary layer;The main factor affecting total mean wind loads on the roof is the incoming dynamic pressure.

heterogeneous terrain;boundary layer simulation;flat roof;wind tunnel test;wind pressure

TU317+.9

:A

(編輯:李金勇)

2016-12-26;

:2017-04-26

國家自然科學基金項目(51378059);北京市科技新星計劃(Z151100000315051);高等學校學科創新引智計劃項目(B13002)

*通信作者E-mail:chenbohrb@163.com

Chen B,Du K,Yang Q S.Wind pressure on flat roof building in heterogeneous terrain.Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2017,31(3):46-51,59.陳 波,杜 坤,楊慶山.非均勻地貌的平屋面建筑風荷載特性研究.實驗流體力學,2017,31(3):46-51,59.

1672-9897(2017)03-0046-07

10.11729/syltlx20160213

陳 波(1979-),男,湖北黃岡人,教授,博導。研究方向:結構風工程。通信地址:北京市海淀區上園村3號北京交通大學238室(100044)。E-mail:chenbohrb@163.com