坡地高層建筑非穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)荷載特性研究

汪之松，劉鴻，劉亞南，董志超，方智遠(yuǎn)

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045;2. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

坡地高層建筑非穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)荷載特性研究

汪之松1,2?，劉鴻1，劉亞南1，董志超1，方智遠(yuǎn)1

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045;2. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

目前結(jié)構(gòu)風(fēng)工程對(duì)于雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)荷載的研究多局限于穩(wěn)態(tài)沖擊射流模型，較少考慮風(fēng)速隨時(shí)間的變化以及坡地地形等因素的影響.基于沖擊射流模型，引入衰減函數(shù)使得射流的入口風(fēng)速更加接近真實(shí)的雷暴沖擊風(fēng)整個(gè)生命周期的衰變過程，并通過瞬態(tài)大渦模擬(LES)分析了坡地地形中坡頂位置處典型高層建筑的建筑風(fēng)荷載特性及坡地地形雷暴沖擊風(fēng)場(chǎng)特性.結(jié)果表明，LES瞬態(tài)模擬具有較高的可靠性，非穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速波動(dòng)較大，變化規(guī)律與實(shí)測(cè)的下?lián)舯┝黠L(fēng)速曲線類似；建筑表面的風(fēng)荷載具有強(qiáng)烈的非平穩(wěn)特性，且隨著風(fēng)速迅速衰減；非穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)的風(fēng)荷載波動(dòng)大且潛在破壞能力更強(qiáng)；坡地地形下建筑迎風(fēng)面風(fēng)荷載普遍比平地小，且對(duì)建筑中上部的影響明顯要大于底部，隨著起坡角度的增大,建筑中上部風(fēng)荷載逐漸減小.

雷暴沖擊風(fēng)；非穩(wěn)態(tài)；坡地地形；風(fēng)荷載特性；大渦模擬

由于雷暴沖擊風(fēng)所引起的近地面強(qiáng)風(fēng)具有極大災(zāi)害性，從19世紀(jì)40年代起各國(guó)紛紛加大了對(duì)雷暴沖擊風(fēng)的研究力度.各國(guó)學(xué)者為了揭示雷暴沖擊風(fēng)的形成發(fā)展機(jī)理，開展了包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、解析模型、實(shí)驗(yàn)室物理模擬、數(shù)值模擬等多方面研究工作.

現(xiàn)實(shí)中的雷暴沖擊風(fēng)是一個(gè)風(fēng)速隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)過程.關(guān)于雷暴沖擊風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)研究，早期主要是通過實(shí)測(cè)記錄的方法，Holmes和Oliver[1]在實(shí)測(cè)記錄與理論分析的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)衰減函數(shù)乘以最大徑向速度，首次提出了描述沖擊風(fēng)的時(shí)程曲線.Chay等[2]和Abd-Elaal等[3]基于Zhang等[4]及Wilson等[5]的數(shù)據(jù)對(duì)先前的強(qiáng)度衰減函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn).

Abd-Elaal等[6]在先前研究的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際風(fēng)速采集時(shí)不同測(cè)點(diǎn)的非同步性和環(huán)境常規(guī)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，給出了一個(gè)新的速度入口強(qiáng)度衰減函數(shù)來模擬非穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)：將速度入口生命周期分成兩段，第1段速度為恒定值，第2段速度突然減小到接近于0.但根據(jù)Wakimoto[7]等人研究成果，雷暴沖擊風(fēng)大致要經(jīng)歷3個(gè)或者4個(gè)階段，簡(jiǎn)單概括為形成階段、成熟階段及消退階段，實(shí)際雷暴風(fēng)的消退是一個(gè)漸變的過程，因此Abd-Elaal所提出的衰減函數(shù)第2階段與現(xiàn)實(shí)的雷暴沖擊風(fēng)消退規(guī)律存在差異.

在關(guān)注沖擊風(fēng)所引起的近地面強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)特征的同時(shí)，該風(fēng)場(chǎng)作用下的建筑風(fēng)荷載特性也逐漸受到風(fēng)工程研究學(xué)者的重視，但針對(duì)考慮地形影響的雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)荷載規(guī)律討論較為罕見.Holmes[8]對(duì)坡度為0.25的梯形山地地形進(jìn)行沖擊射流風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了單一位置處加速因子.Letchford等[9]研究了不同坡度的坡地及梯形山體地形雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性，并測(cè)試了同一位置處的加速效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)加速因子與坡度成正比.Wood等[10]通過沖擊射流實(shí)驗(yàn)，考察了坡度為0.5的坡地地形風(fēng)場(chǎng)，得出坡頂加速因子等于1.0加上坡度值.Mason等[11-13]等對(duì)不同坡度的坡地地形的雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，坡頂風(fēng)速都有較明顯的加速效應(yīng).

本文基于風(fēng)洞試驗(yàn)和大渦模擬方法(LES)，在沖擊射流的速度入口定義一個(gè)符合雷暴風(fēng)整個(gè)生命周期的函數(shù)來模擬雷暴沖擊風(fēng)的全周期衰減過程，并對(duì)坡地地形影響下的高層建筑風(fēng)荷載特性進(jìn)行分析，得出了非穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)作用下的極值風(fēng)荷載與平均風(fēng)荷載的相關(guān)特性.

1 速度函數(shù)選擇

已有研究給出的雷暴沖擊風(fēng)的非穩(wěn)態(tài)時(shí)程如圖1所示.

圖1 下?lián)舯┝鞒隽鲝?qiáng)度隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)記錄 [6]Fig.1 Normalised radial velocity versus time[6]

Holmes和Oliver[1]提出的沖擊風(fēng)時(shí)程曲線函數(shù)為：

Π=e(-t/T)

(1)

式中：t為雷暴沖擊風(fēng)達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的時(shí)刻；T為時(shí)間常數(shù).

Chay等[2]和Abd-Elaal[3]等提出的改進(jìn)強(qiáng)度衰減函數(shù)如式(2)所示.

(2)

結(jié)合Abd-Elaal[6]等的研究成果，本文同樣采用兩段入口風(fēng)速模擬雷暴風(fēng)的發(fā)展與衰減：第1段ΔtI時(shí)間內(nèi)速度為恒定值；第2段Δtd時(shí)間內(nèi)引入一個(gè)衰減函數(shù)來模擬沖擊風(fēng)的消退過程，具體表達(dá)式為：

(3)

為了便于與前期的沖擊射流試驗(yàn)結(jié)果[14]進(jìn)行對(duì)比，本文的數(shù)值計(jì)算模型采用1∶1 000的幾何縮尺模型，風(fēng)速比為1∶5，時(shí)間比為1∶200.為考察沖擊射流持續(xù)時(shí)間的影響，數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮入口風(fēng)速函數(shù)中的ΔtI分別為0.6 s，0.9 s，1.2 s 3種情況，對(duì)應(yīng)的Δtd分別為2.4 s，2.1 s，1.8 s.圖2為入口風(fēng)速變化曲線.

圖2 入口風(fēng)速變化曲線Fig.2 Inlet velocity versus time

2 沖擊射流數(shù)值模擬

采用流體計(jì)算軟件Fluent14.0對(duì)沖擊射流模型進(jìn)行數(shù)值模擬.選用大渦模型(LES)求解沖擊射流非穩(wěn)態(tài)射流瞬態(tài)流場(chǎng).本文根據(jù)Hjelmfelt[15]對(duì)實(shí)際下?lián)舯┝鞒叨忍卣鞯拿枋鋈jet=600 m，H=3Djet.計(jì)算入口采用速度入口邊界條件(Velocity-inlet)，初始出流速度均為Vjet=6 m/s；LES模擬采用經(jīng)典的Smagorinsky-Lilly模型，壓力和速度場(chǎng)耦合采用SIMPLEC算法，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，共3 000步，計(jì)算周期為3 s.另外，為了便于比較，平地與坡地沖擊射流高度都采用3Djet.圖3(a)和3(b)分別為平地和坡地情況下的計(jì)算域剖面及邊界條件示意圖.

為滿足計(jì)算精度和效率，模型采用三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，風(fēng)暴中心及建筑周圍為雙層O型網(wǎng)格.對(duì)近地面和建筑表面采用增強(qiáng)壁面處理，近壁面最小網(wǎng)格高度為1×10-5m，網(wǎng)格總量約6.0×106，y+=0.5.為便于比較，基于雷諾平均法(RANS)和LES法進(jìn)行了相同工況下穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)作用的對(duì)比計(jì)算.數(shù)值模擬工況如表1所示.

(a)平地

(b)坡地圖3 數(shù)值模型計(jì)算域與邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of computational domain and boundary conditions

工況H/mmL/mmi/(°)平地09000i=15.0°150559.815.0i=22.5°150362.122.5i=30.0°15026030.0i=45.0°15015045.0

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 非穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特性

CFD數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)測(cè)數(shù)據(jù)的水平風(fēng)速豎向風(fēng)剖面和徑向風(fēng)剖面的比較分別如圖4和5所示.CFD數(shù)值模擬結(jié)果選取r=1.25Djet處的豎向風(fēng)剖面，Z=0.015Djet處的徑向風(fēng)剖面.其中Zmax為最大水平風(fēng)速對(duì)應(yīng)的豎向高度，Vmax為沿徑向水平風(fēng)速最大值，rvmax為最大水平風(fēng)速對(duì)應(yīng)的徑向距離.最大水平風(fēng)速所在的徑向位置約為1.25Djet，最大水平風(fēng)速所在的高度約為0.015Djet.相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及國(guó)外相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)最大水平風(fēng)速所在的徑向位置約為1.0Djet～1.25Djet，而最大水平風(fēng)速所在的高度約為0.005Djet～0.025Djet，與本文計(jì)算結(jié)果基本一致.

圖4 CFD數(shù)值模擬與各模型豎直風(fēng)剖面比較Fig.4 Comparison of vertical wind profile of CFD numerical simulation and analytical models

圖5 CFD數(shù)值模擬與各模型徑向風(fēng)剖面比較Fig.5 Comparison of radial wind profile of CFD numerical simulation and analytical models

圖6給出了3種ΔtI下最大水平風(fēng)速的時(shí)程曲線對(duì)比圖.

圖6 3種不同周期下最大水平風(fēng)速的時(shí)程曲線Fig.6 Normalised temporal profiles of the radial speed at location of maximum speed for three different ages

從圖6可以看出,3種情況下的測(cè)點(diǎn)(徑向1.25Djet，高度為0.015Djet)均在0.6 s時(shí)刻達(dá)到了最大值，此時(shí)主漩渦經(jīng)過測(cè)點(diǎn)位置，使得徑向出流強(qiáng)度達(dá)到了最強(qiáng)；當(dāng)入口風(fēng)速開始衰減時(shí)，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速并非迅速衰減，而是繼續(xù)保持一段相對(duì)穩(wěn)定后才逐漸衰減；隨著入口風(fēng)速穩(wěn)定段ΔtI的增加，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速衰減段較大風(fēng)速持續(xù)的時(shí)間也逐漸增加.

圖7和圖8分別給出了平地與坡地情況下，1.5Djet徑向位置不同高度處的水平風(fēng)速時(shí)程曲線和豎向風(fēng)速時(shí)程曲線，反映了速度強(qiáng)度沿高度方向的變化趨勢(shì).水平風(fēng)速隨著高度的增加先增加到最大值(Z=0.015Djet)，然后逐漸減小；豎向風(fēng)速隨著高度的增加持續(xù)增加；坡地地形對(duì)坡頂處測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程變化趨勢(shì)影響不大，坡地對(duì)坡頂處的豎向風(fēng)速影響較大，坡地坡角越大，坡頂測(cè)點(diǎn)的豎向風(fēng)速越大.

(a)平地 (b) i=15°

(c) i=22.5° (d) i=30°圖7 1.5Djet徑向位置不同高度處的水平風(fēng)速時(shí)程曲線Fig.7 Normalised temporal profiles of the radial speed at r/D=1.5 for different heights(ΔtI=0.9 s)

(a)平地 (b)i=15°

(c) i=22.5° (d) i=30°圖8 1.5Djet徑向位置不同高度處的豎向風(fēng)速時(shí)程曲線Fig.8 Normalised temporal profiles of the vertical speed at r/D=1.5 for different heights(ΔtI=0.9 s)

3.2 非穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)風(fēng)荷載特性

3.2.1 迎風(fēng)面風(fēng)壓瞬時(shí)特性

限于篇幅，僅給出在ΔtI=0.9 s，坡角i=30°情況下風(fēng)速云圖及建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)(如圖9所示).從圖9中可以看出，在t=0.45 s時(shí)，噴口出流速度相對(duì)穩(wěn)定，來流風(fēng)到達(dá)建筑物表面，由于建筑阻擋,在坡頂處建筑底部有一氣流停滯點(diǎn)，建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓呈層狀分布且下大上小,但總體值較小(見圖9(a))；在t=0.90 s時(shí)，噴口出流穩(wěn)定，來流風(fēng)流過建筑，大約在建筑1/4高度處來流風(fēng)受建筑阻撓產(chǎn)生分離，一部分氣流向下運(yùn)動(dòng)形成旋渦，另一部分沿建筑表面上升并越過建筑表面，受這一影響建筑表面風(fēng)壓系數(shù)在1/4高度位置達(dá)到最大值，而兩端較小部分邊沿處出現(xiàn)負(fù)壓(見圖9(b))；在1.35 s之后，噴口風(fēng)速急劇減少，建筑附近來流風(fēng)風(fēng)速急劇減少，建筑表面風(fēng)壓系數(shù)急劇減少(見圖9(c)和(d)).

(a)t=0.45 s

(b)t=0.90 s

(c)t=1.35 s

(d)t=2.25 s圖9 各時(shí)刻風(fēng)速云圖及建筑迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 The time wind speed and cloud building windward pressure coefficient at different time

3.2.2 風(fēng)荷載的瞬時(shí)特性

迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)布置及層劃分如圖10所示.對(duì)數(shù)值模擬得到測(cè)點(diǎn)的時(shí)程風(fēng)壓進(jìn)行了處理，圖11給出了平地1.5Djet工況迎風(fēng)面中線測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線.由圖11可以看出，建筑模型中下部區(qū)域測(cè)點(diǎn)的極值風(fēng)壓較大，而上部區(qū)域測(cè)點(diǎn)的極值風(fēng)壓相對(duì)較小，不足下部測(cè)點(diǎn)的一半，這與雷暴沖擊風(fēng)在近地面區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性相關(guān)；非穩(wěn)態(tài)雷暴沖擊風(fēng)作用下建筑模型迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的極值風(fēng)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LES瞬態(tài)模擬和RANS穩(wěn)態(tài)模擬風(fēng)壓的時(shí)均值，極值風(fēng)壓約為時(shí)均風(fēng)壓的2.2～2.5倍.

圖10 建筑模型壓力測(cè)點(diǎn)層劃分Fig.10 Layer division of measuring points

圖12給出了平地及不同坡地工況迎風(fēng)面中線各高度測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線.近地面處測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓較大，隨著高度的增加，測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓逐漸減小.坡地地形對(duì)迎風(fēng)面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程變化趨勢(shì)影響不大，相比平地而言，坡地測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓有所減小.

實(shí)際工程中更關(guān)注的是建筑各層的風(fēng)荷載，對(duì)非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行層劃分，圖13和圖14分別給出了各層的層阻力系數(shù)時(shí)程曲線及地形對(duì)各層阻力系數(shù)時(shí)程曲線的影響.從圖中可以看出，雷暴風(fēng)作用下高層建筑的阻力主要體現(xiàn)在建筑模型中下部區(qū)域，這與雷暴風(fēng)水平風(fēng)速的豎向風(fēng)剖面相一致.坡地對(duì)2，3，4層的阻力系數(shù)影響較小，而對(duì)7層的阻力影響較大，當(dāng)坡度較大時(shí)，層阻力有減小的趨勢(shì).

為了探究雷暴風(fēng)作用下高層建筑的極值風(fēng)荷載與平均風(fēng)荷載的大小關(guān)系，圖15和圖16分別給出了平地1.5Djet工況和坡地i=30°工況非穩(wěn)態(tài)層阻力曲線與風(fēng)洞試驗(yàn)、RANS穩(wěn)態(tài)模擬及LES瞬態(tài)模擬得到的時(shí)均層阻力系數(shù)對(duì)比圖.從圖中可以看出，風(fēng)洞試驗(yàn)、RANS穩(wěn)態(tài)模擬和LES瞬態(tài)模擬得到的時(shí)均層阻力系數(shù)具有較高的吻合度，3種方法相互驗(yàn)證了此研究結(jié)果的可靠性.建筑模型中下部區(qū)域的層阻力較大，而中上部區(qū)域的層阻力相對(duì)較小，平地地形7層的極值阻力約為2層的極值阻力的70%，i=30°坡地地形7層的極值阻力約為2層的極值阻力的43%，這與雷暴沖擊風(fēng)在近地面區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性相關(guān)；與穩(wěn)態(tài)風(fēng)荷載均值相比，非穩(wěn)態(tài)時(shí)變雷暴風(fēng)波動(dòng)較大，同時(shí)非穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)效應(yīng)也具有潛在巨大的破壞能力，順風(fēng)向的極值阻力為穩(wěn)態(tài)均值風(fēng)荷載的2.2～2.5倍.

(a) 測(cè)點(diǎn)A23(Z=0.05H) (b) 測(cè)點(diǎn)A20 (Z=0.15H)

(c) 測(cè)點(diǎn)A17(Z=0.25H) (d) 測(cè)點(diǎn)A2(Z=0.95H)圖11 迎風(fēng)面中線測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線Fig.11 Pressure coefficient time-history of windward center-line points(ΔtI=0.9 s)

(a) 測(cè)點(diǎn)A23 (b) 測(cè)點(diǎn)A20

(c) 測(cè)點(diǎn)A17 (d) 測(cè)點(diǎn)A2圖12 不同工況迎風(fēng)面中線各高度測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線Fig.12 Pressure coefficient time-history of windward center-line points at various height in different cases(ΔtI=0.9 s)

(a)平地(b)i=30°圖13 不同工況各層阻力系數(shù)時(shí)程曲線Fig.13 Dragcoefficienttime-historyofeverylayerindifferentcases(ΔtI=0.9s)

(a)1層(Z=0.1H～0.2H)(b)3層(Z=0.2H～0.325H)(c)4層(Z=0.325H～0.5H)(d)7層(Z=0.8H～0.9H)圖14 地形對(duì)各層阻力系數(shù)時(shí)程曲線的影響Fig.14 Effectoftopographyondragcoefficienttime-historyofeverylayer(ΔtI=0.9s)

(a)2層(Z=0.1H～0.2H)

(b)3層 (Z=0.2H～0.325H)

(c)4層(Z=0.325H～0.5H)

(d)7層(Z=0.8H～0.9H)圖15 各層阻力系數(shù)時(shí)程曲線與時(shí)均值的對(duì)比圖(平地工況1.5Djet)Fig.15 Comparisons of time-history curve and mean value of drag coefficient of each layer(1.5Djet)

(a)2層(Z=0.1H～0.2H)

(b)3層 (Z=0.2H～0.325H)

(c)4層(Z=0.325H～0.5H)

(d)7層(Z=0.8H～0.9H)圖16 各層阻力系數(shù)時(shí)程曲線與時(shí)均值的對(duì)比圖(坡地工況i=30°)Fig.16 Comparisons of time-history curve and mea value of drag coefficient of each layer(i=30°)

圖17分別給出了坡地i=15o，i=45o時(shí)，ΔtI=0.6 s，ΔtI=0.9 s，ΔtI=1.2 s 3種工況下建筑迎風(fēng)面中線處的風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比圖，圖18列出了不同工況不同層的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線.從圖17中可以看出，不同生命周期雷暴風(fēng)的風(fēng)壓系數(shù)極值沒有明顯區(qū)別，曲線走勢(shì)相同，但是生命周期越長(zhǎng)建筑表面風(fēng)壓持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)，這與人們主觀感受的作用時(shí)間越長(zhǎng)破壞越大相契合.而圖18所反映的建筑底部跟上部在不同工況下風(fēng)壓系數(shù)曲線變化趨勢(shì)同樣高度相似，這一方面印證了模擬的準(zhǔn)確性，另一方面也反映了雷暴風(fēng)持續(xù)越久對(duì)建筑破壞越大這一結(jié)論是正確的.

(a) i=15°

(b) i=45°圖17 不同生命周期不同坡角建筑迎風(fēng)面中線風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線Fig.17 Pressure coefficient time-history curve of windward center-line points of different slope angles in different life cycles

(a)2層(Z=0.1H～0.2H)

(b)7層(Z=0.8H～0.9H)圖18 不同工況不同層風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程曲線Fig.18 Pressure coefficient time-history of different layer in different cases

4 結(jié) 論

本文引入一個(gè)符合雷暴沖擊風(fēng)生命周期演化過程的數(shù)學(xué)模型來模擬接近真實(shí)情況的下?lián)舯┝鳑_擊風(fēng)衰減過程，并對(duì)該非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)作用下的建筑物風(fēng)荷載特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)比了平地及不同坡角情況下坡頂位置處典型高層建筑的風(fēng)壓及層風(fēng)荷載特性，主要結(jié)論有：

1)與穩(wěn)態(tài)沖擊射流風(fēng)場(chǎng)相比，非穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速波動(dòng)較大，變化規(guī)律與實(shí)測(cè)的下?lián)舯┝黠L(fēng)速曲線類似，雷暴沖擊風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)其水平風(fēng)速和豎向風(fēng)速大體上都是在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到最大值，然后保持一定值波動(dòng)后迅速衰減為零.

2)非穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)作用下的LES瞬態(tài)模擬結(jié)果表明，建筑表面的風(fēng)荷載具有強(qiáng)烈的非平穩(wěn)特性，在入口風(fēng)速為恒定值階段，隨著時(shí)間推移建筑表面風(fēng)荷載逐漸達(dá)到最大值，然后隨著風(fēng)速衰減建筑表面風(fēng)荷載迅速衰減；且雷暴風(fēng)對(duì)于建筑中部影響明顯大于建筑上部跟底部.

3)LES瞬態(tài)模擬與之前的風(fēng)洞試驗(yàn)得到的時(shí)均層阻力系數(shù)吻合較好，驗(yàn)證了本文采用的LES數(shù)值模擬具有較高的可靠性.非穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)的風(fēng)荷載波動(dòng)大且潛在破壞能力更強(qiáng)，在建筑物順風(fēng)向，非穩(wěn)態(tài)沖擊風(fēng)的極值阻力可達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的2.2～2.5倍.

4)對(duì)于不同坡度情況下的坡地頂部高層雷暴沖擊風(fēng)荷載的分析表明，起坡角度對(duì)于建筑物的順風(fēng)向風(fēng)荷載有一定的影響，坡地地形下建筑迎風(fēng)面風(fēng)荷載普遍較平地小，且對(duì)建筑中上部的影響明顯要大于底部，隨著起坡角度的增大，建筑中上部風(fēng)荷載逐漸減小.

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Analysis on Wind Load Characteristics of High-rise Buildingsunder Unsteady-state Downburst over Slope Topography

WANG Zhisong1,2?,LIU HONG1,LIU Yanan1,DONG Zhichao1,FANG Zhiyuan1

(1.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China )

The existing researches for wind load characteristics of the downburst mainly concentrated on stationary impinging jet model，but rare investigation was for time-varying characteristics and the impact of mountain terrain. In this paper，based on the impinging jet model，the decay function was brought in to make the inlet wind velocity more close to the decay process of the whole life cycle of the thunderstorm，and the wind load characteristics of typical high-rise buildings on the top of the slopes and the characteristics of the thunderstorms on the slope landforms were analyzed by transient large eddy simulation (LES). The results show that the transient simulation of LES is more reliable，the wind speed fluctuation of the unsteady shock wind field is larger，and the variation law is similar to the measured wind speed curve. The unsteady wind load shows strong unsteady characteristics，greater fluctuations and rapid attenuation with wind speed. The wind load fluctuation of unsteady shock wind is wide and has strong potential to damage，the wind load on the sloping terrain is generally smaller than that of the flat ground，and the influence of the slope terrain on the upper part of the building is obviously higher than that of the bottom. With the enlarging of slope angle，the upper wind load gradually decreases.

downburst；unsteady state；slope terrain；wind load characteristics；Large Eddy Simulation (LES)

TU973.213

A

1674-2974(2017)11-0088-11

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.011

2016-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208537),National Natural Science Foundation of China(51208537)

汪之松(1980— )，男，安徽舒城人，重慶大學(xué)副教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail：wangzhisong@cqu.edu.cn