周蕾,何旭輝,陳爭衛,謝臺中,敬海泉
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風屏障對橋梁及車橋系統氣動特性影響的數值研究
周蕾1, 2, 3,何旭輝1, 2, 3,陳爭衛3,謝臺中3,敬海泉1, 2, 3
(1. 中南大學 土木工程學院,湖南 長沙,410075;2. 中南大學 高速鐵路建造技術國家工程實驗室,湖南 長沙,410075;3. 中南大學 軌道交通安全關鍵技術國際合作聯合實驗室,湖南 長沙,410075)
利用數值模擬方法探究風屏障參數對流線型橋梁氣動特性的影響;分析風屏障對不同橋型氣動特性的影響并進行橫向對比;討論風屏障的透風率對車橋系統的氣動特性以及流場的影響,通過分析車橋的三分力系數、壓力云圖、速度流線圖、車橋表面風壓分布以及風剖面等特征,揭示風屏障對車橋系統氣動特性的影響機理。研究結果表明:風屏障能降低主梁上方的流速,從而減小列車的阻力和力矩,但同時也增加了橋的阻力,因此,安裝風屏障可提高列車的行駛安全性但不利于橋梁抗風;針對流線型主梁斷面,當風屏障高度為3 m且透風率為30%時為最優組合,此時車橋系統的阻力系數可達到最小值1.33;風屏障對不同橋型的遮蔽效應不同,相同的風屏障遮蔽效應對流線型主梁斷面的影響遠大于對鈍體主梁斷面的影響。
風屏障;車橋系統;橫風;透風率
隨著列車質量越小,行駛速度越來越高,其對橫風的作用更敏感。由于“以橋代路”的建設理念致使橋梁里程所占高速鐵路里程比例非常高,且列車在橋梁上行駛時距離地面的高程加大,導致列車所受到的風速明顯大于近地面風速。如蘭新線(蘭州—新疆烏魯木齊)常年遭受50~60 m/s強風,為了降低列車周圍的風速保證行車安全性,在鐵路沿線安裝風屏障以減小側風影響[1]。大跨度橋梁風屏障除了考慮風屏障對車輛的防風效果外,還需考慮風屏障對橋梁自身抗風性能的影響。風障雖然可以減少列車的氣動力,但因增大了橋梁的迎風面積且會對流場施加干擾,增大湍流效應,使得橋梁周圍的風場更復雜,不利于橋梁的抗風設計[2],因此,大跨度橋梁風屏障均具有一定的透風率,以減小迎風面積。其中,格柵型風屏障因為美觀、視線好,便于加工、施工拼裝及維護,還可與欄桿合在一起,減小橋迎風面積等,在橋梁上得到廣泛應用[3]。目前,國內外研究者通過風洞試驗和數值模擬的方法對風屏障進行了研究。DONG等[4]在風洞中使用PIV(particle image velocimetry)技術研究了不同類型風屏障后的湍流場,發現風屏障的迎風面遮蔽效應對湍流的產生影響很大,減小透風率會使得垂直方向的平均速度減小,但湍流效應增大。然而,人們對遮蔽效應與湍流相關的機理目前還不甚了解。TELENTA等[5]通過試驗和數值模擬的方法研究了風屏障擋板轉角的變化與產生不同的湍流流動的機理。KOZMAR等[6?7]通過實驗研究了風屏障對高架橋周圍流場的影響,優化了風屏障高度和透風率。然而,這些研究僅僅關注了風屏障單獨存在時的流場,并未考慮風屏障對車橋系統的影響。HE等[8]利用風洞試驗研究了風屏障的高度和透風率對列車/橋系統的氣動力的影響,但只針對典型高鐵高架橋斷面進行研究且未從流場和風壓分布的角度解釋機理。XIANG等[9]通過風洞試驗研究了鐵路橋上列車與開孔型風屏障的氣動相互作用。TELENTA等[10]利用分離渦模擬(DES)方法模擬了受風屏障保護的車輛周圍流場及車輛的氣動特性,并沒有討論風屏障對橋梁以及車橋系統的作用。這些研究并沒有精細研究格柵型風屏障的參數(如高度和透風率等)對不同橋型和車橋系統作用的機理。為此,本文作者在驗證了數值計算方法正確性的前提下,利用數值模擬方法通過分析三分力系數、壓力云圖、速度流場、車橋表面的壓力分布以及風屏障后的風剖面,首先探討風屏障參數(透風率和高度)對流線型橋梁的氣動特性的影響,并給出此工況下風屏障的高度和透風率的最優組合;系統分析風屏障對不同橋型氣動特性的影響并進行橫向對比,討論風屏障的透風率對車橋系統的氣動特性以及流場的影響,以便闡明風屏障對車橋系統氣動特性的影響機理并對工程應用提供參考。
橋梁主梁斷面的形式對其在橫風作用下所受的氣動力有很大影響,本文基于工程背景,選用3種典型大跨橋梁或者鐵路橋梁的主梁為研究對象,探討風屏障對不同類型主梁斷面氣動特性的影響。
橋梁的主梁斷面選用如圖1所示的3種形式。
1) 流線型主梁斷面。該斷面以重慶高家花園軌道專用橋為工程研究背景,該橋為雙塔雙索面混合梁斜拉橋,用于雙向城市軌道交通,橋長為583.22 m,橋寬為19.60 m,高為1.96 m,寬高比為10,風嘴角度為75°。
2) 半流線型主梁斷面。該斷面以臺灣某大跨斜拉橋為工程背景,主梁寬為35.00 m,高為3.20 m,寬高比為10.9。
3) 桁架橋主梁斷面。該斷面以某大跨懸索橋為工程背景,主梁寬為27.00 m,高為8.00 m,寬高比為3.0。列車選用與重慶高家花園專用橋軌道配套的列車模型,如圖1(d)所示。模型僅考慮了車橋的氣動外形,忽略了橋梁上檢修道、欄桿、拉索等附屬設施,列車的輪對、轉向架、受電弓等細節的影響。

(a) 流線型斷面平面圖;(b) 流線型斷面三維圖;(c) 半流線型斷面平面圖;(d) 半流線型斷面三維圖;(e) 桁架橋斷面平面圖;(e) 桁架橋斷面三維圖;(g) 列車平面圖;(h) 列車三維數據單位:m。

圖2 風屏障的布局


基于三維、非定常、不可壓縮、黏性流場對風屏障和車橋模型進行流場數值分析,采用工程上應用廣泛的SST?湍流模型[11?12],利用Fluent進行計算,選取QUICK格式,控制方程用有限體積法(FVM) 求解。
計算域對數值計算的結果有重要影響[13]。為了平衡計算資源的有限性與計算結果的精確有效性之間的矛盾,選擇如圖3所示的計算域和邊界條件,使得湍流尾流得到充分發展,同時消除計算域邊界對模型周圍流場的干擾。設為橋的寬度,模型的長度約等于2,速度入口到模型的距離設置為5,壓力出口到模型的距離設置為10,上、下對稱邊界到模型的距離都為5,前后對稱邊界到模型的距離為5。當有車時,設置橋和風屏障的邊界條件為移動無滑移壁面以模擬車和橋之間的相對運動,在其余情況下,橋和風屏障的邊界條件設置為無滑移壁面。

圖3 計算域和邊界條件
為節省計算資源,僅考慮車橋的氣動外形,并對實際的車橋外形進行簡化,忽略橋梁上檢修道、欄桿、拉索等附屬設施以及列車的輪對、轉向架、受電弓等。計算采用1:40節段模型,計算網格是在OpenFOAM中用SnappyHexMesh生成的六面體非結構化網格。為了得到車橋系統周圍流場變化的詳細信息,設置如圖4(a)所示的精加密區和粗加密區,最大畸變度為1.49,網格增長因子設置為1.00。為了準確模擬壁面效應,在車、橋和風屏障的表面分別添加6層、6層和10層附面層,如圖4(b)所示;根據壁面雷諾數+=1將第1層附面層的厚度設置為0.028 mm。

(a) 全局網格;(b) 附面層網格
為了驗證數值計算的準確性,在中南大學風洞高速試驗段進行節段模型試驗。高速測試段長為15 m、寬為3 m、高為3 m,風速在0~94 m/s范圍內可連續調節。所有試驗均勻來流風速為=10 m/s,相應雷諾數為1.61×105,湍流強度u控制在0.5%以內。
橋梁模型固定在可轉動圓盤上,在兩端分別裝有2個動態測力天平,專用數據采集軟件可將各天平采集到的數據同步記錄在電腦上;橋梁可繞橋梁端部的測力天平作同軸轉動,以便于風攻角調節。為保證風攻角調節精度,在圓盤上設計定位孔,通過固定不同的定位孔可精確調節風攻角;測力裝置由固定在風洞地板上的豎向支撐系統支撐。使用的動態測力天平為日本NITTA公司生產的IFS型六分量動態天平,測力分辨率為0.02 N,本次試驗采樣頻率設定為1 kHz,采樣時長30 s。來流風速使用放置在測試模型中心位置上游1.5 m處的澳大利亞TFI眼鏡蛇探針進行測試。
為了便于分析,在進行公式擬合、規律分析時,采用量綱系數對比車和橋所受的氣動力。三分力系數的定義如下:
一六三師死守蘭溪防線的三個團這幾天打得頑強,成為金衢會戰最重彩濃墨的一筆,但讓趙錫田痛心的是,此役,又有幾百袍澤捐軀金蘭。

1—D實驗值;2—D數值模擬值;3—L實驗值;4—L數值模擬值;5—M實驗值;6—M數值模擬值。
圖5 風洞試驗和數值模擬的三分力系數結果對比
Fig. 5 Comparison between wind tunnel test and numerical simulation results
為探究風屏障的參數(透風率和高度)對橋梁氣動特性的影響,設置2個工況。
工況1:在流線型主梁上設置風屏障,保持風屏障的高度為3 m,依次改變風屏障的透風率(20%,30%和40%),并與未設置風屏障的裸橋進行對比。
工況2:在流線型主梁上設置風屏障,保持風屏障透風率為30%不變,改變風屏障的高度(2,3和4 m),并與無風屏障裸橋進行對比。
僅改變風屏障的透風率時,橋面風壓分布變化規律如圖6所示。從圖6可見:對于裸橋,風壓在風嘴處為最大正壓63.6 Pa,然后在迎風側上方下降至?49.7 Pa;在迎風側下方風壓保持先增后減的趨勢,從負壓?32.4 Pa增加為正壓接著降至更大負壓 ?92.6 Pa;對于橋面頂板,前部負風壓較高,最高值為?64.6 Pa,后部則保持較小的負風壓,為?2.5 Pa,背風面風壓較小,保持在?1.2 Pa左右;底板處風壓均為負值,兩端處的負壓最大,而底板的中心部分風壓幾乎保持不變。在背風面的底部,風壓從前端的 ?94.2 Pa增加到后端的?1.5 Pa;當在橋上安裝風屏障后,風屏障的存在對橋面風壓有明顯影響,但并沒有改變分布規律;風屏障的存在使得橋迎風面上側的風壓變為正值,橋迎風面下側變為負值,橋上表面前側的風壓變為正值,橋背風面的負壓增大,且橋底面處的負壓隨著風屏障透風率的增大而增加。本主梁斷面屬于流線型扁平鋼箱梁,其壓力分布與HAN等[14]研究的蘇通大橋的壓力分布基本一致,這也驗證了本文數值模擬方法的正確性。
圖7所示為風屏障透風率變化后不同位置的風剖面圖。坐標的原點設置在橋面的左端點,當橋梁上裝有風屏障時,由于遮蔽效應,能顯著降低風屏障后所有位置的平均速度。風屏障高度存在速度梯度,這是風屏障上的高速氣流區與受風屏障阻擋后的低速氣流區相互作用所致。在相同透風率下,當距離風屏障的位置變遠時,風屏障的影響高度也上升。對于同一位置的風剖面,透風率較低的風屏障總是有較強的屏蔽作用。此外,由于滲流與壁面邊界層之間的相互作用,當透風率大于20%時,梁表面速度梯度明顯。
對于小透風率(20%)的情況,風屏障之后所有位置的平均速度均較小且分布均勻,有利于列車運行安全。當距離大于1時,透風率為30%的速度分布與透風率為20%的平均速度分布較接近。對于較大透風率(40%)的情況,平均速度也比沒有風屏障時的小,但減少幅度明顯比透風率較小時的小。因此,考慮到風屏障遮蔽效率,透風率為30%是較優的選擇。

透風率:(a) 裸橋,橋上部;(b) 裸橋,橋下部;(c) 透風率為20%,橋上部;(d) 透風率為20%,橋下部; (e) 透風率為30%,橋上部;(f) 透風率為30%,橋下部;(g) 透風率為40%,橋上部;(h) 透風率為40%,橋下部

Y:(a) 1H;(b) 2H;(c) 3H
圖8所示為不同高度風屏障作用下橋梁的速度流線圖。對于速度流線分布而言,裸橋的風速在迎風側風嘴處附近減小,小于迎風面的來流風速。在橋上表面迎風側,風速明顯加快,使最高速度超過12 m/s,這將對列車運行造成危害。在橋底面的2個拐點處,因為流動分離存在2個加速區域,橋的背風側有1個狹窄的尾流減速區域,其寬度接近橋面高度。在尾流中沒有觀察到大的渦結構,當主梁安裝擋風板時,主梁周圍的流場發生顯著變化。加速區域上升到風屏障的頂部。風屏障阻擋了部分來流,降低了梁的上表面風速,這有利于列車的安全行駛,但同時顯著增大了尾流的寬度,也增加了橋梁下表面附近的風速,使得橋梁的阻力增加,對橋梁安全性產生危害。當風屏障高度為3 m時,風屏障后方遮蔽的低速風速區遠比不設置風屏障和風屏障高度為2 m時的大,且不會像圖8(d)所示那樣在橋面和列車底部附近形成較高風速區,因此,當風屏障高度設置為3 m時對安全行車更有利。
圖9(a)所示為橋三分力系數隨著風屏障透風率的變化規律。從圖9(a)可見:隨著風屏障透風率增大,阻力系數不斷下降,但下降趨勢越來越慢;升力系數呈現類似趨勢,從透風率為20%時的?0.038降至透風率為100%時的?0.323;升力矩系數的變化趨勢不明顯,基本上在0附近波動。圖9(b)所示為橋梁三分力系數隨著風屏障高度的變化規律。從圖9(b)可見:安裝風屏障后,由于遮蔽效應存在,橋梁的阻力系數均有不同程度增加;隨著風屏障高度增加,阻力系數先減小后增加,升力系數先增加后減小;升力矩系數受風屏障高度的影響較小,由于該橋為大跨度懸索橋,對強風較敏感,較高的阻力系數會危害該橋的靜力穩定性。因此,考慮到橋梁的安全性,當風屏障的透風率大于30%時,橋梁的氣動性能較優。
何旭輝等[15]通過研究得出各透風率下均可能有1個最優高度,當風屏障高度小于最優高度時,氣動力隨高度增加而減小,超過最優高度后,氣動力將基本保持不變甚至增大。工況2中,設定透風率為30%,當風屏障的高度為3 m時,阻力系數出現拐點,且此時的阻力系數為橋面設置風屏障時的最小值。考慮到橋梁的安全性,本文研究的大跨度斜拉橋在透風率為30%的風屏障作用下較優化高度為3 m,因為此時的阻力系數最小,升力矩系數最接近于0,對該橋在橫風作用下的靜風穩定性危害最小,這也符合前面對橋梁流場和風壓分布分析得出的結論。

風屏障高度H/m:(a) 0;(b) 2;(c) 3;(d) 4

(a) 三分力系數與透風率的關系;(b) 三分力系數與高度的關系
基于前面得出的流線型主梁最優風屏障高度和透風率,為研究風屏障對3種類型主梁斷面(流線型閉口箱梁,半流線型閉口箱梁和桁架式主梁)氣動特性的影響,將風屏障的參數設定為高度為3 m,透風率為30%,并將研究結果與無風屏障時的研究結果[16]進行比較,如表1所示。從表1可見:在4種主梁斷面中,桁架式主梁由于結構復雜,主梁高度較高,氣動外形較差,因此,對于相同寬度的主梁,桁架式斷面的阻力系數D在4種主梁斷面中是最大的,流線型閉口箱形主梁由于斷面外形氣動性能良好,該斷面的阻力系數D在4種斷面形式中是最小的;從升力系數來看,桁架式主梁的升力系數是較大的,這也是由于該主梁斷面下部縱橫梁較多,風經過時在下部的形成的流場容易形成渦流,流場情況復雜,引起了較大的升力[17]。桁架式結構主梁高度雖然大于半流線結構主梁高度,但由于桁架式結構的透風率較大且半流線斷面寬度更大,因此,這2種結構的阻力系數相差很小。安裝同樣的風屏障后,流線型閉口箱梁、半流線型閉口箱梁和桁架式主梁的阻力系數分別增加58.19%,18.45%和9.48%,雖都有增加,但增加幅度不同,變化最大為流線型閉口箱梁,變化最小為桁架式主梁,這說明風屏障對不同橋型的遮蔽效應不同,對鈍體主梁的影響要小于對流線型主梁的影響。

表1 3種主梁三分力系數比較
圖10所示為3種主梁斷面的壓力分布云圖和流線圖。從圖10可以看出:桁架式主梁由于高度最大,其迎風面處存在的正壓區域最大,主梁截面越呈現流線型,存在的負壓區域越多;壓力云圖中,流線型閉口箱梁在風嘴處和下表面2個拐點處均存在明顯的負壓區域且3個負壓區域相互貫通,半流線型閉口箱梁存在2個負壓區域[18?20],桁架式主梁的負壓區域較為分散且沒有明顯集中的負壓區域。流線型閉口箱梁和半流線型閉口箱梁由于其流線型氣動外形,風速減速區域主要是由于風屏障的遮蔽效應,因而主要位于橋面的上方。而由于桁架式主梁屬于鈍體結構,遮蔽效應由風屏障和橋梁自身兩者共同產生,所以,低風速區域存在范圍較大,在橋面的上、下部均存在。
以流線型閉口箱梁為例,保持風屏障的高度為 3 m不變,改變透風率(20%,30%,40%和100%),探討風屏障透風率對車橋系統氣動特性的影響。在橫風作用下,橋面迎風側車橋系統三分力系數隨著風屏障透風率的變化規律見圖11。從圖11可知:阻力系數在1.5附近波動;當透風率為30%時出現拐點,達到最小值1.33;升力矩系數在0附近略微增加,升力系數始終為負值且平緩下降。阻力系數小有利于列車的運行安全和大跨橋梁抗風穩定,因此,從車橋系統看,透風率為30%的風屏障較優。

(a) 流線型閉口箱梁壓力云圖;(b) 流線型閉口箱梁流線圖;(c) 半流線型閉口箱梁壓力云圖;(d) 半流線型閉口箱梁流線圖;(e) 桁架式主梁壓力云圖;(f) 桁架式主梁流線圖

圖11 車橋系統三分力系數
圖12顯示了具有不同孔隙率的風屏障迎風側列車的壓力系數。在車身周圍布置20個壓力測點(壓力測點見其中插圖)。從圖12可見:列車上的阻力主要受迎風側的正向風壓力控制,因為風屏障大大降低了迎風面的正向風壓,小幅度降低了背風面的負風壓,因此,列車阻力降低。
列車由于風屏障的遮蔽效應在背風側僅存在負壓,且隨著風屏障透風率的增大而增大,風障對頂部和底部表面的壓力影響不大。當風屏障透風率為20%和30%時,迎風側壓力系數的變化趨勢基本相同。當風屏障透風率為40%和100%時,迎風側壓力系數曲線趨勢基本一致,透風率低的風屏障使得列車迎風面風壓較低。例如,列車迎風側的風壓在風屏障孔隙率為20%時為負值,當孔隙率為30%時風壓大約為0 Pa,在孔隙率為40%時風壓變為正值;當風障透風率從30%增加到40%時,壓力系數曲線發生突變,由內凹轉變為外凸,這意味著30%的透風率是流場急劇變化的關鍵點[21?23],也驗證了圖11中阻力系數在透風率為30%時出現最小值拐點,因而為本工況下的最優透風率。

透風率/%:1—20;2—30;3—40%;4—100。
圖13所示為車橋系統在不同透風率的風屏障作用下的速度流線圖,速度方向從左到右。從圖13可見:沒有設置風屏障時,存在3個主要的渦旋(V1,V2,V3)。其中,V2是所有渦流中最大和最強的渦流;當透風率為20%時,渦流V2的沖擊半徑和強度明顯減小;當透風率為30%時,渦流V2對水平方向的影響寬度最大,形狀變長且平坦;當透風率為40%時,渦旋V2的影響高度在垂直方向最大,同時,渦流V3的半徑和強度隨著透風率的增加而減小;隨著透風率從20%增加到40%,渦流V1的半徑逐漸變大,并且渦流V1的位置逐漸變高,形狀從規則的圓形變為橢圓形。V4表示迎風屏障與列車之間流動擾動產生的渦流,當透風率為20%和40%時,V4在寬度方向上的發展較紊亂,而在透風率為30%時發展平緩,幾乎沒有大的渦流存在,這有利于行車的安全性和穩定性,從而減小列車側翻傾覆事故的發生。因此,透風率為30%時的風屏障效果較優。

透風率/%:(a) 20;(b) 30;(c) 40%;(d) 100。
1) 風屏障降低了橋梁的抗風能力。風屏障雖然能阻擋部分來流風,但增加了梁的尾流寬度,導致橋梁上的阻力和力矩增加。低透風率的風屏障對橋梁的抗風能力更不利。在特定的透風率下均可能存在1個最優高度,當風屏障高度小于最優高度時,氣動力隨風屏障高度的增加而減小,超過最優高度后,氣動力將基本保持不變甚至增大。
2) 風屏障對不同橋型的遮蔽效應不一樣。對于流線型主梁,風速減速區主要由風屏障的遮蔽效應產生;而對于桁架型主梁,風速減速區由風屏障和桁架橋共同的遮蔽效應產生,且風屏障對鈍體結構主梁的流場影響效果要遠小于對流線型主梁流場的影響效果。
3) 風屏障大大降低了行車區域內的平均風速,因此,明顯提高了列車的行車安全性。當橋梁上安裝擋風屏障時,列車的阻力系數和力矩系數均減小。對于本文研究的流線型主梁斷面,當風屏障的高度為3 m且透風率為30%時為最優組合,因為此時車橋系統的阻力系數可達到最小值1.33,對于車橋系統更有利。
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Numerical study of effect of wind barrier on aerodynamic of bridge and train-bridge system
ZHOU Lei1, 2, 3, HE Xuhui1, 2, 3, CHEN Zhengwei3, XIE Taizhong3, JING Haiquan1, 2, 3
(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China; 3. Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety, Central South University, Changsha 410075, China)
The numerical simulation method was used to study the effects of wind barrier parameters(porosity rate and height) on aerodynamic characteristics of streamlined bridges. The influence of wind barriers on aerodynamic characteristics of different bridge types was systematically analyzed and compared laterally, and in addition, the influence of wind barriers on aerodynamic characteristics of train-bridge system and its flow field were discussed, the potential mechanism of wind barrier on the aerodynamic performance train-bridge system was revealed by analysing the characteristics of three-component force coefficient, pressure contour, velocity flow field, wind pressure distribution and wind profile. The results show that the wind barrier can reduce drag force and lift moment on the train, but also significantly increase the drag force of the girder since it declines the average flow velocity above the main beam. Therefore, the installation of wind barriers can improve the driving safety of the train but can be harmful for the wind resistance of the bridge. The optimal combination of wind barrier for streamlined bridge-deck section is 3 m with porosity rate of 30% since the drag force coefficient reaches the minimum value 1.33 in this case. The sheltering effect of wind barrier is different for different girder types, normally, the sheltering effect of the same wind barrier on streamlined bridge-deck section is much larger than that of bluff bridge-deck section.
wind barrier; train-bridge system; crosswind; porosity rate
10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.022
U270.2
A
1672?7207(2018)07?1742?11
2018?02?10;
2018?04?08
高鐵聯合基金重點資助項目(U1534206);國家重點研發計劃項目(2017YFB1201204);中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(502211715) (Project(U1534206) supported by Jointed Fund of High Speed Rail; Project (2017YFB1201204) supported by the National key Research & Development of China; Project(502211715) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universitied of Central South University)
何旭輝,教授,從事橋梁風工程研究;E-mail: xuhuihe@csu.edu.cn
(編輯 陳燦華)