彭興黔 吳仁偉 徐 剛

（華僑大學土木工程學院 泉州 362021）

沿海地區(qū)臺風活動頻繁，臺風經(jīng)常造成大量建筑物，尤其是量大面廣的低矮房屋的損壞甚至倒塌［1］.分布在沿海地區(qū)的客家土樓也遭到了臺風的侵襲.“福建土樓”具有極高的歷史價值、藝術價值和科學價值.2008年7 月7 日，“福建土樓”獲準列入《世界文化遺產(chǎn)名錄》，現(xiàn)代建筑師們從土樓身上獲得靈感，一座座融合了傳統(tǒng)間土樓建筑元素的現(xiàn)代建筑拔地而起［2］，借鑒并傳承著土樓的血液與命脈，續(xù)寫著古今交融、中外合璧的建筑風采.本文的客家土樓特指閩西永定土樓，在永定縣內(nèi)方形土樓現(xiàn)存4000多座［3］，形式多種多樣.文中采用數(shù)值模擬方法［4－5］對土樓的風荷載特性和風流場進行分析，提出了適合于客家土樓的抗風措施，用以保護土樓，所以是十分有意義的.

1 數(shù)值風洞模擬

1.1 數(shù)值風洞與計算模型的選擇

德輝樓［6］為原型建立了數(shù)值風洞模型（見圖1），原型平面尺寸為面寬38m，進深32m ，檐口高度為11.2 m，挑檐挑出長度2.0 m，屋面坡角25°，土木內(nèi)通廊式結構.數(shù)值風洞采用CFX－10.0中SSTk－ω 湍流物理模型，它對分離流的效果比較好［7］；因方形屋蓋體型復雜，采用適應性強的四面體網(wǎng)格劃分建筑模型［8－9］.

圖1 德輝樓模型

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

客家土樓墻體較厚，一般在1～2 m，受風影響??；而屋蓋挑檐懸挑過長，臺風首先破壞的是土樓的挑檐部分.如圖2雙坡屋蓋分為內(nèi)、外挑檐，外檐分區(qū)以Wi（i＝1～8）表示，內(nèi)檐分區(qū)以Ni（i＝1～8）表示，對屋面風荷載進行數(shù)值模擬計算.為了便于比較分析不同坡角和高寬比對屋蓋風荷載的影響，本文采用數(shù)值模擬方法，對在屋蓋坡角為25°，高寬比分別為0.15，0.25，0.35，0.45，0.55和高寬比為0.35，屋蓋坡角分別為15°，25°，35°，45°，60°的一系列模型，并分別對其在0°，45°，90°3個風向角下的風荷載分布特性進行了數(shù)值模擬.探討了屋蓋各區(qū)塊的風壓系數(shù)在不同坡度和高寬比的變化規(guī)律，分析結果可為沿海地區(qū)類土樓形式的現(xiàn)代建筑抗風設計提供參考.

圖2 屋蓋表面分區(qū)

1.3 基本方程及湍流模型的選擇

1.3.1 控制方程選擇 采用由湍流模型封閉控制方程進行求解的時均模擬方法，氣流流動控制方程［10］的通用形式，即

式中：各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項.ρ為空氣的質(zhì)量密度；u 為速度矢量；φ 為通用變量；Γ 為廣義擴散系數(shù)；S 為廣義源項.

2 坡角和高徑比影響的數(shù)值分析

式中：Cpi為建筑物表面某測點i 的風壓系數(shù)；pi為測點i的凈風壓力；為參考高度的平均風速；ρ為空氣質(zhì)量密度.通過將屋面上下表面分區(qū)，用上、下表面平均風壓的差值來表征屋蓋的凈風壓系數(shù)ΔCp，如下式：

式中：Cpi為建筑物表面某測點i 的風壓系數(shù)；pi為測點i的凈風壓力；為參考高度的平均風速；ρ為空氣質(zhì)量密度.

2.1 不同風向角下屋蓋凈風壓系數(shù)隨坡角變化曲線的數(shù)值分析

圖3給出了屋蓋內(nèi)外挑檐區(qū)的凈風壓系數(shù)隨坡角變化曲線，可以看出：（1）0°風向角時，只有外挑檐的W6區(qū)與W7區(qū)受坡角變化影響較大，坡角增大，W6區(qū)和W7區(qū)變化趨勢一樣，凈風壓系數(shù)減少幅度很大，由－1.84 變化到－0.77；內(nèi)挑檐區(qū)凈風壓系數(shù)有正有負，隨坡角變化幅度很小，在±0.2以內(nèi)；（2）45°風向角時，隨著坡角的增大，凈風壓系數(shù)減少很明顯，特別是外挑檐區(qū)，W8區(qū)變化幅度最大，由－1.83 變化到－0.56，W1區(qū)由－1.21 變化到－0.55，W6區(qū)由－1.36變化到－0.60，W7區(qū)由－1.61變化到－0.63，充分說明屋蓋坡角的增大有效較小凈風壓系數(shù)的負壓值分布；（3）90°風向角時，內(nèi)挑檐區(qū)的凈風壓系數(shù)基本無變化，外挑檐區(qū)只有W1區(qū)與W8區(qū)變化明顯，隨著坡角增大，凈風壓系數(shù)變化幅度較大，W1區(qū)由－1.56 變化到－0.63，W8區(qū) 由－1.79變化到－0.77.增大屋蓋坡角在一定程度上能改善凈風壓系數(shù)的不利分布.

2.2 不同風向角下屋蓋凈風壓系數(shù)隨高寬比變化曲線的數(shù)值分析

圖4給出了屋蓋內(nèi)外挑檐區(qū)的凈風壓系數(shù)隨高寬比變化曲線，可以看出：（1）0°風向角時，對于外挑檐，凈風壓系數(shù)大都為負值，只有W1區(qū)和W8區(qū)的凈風壓系數(shù)受高寬比影響，高寬比增大，凈風壓系數(shù)絕對值增大，幅度比較小，W1區(qū)與W8區(qū)變化相似，絕對值由1.66變化為2.18；內(nèi)挑檐區(qū)只有N4區(qū)與N5區(qū)隨高寬比增大，凈風壓系數(shù)系數(shù)由負值轉為正值；（2）45°風向角時，凈風壓系數(shù)絕大部分為負值，對于外挑檐區(qū)，W1區(qū)、W2區(qū)與W3區(qū)以0.45為臨界高寬比，當高寬比為0.15～0.45時，凈風壓系數(shù)絕對值減小，當高寬比在0.45～0.55 時，凈風壓系數(shù)絕對值增加，W8區(qū)隨著高寬比增大，凈風壓系數(shù)絕對值增大，變化幅度較??；內(nèi)挑檐區(qū)凈風壓系數(shù)隨著高寬比增大，絕對值減小，變化幅度較大；（3）90°風向角時，外挑檐區(qū)只有W2區(qū)與W3區(qū)受高寬比影響，變化幅度較小，由－1.42變化到－2.0；內(nèi)挑檐區(qū)有N6區(qū)與N7區(qū)隨高寬比增大，凈風壓系數(shù)增大.

圖3 不同風向角下屋蓋凈風壓系數(shù)隨坡角變化曲線

圖4 不同風向角下屋蓋凈風壓系數(shù)隨高寬比變化曲線

2.3 高寬比對方形土樓風流場的影響

風速矢量圖（見圖5）可以看出，高寬比對方形土樓風流場的影響主要集中在土樓內(nèi)部和屋蓋挑檐處.高寬比為0.15時，方形土樓內(nèi)部的湍流沒有強烈擾動，沒有出現(xiàn)環(huán)形渦流，屋蓋的挑檐處分離比較均勻穩(wěn)定；當高寬比逐漸變大時，檐口高度增大，寬度相對變小，土樓內(nèi)部的環(huán)形渦流越來越明顯，表現(xiàn)出了較強的湍流非各向同性.當土樓的高寬比達到0.55時，內(nèi)部形成強度較大的環(huán)形渦流，來流在屋蓋挑檐處產(chǎn)生很劇烈的分離，在檐口附近出現(xiàn)離散的小渦旋，使得檐口處產(chǎn)生了局部的高負壓區(qū)，同時在背風面形成一個較大的渦流區(qū)，由于近背風表面處的風速明顯減小，表明該處形成較小的負壓.

圖5 不同高寬比下0°風向中心豎直剖面風速矢量圖

3 結 論

1）在不同風向角下屋蓋坡角對迎風的外挑檐區(qū)影響較明顯，隨著坡角的增大，其極值風壓系數(shù)及凈風壓系數(shù)的負壓絕對值均減小，甚至出現(xiàn)正壓；屋蓋下表面或內(nèi)挑檐區(qū)受坡角影響較小，綜合考慮三種風壓系數(shù)對屋蓋挑檐的影響以及流場分布的特點，屋蓋坡角宜取45°左右.

2）土樓的高寬比變化影響了屋蓋表面的風壓分布，不同風向角下隨著高寬比逐漸增大到0.45時，兩種風壓系數(shù)都相應的減小.同時屋蓋挑檐附近流場分布均勻，土樓內(nèi)部的環(huán)形回流改善居住的風環(huán)境，則高寬比為0.45左右對屋蓋抗風有利.

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