葉呈敏 黃迪奇

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310000)

氣流通過建筑物時，由于建筑物堵塞造成氣流的分離，將會在建筑表面產(chǎn)生渦團(tuán)以及再附著現(xiàn)象，表面風(fēng)壓的分布及特性將由來流的流動狀況及流動方向決定。就某一個單體建筑物表面風(fēng)壓，除受到在起表面氣流狀況以及來流的速度、來流風(fēng)向角、垂直風(fēng)速坡面和地面粗糙度影響外，還受到建筑物自身因素影響:表面幾何尺寸(建筑物長度、寬度和高度)、屋面形式(平屋面、雙坡屋面和單坡屋面)等。在工程設(shè)計領(lǐng)域，開展對單棟低矮建筑物風(fēng)荷載特性的研究，主要是致力于分析不同體形的建筑布局和屋面形式對表面風(fēng)壓分布規(guī)律的影響，采用風(fēng)荷載體形系數(shù)的形式提供工程設(shè)計荷載取值參考。而歷次的風(fēng)災(zāi)害調(diào)查表明[1］，由風(fēng)災(zāi)造成的破壞各類房屋，尤其是低矮房屋破壞造成的損失最大，至少占到總損失的50%。我國東南沿海地區(qū)分布著大量普通住房和工商業(yè)用房為主的低矮建筑，尤其是當(dāng)?shù)厣絽^(qū)的居民住房。同時，該地區(qū)是臺風(fēng)的多發(fā)地帶，每次臺風(fēng)過境造成大量的低矮建筑破損、倒塌，嚴(yán)重危害到居民生命財產(chǎn)安全。因此，開展對沿海地區(qū)山村低矮建筑的風(fēng)致響應(yīng)比較研究具有重大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

分析山村低矮建筑的風(fēng)致響應(yīng)主要從以下兩方面展開:1)整體安全性。山村低矮建筑在總體上受到的風(fēng)荷載分布和大小是否得到了準(zhǔn)確的估計，決定了結(jié)構(gòu)整體抗風(fēng)的安全性。主要通過考慮風(fēng)在建筑物表面引起的實(shí)際壓力或吸力與來流氣體動壓的比值，即:風(fēng)壓系數(shù)[2］。2)局部安全性。由于低矮建筑表面風(fēng)壓分布不同，在局部峰值壓力或吸力作用下是否會導(dǎo)致局部構(gòu)件的失效。以往的大量現(xiàn)場實(shí)測和風(fēng)洞模型試驗(yàn)的資料證明:低矮建筑主要在其各個表面連接處附近，即在墻體轉(zhuǎn)角、屋檐、屋脊、山墻邊緣等附近，來流會形成一個局部的壓力(吸力)峰值區(qū)域，因此，這部分區(qū)域的面平均風(fēng)壓系數(shù)通常遠(yuǎn)高于該面的整體平均風(fēng)壓系數(shù)，從而在局部區(qū)域形成較大的作用，在臺風(fēng)作用下極易導(dǎo)致低矮建筑物相應(yīng)部位構(gòu)件失效，進(jìn)而可能引發(fā)結(jié)構(gòu)整體破壞。

1 數(shù)值計算方法

在工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用兩方程模型中的標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型計算建筑物風(fēng)荷載響應(yīng)，同時方程計算中，將會采用當(dāng)?shù)赜嬎愕贸龅耐膭幽芎屯哪芎纳肀硎緶u團(tuán)粘度[3］。方程通過以相應(yīng)的微分方程控制表征湍流粘性系數(shù)的兩個特征量，同時增加湍流特征長度標(biāo)尺l的微分方程，采用以上所有形式相似的微分方程Z，對于靠近建筑物近壁面的計算區(qū)域來說ε最為方便、有效。

三維的非穩(wěn)態(tài)N—S方程可以推導(dǎo)出k，ε的控制方程如下:

2 建立數(shù)值模型

2．1 雙坡屋面建筑數(shù)值模型

本文根據(jù)對沿海地區(qū)山村現(xiàn)有低矮建筑的調(diào)查、整理、歸類，將已有雙坡屋頂?shù)桶ㄖ凑瘴蓓斝问椒譃榈湫蛦螌与p坡屋面建筑和典型兩層雙坡屋頂?shù)慕ㄖ⒁源私缀文Ｐ?，其中模型一為典型單層雙坡屋面建筑，見圖1，模型二為典型兩層雙坡屋頂建筑，見圖2。

圖1 典型單層雙坡屋面建筑原型以及幾何模型一

圖2 典型兩層雙坡屋頂建筑原型以及幾何模型二

2．2 邊界條件設(shè)置

1)入口邊界采用速度進(jìn)口條件(inlet)，給定入口風(fēng)速與來流方向，入口速度值現(xiàn)場實(shí)測值，在5 m高度處為18．5 m/s。

2)由于下游流域設(shè)定足夠長，可以忽略出口對建筑物附近流場的影響，采用壓力出口邊界條件(pressure-outlet)，出口壓力設(shè)定為0 Pa。

3)截面壁面設(shè)定為無滑移壁面(wall)。

2．3 參數(shù)設(shè)置

為保證柯朗(Courant)數(shù)小于5[4］，即其中，v為入口速度;Δt為時間步長;Δx為網(wǎng)格最小尺度。網(wǎng)格最小尺度的極小值為D/450，故選定時間步長為0．001 s，模擬時間總長度為10 s。

3 模擬結(jié)果分析

3．1 風(fēng)壓系數(shù)模擬結(jié)果

圖3，圖4給出了0°風(fēng)向角下計算所得到單層雙坡屋面建筑整體的風(fēng)壓系數(shù)分布。由圖3可知，在正面來流風(fēng)力作用下，迎風(fēng)面受到正風(fēng)壓。正風(fēng)壓系數(shù)在迎風(fēng)面中心部位處最大，最大值達(dá)到0．72。等值線以風(fēng)壓系數(shù)最大處為中心向外擴(kuò)散，數(shù)值減小。在迎風(fēng)面邊緣處，等值線梯度較大。由于建筑本身較為低矮，風(fēng)速隨高度呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律變化對風(fēng)壓的高度變化影響不顯著。建筑頂部及側(cè)面全部受負(fù)風(fēng)壓，風(fēng)壓系數(shù)分布不規(guī)則，總體變化梯度較小。側(cè)面最大負(fù)壓系數(shù)達(dá)到－0．69，頂部最大負(fù)壓系數(shù)達(dá)到－0．96，頂部局部的較大風(fēng)壓對建筑安全是十分不利的，要對此引起重視。

圖3 0°風(fēng)向角模型一迎風(fēng)側(cè)壓力系數(shù)分布

圖4 0°風(fēng)向角模型一背風(fēng)側(cè)壓力系數(shù)分布

圖5 0°風(fēng)向角模型二迎風(fēng)側(cè)壓力系數(shù)分布

圖5，圖6給出了0°風(fēng)向角下計算所得到兩層坡屋頂建筑整體的風(fēng)壓系數(shù)分布。由圖5可知，在正面來流風(fēng)力作用下，迎風(fēng)面受到正風(fēng)壓。正風(fēng)壓系數(shù)在迎風(fēng)面中心部位處最大，最大值達(dá)到0．80。等值線以風(fēng)壓系數(shù)最大處為中心向外擴(kuò)散，數(shù)值減小。在迎風(fēng)面邊緣處，等值線梯度較大。由于建筑本身較為低矮，風(fēng)速隨高度呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律變化對風(fēng)壓的高度變化影響不顯著。建筑頂部及側(cè)面全部受負(fù)風(fēng)壓，風(fēng)壓系數(shù)分布不規(guī)則，總體變化梯度較小。側(cè)面最大負(fù)壓系數(shù)達(dá)到－0．76，頂部最大負(fù)壓系數(shù)達(dá)到－0．88，頂部局部的較大風(fēng)壓對建筑安全是十分不利的，要對此引起重視。

3．2 速度分布模擬結(jié)果

圖7給出了45°風(fēng)向角下計算所得到單層雙坡屋面建筑周圍速度矢量圖。

圖6 0°風(fēng)向角模型二背風(fēng)側(cè)壓力系數(shù)分布

圖8是在45°風(fēng)向角下的風(fēng)場豎向剖面速度矢量。在45°風(fēng)向角下，兩個背風(fēng)面形成兩個獨(dú)立的渦結(jié)構(gòu)，頂部的沒有渦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

圖 7 45°風(fēng)向角模型一5 m高度處速度矢量

圖 8 模型一45°風(fēng)向角豎向剖面速度矢量

圖9給出了45°風(fēng)向角下計算所得到單層雙坡屋面建筑周圍速度等值線分布圖。速度等值線在背風(fēng)側(cè)梯度顯著，最大風(fēng)速達(dá)到 24．5 m/s。

圖 9 45°風(fēng)向角模型一豎向剖面速度等值線

圖 10 45°風(fēng)向角模型二豎向剖面速度矢量

圖10給出了45°風(fēng)向角下計算所得到兩層坡屋頂建筑周圍速度矢量圖。

圖11是在45°風(fēng)向角下，風(fēng)場豎向剖面速度矢量。在45°風(fēng)向角下，兩個背風(fēng)面形成兩個獨(dú)立的渦結(jié)構(gòu)，頂部前端出現(xiàn)附著的渦。

圖12給出了45°風(fēng)向角下計算所得到兩層坡屋頂建筑周圍速度等值線分布圖。速度等值線在背風(fēng)側(cè)梯度顯著，最大風(fēng)速達(dá)到28 m/s。

圖11 模型二45°風(fēng)向角5 m高度處速度矢量

圖 12 45°風(fēng)向角模型二豎向剖面速度等值線

4 結(jié)語

通過對沿海地區(qū)已有低矮建筑物的調(diào)研，將已有雙坡屋頂?shù)桶ㄖ凑瘴蓓斝问椒譃榈湫蛦螌与p坡屋面建筑和典型兩層雙坡屋頂建筑。建立具有山村典型代表性的低矮建筑，模擬在主導(dǎo)風(fēng)向下建筑風(fēng)荷載的影響。低矮建筑表面較大的風(fēng)壓主要存在于體形突變處，及在屋檐、屋脊處出現(xiàn)較大的局部風(fēng)壓。通過計算模擬，低矮建筑的表面風(fēng)壓分布系數(shù):正壓力系數(shù)最大值達(dá)到0．98，最大負(fù)壓系數(shù)在－1．20，屋頂負(fù)壓區(qū)局部過大且負(fù)壓區(qū)面積較大。而低矮建筑的這部分區(qū)域的風(fēng)荷載取值無法從我國結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中獲得，也較少引起工程設(shè)計人員重視。

[1] 孫炳楠，傅國宏．94年17號臺風(fēng)對溫州民房破壞的調(diào)查[A］．第七屆結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)學(xué)術(shù)會議論文[C］．1995:19-23．

[2] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006版)[S］．

[3] 黃本才，汪叢軍．結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M］．第2版．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2008．

[4] Davenport A G．The Relationship of Wind Structure to Wind Loading[C］．//proc．of the Symposium on Wind Effect on Building and Structures．London:1965:54-102．