湯 卓 王兆勇 卓士梅 呂令毅

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布

湯 卓 王兆勇 卓士梅 呂令毅

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

摘 要:為了研究雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面的風(fēng)壓分布，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞，并對(duì)低矮建筑的雙坡屋面進(jìn)行了測(cè)壓試驗(yàn).試驗(yàn)裝置的氣動(dòng)測(cè)試表明，風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)壓分布和風(fēng)速剖面與理論結(jié)果吻合良好，射流風(fēng)洞可用于雷暴沖擊風(fēng)荷載的相關(guān)研究.然后，采用剛性模型的射流風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)研究雙坡屋面的風(fēng)壓分布，為了使研究結(jié)果具有代表性，針對(duì)15°，30°和60°三種典型的屋面坡角制作剛性屋面模型，試驗(yàn)得到了模型在風(fēng)場(chǎng)不同位置時(shí)的風(fēng)壓分布.試驗(yàn)結(jié)果表明:建筑物位于雷暴沖擊風(fēng)場(chǎng)中心附近時(shí)，屋面風(fēng)荷載為較大壓力，較常規(guī)風(fēng)荷載更為不利;建筑物遠(yuǎn)離風(fēng)場(chǎng)中心時(shí)，3種屋面的雷暴沖擊風(fēng)荷載與常規(guī)風(fēng)荷載比較接近.

關(guān)鍵詞:雙坡屋面;雷暴沖擊風(fēng);射流風(fēng)洞;風(fēng)壓分布

雷暴沖擊風(fēng)是雷暴天氣中強(qiáng)烈的下沉氣流猛烈沖擊地面形成的輻散大風(fēng)，會(huì)造成嚴(yán)重的低空風(fēng)切變，對(duì)建筑物具有極大的破壞性［1］.

目前，雷暴沖擊風(fēng)是國(guó)內(nèi)外強(qiáng)風(fēng)荷載研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題.國(guó)外學(xué)者采用風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論研究、試驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬等方法對(duì)雷暴沖擊風(fēng)進(jìn)行了大量研究［2-6］.國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)雷暴沖擊風(fēng)荷載進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)［7］利用主動(dòng)控制風(fēng)洞模擬了雷暴沖擊風(fēng)氣流剖面和階躍流時(shí)程，通過模型試驗(yàn)觀測(cè)高層結(jié)構(gòu)模型在突變氣流作用下結(jié)構(gòu)空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化特征.文獻(xiàn)［8］利用射流裝置、粗糙元等模擬了雷暴沖擊風(fēng)流場(chǎng)，研究了雷暴沖擊風(fēng)作用下球殼型屋面模型的風(fēng)壓特性.文獻(xiàn)［9］使用可調(diào)導(dǎo)流板、擋板和粗糙元，在大氣邊界層風(fēng)洞內(nèi)實(shí)現(xiàn)了雷暴沖擊風(fēng)場(chǎng)的模擬，并對(duì)圓柱形屋蓋模型的風(fēng)壓系數(shù)分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究.文獻(xiàn)［10］以CAARC高層建筑物標(biāo)準(zhǔn)模型為研究對(duì)象，基于CFD方法研究了下?lián)舯┝髯饔孟赂邔咏ㄖ锏谋砻骘L(fēng)壓分布特性.文獻(xiàn)［11］采用大渦模擬方法，結(jié)合壁面射流模型，計(jì)算得到雷暴沖擊風(fēng)從初始噴射到流場(chǎng)穩(wěn)定的發(fā)展過程.文獻(xiàn)［12］采用非定常數(shù)值，計(jì)算研究了雷暴沖擊風(fēng)作用下地面處的風(fēng)壓時(shí)程和平均風(fēng)壓，并提出了雷暴沖擊風(fēng)作用下地面處風(fēng)壓的計(jì)算公式.

本文根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞.采用測(cè)壓試驗(yàn)對(duì)低矮建筑的雙坡屋面處風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行了研究.研究結(jié)果為低矮建筑抗雷暴沖擊風(fēng)計(jì)提供了一定的參考.

1 試驗(yàn)

1.1 射流風(fēng)洞

雷暴沖擊風(fēng)從初始噴射到流場(chǎng)穩(wěn)定的發(fā)展過程可以分為如下2個(gè)階段:①初始噴射至射流前沿到達(dá)地面;②沖擊地面的氣流形成輻散大風(fēng).目前，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程界根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征開展的試驗(yàn)研究主要包括如下2種思路:① 通過對(duì)直流式風(fēng)洞進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷暴沖擊風(fēng)的模擬，從而較好地再現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)形成的低空切變大風(fēng)［7］;② 根據(jù)沖擊射流模型建造射流風(fēng)洞，完整再現(xiàn)雷暴沖擊風(fēng)從初始噴射到流場(chǎng)穩(wěn)定的發(fā)展過程［5］.

為了研究雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面的風(fēng)壓分布，本文采用沖擊射流模型，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞(見圖1).射流風(fēng)洞的射流筒體長(zhǎng)5 m，內(nèi)設(shè)2道整流柵，噴射口直徑D=400 mm，試驗(yàn)平板尺寸為2.4 m ×2.4 m.

1.2 剛性模型及試驗(yàn)工況

根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征，可以將風(fēng)場(chǎng)分為2個(gè)部分:①噴射口正下方的區(qū)域，此區(qū)域具有較大的豎向風(fēng)速，地面受到較大的沖擊作用;② 遠(yuǎn)離風(fēng)場(chǎng)中心的區(qū)域，此區(qū)域具有較大的水平風(fēng)速.研究表明，距風(fēng)場(chǎng)中心1.5D位置處具有較為穩(wěn)定的水平風(fēng)速剖面［3］.根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征，將屋面模型固定在徑向坐標(biāo)r=0，1.5D進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，柱面坐標(biāo)系定義和模型布置見圖2.圖中，H為噴射口與試驗(yàn)平板之間的距離.

圖1 射流風(fēng)洞

圖2 柱面坐標(biāo)定義和模型布置示意圖

3 個(gè)雙坡屋面房屋的模型縮尺比例均為1∶100.模型平面布置相同:底面為正方形，邊長(zhǎng)為120 mm，檐口高度為80 mm;屋面坡度α分別為15°，30°和60°.考慮到雷暴沖擊風(fēng)場(chǎng)和屋面繞流的復(fù)雜性，將測(cè)點(diǎn)布置在整個(gè)屋面上，共布置100個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)采用行編號(hào)和列編號(hào)進(jìn)行定位(見圖3).

1.3 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)壓系數(shù)定義為

式中，p為測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓;pref為參考靜壓力;ρ為空氣密度;Vjet為射流速度，此處取為整個(gè)射流面的平均風(fēng)速.

圖3 屋面模型測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 射流風(fēng)洞的氣動(dòng)測(cè)試

射流風(fēng)洞形成的風(fēng)場(chǎng)受射流速度Vjet和噴射口與試驗(yàn)平板之間的距離H等因素影響.本文固定Vjet=18 m/s，調(diào)節(jié)H進(jìn)行氣動(dòng)測(cè)試.氣動(dòng)測(cè)試內(nèi)容為試驗(yàn)平板上的風(fēng)壓分布和射流風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速剖面.

2.1 風(fēng)壓測(cè)試

在雷暴沖擊風(fēng)的作用下，噴射口下方地面承受較大的風(fēng)壓.隨著徑向坐標(biāo)的增大，風(fēng)場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐运斤L(fēng)速為主，地面上的風(fēng)壓也逐漸減小.

圖4給出了H=D，2D，5D三種情況下試驗(yàn)平板表面的風(fēng)壓分布與理論結(jié)果的對(duì)比結(jié)果.由圖可知，當(dāng)H=D，2D時(shí)，風(fēng)壓分布和計(jì)算公式結(jié)果吻合良好;當(dāng)H=5D時(shí)，曲線的整體趨勢(shì)較為吻合，數(shù)值稍有偏離.

圖4 試驗(yàn)平板表面的風(fēng)壓分布測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.2 風(fēng)速測(cè)試

雷暴沖擊風(fēng)場(chǎng)中，噴射口下方的豎向風(fēng)速較大，而水平風(fēng)速較小;遠(yuǎn)離風(fēng)場(chǎng)中心處的水平風(fēng)速較大，而豎向風(fēng)速較小.

圖5(a)給出了射流風(fēng)場(chǎng)r=1.5D處風(fēng)速剖面與理論結(jié)果的對(duì)比結(jié)果.圖中，Vmax表示最大水平風(fēng)速，z0.5Vmax表示水平風(fēng)速為 0.5Vmax時(shí)的高度，rVmax表示最大風(fēng)速時(shí)的徑向坐標(biāo).圖5(b)給出了射流風(fēng)場(chǎng)z=20 mm處風(fēng)速剖面與理論結(jié)果的對(duì)比結(jié)果.由圖5可以看出，當(dāng)H=D，2D時(shí)，風(fēng)速剖面和理論結(jié)果吻合較好;當(dāng)H=5D時(shí)，曲線的整體趨勢(shì)基本一致，但數(shù)值有較大偏離.

圖5 風(fēng)速剖面測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比氣動(dòng)測(cè)試結(jié)果和理論結(jié)果可知，當(dāng)H=D，2D時(shí)，射流風(fēng)洞產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)與雷暴沖擊風(fēng)場(chǎng)比較吻合;當(dāng)H=5D時(shí)，射流風(fēng)場(chǎng)不能很好地反映雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征.基于測(cè)試結(jié)果，并考慮試驗(yàn)平板與噴射口之間的距離便于試驗(yàn)操作，本文選擇H=2D進(jìn)行典型雙坡屋面的測(cè)壓試驗(yàn).

3 測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)，每個(gè)模型分別進(jìn)行如下3種工況的測(cè)壓試驗(yàn):①r=0，即模型位于風(fēng)場(chǎng)中心;②r=1.5D，山墻迎風(fēng);③r=1.5D，檐口迎風(fēng).

圖6 為 3 個(gè)屋面模型(α =15°，30°，60°)在不同工況下的測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果.圖6(a)、(b)、(d)、(e)、(g)、(h)中的橫線以及圖 6(c)、(f)、(i)中的豎線均為屋脊線.由圖可知，在工況1下，屋面受豎向風(fēng)速的沖擊，風(fēng)荷載均為壓力，呈中心對(duì)稱分布，由中心至邊緣逐漸減小;在工況2下，屋面主要承受水平風(fēng)速的作用，風(fēng)荷載均為吸力且由前至后逐漸減小，風(fēng)荷載關(guān)于屋脊線對(duì)稱分布;在工況3下，前側(cè)屋面的風(fēng)荷載由檐口至屋脊線逐漸減小，后側(cè)屋面的風(fēng)荷載由屋脊線至檐口逐漸減小.

圖6 屋面風(fēng)壓系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

4 雷暴沖擊風(fēng)荷載與常規(guī)風(fēng)荷載的對(duì)比

為了和常規(guī)的大氣邊界層風(fēng)荷載進(jìn)行對(duì)比，按B類場(chǎng)地取地貌指數(shù)為0.15，基本風(fēng)壓w0=0.56 kN/m2.此時(shí)，10 m 高度處的風(fēng)速v0=30 m/s;雷暴沖擊風(fēng)的射流速度Vjet=30 m/s.

取屋面列編號(hào)為5的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)荷載對(duì)比，并將建筑物還原為真實(shí)尺度，即房屋底面邊長(zhǎng)為12 m，檐口高度為8 m.圖7為屋面坡角 α=15°，30°，60°時(shí)雷暴沖擊風(fēng)和常規(guī)風(fēng)作用于雙坡屋面的荷載對(duì)比.將3種工況下的雷暴沖擊風(fēng)荷載與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)［13］所給出的常規(guī)風(fēng)荷載相比較，可以發(fā)現(xiàn)，雷暴沖擊風(fēng)和常規(guī)風(fēng)作用于建筑物的荷載存在較大的差異:常規(guī)風(fēng)荷載主要為負(fù)值(吸力)，只有當(dāng)α=60°時(shí)迎風(fēng)面的風(fēng)壓為正值(壓力)，而雷暴沖擊風(fēng)荷載在建筑物位于風(fēng)場(chǎng)中心時(shí)(工況1)全部為正值且數(shù)值較大，達(dá)到甚至超過不上人屋面的活荷載(0.5 kN/m2);在建筑物遠(yuǎn)離風(fēng)場(chǎng)中心時(shí)(工況2和工況3)，3種屋面的雷暴沖擊風(fēng)荷載全部為負(fù)值.

5 結(jié)語

根據(jù)雷暴沖擊風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)特征，建造了用于建筑風(fēng)工程的射流風(fēng)洞.將射流風(fēng)洞的流場(chǎng)模擬結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合良好，表明射流風(fēng)洞的建造和雷暴風(fēng)流場(chǎng)模擬是成功的.利用剛性模型的射流風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)得到了雙坡屋面在雷暴沖擊風(fēng)作用下的風(fēng)壓分布，并將雷暴沖擊風(fēng)荷載與常規(guī)風(fēng)荷載進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明，建筑物位于雷暴沖擊風(fēng)場(chǎng)中心時(shí)，屋面風(fēng)荷載為較大壓力，較常規(guī)風(fēng)荷載更為不利.

圖7 荷載對(duì)比

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Pressure distribution on gable roofs in thunderstorm downburst

Tang Zhuo Wang Zhaoyong Zhuo Shimei Lü Lingyi
(School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:A jet wind tunnel is constructed to generate a downburst-like flow for the purpose of quantifying downburst-induced aerodynamic loads on civil engineering structures.To study the pressure distribution on gable roofs，jet wind tunnel tests for rigid models of gable roofs are carried out.Velocity profiles and pressure distributions in a downburst are studied and good agreements are achieved between the present results and the data obtained from empirical models.Therefore，the jet wind tunnel can be used in wind engineering research.Then，the jet wind tunnel tests for rigid models are carried out to investigate the pressure distribution on gable roofs.In order to make the research representative，three typical roof pitches with the slope angles of 15°，30°and 60°are used in making rigid models.Pressure distributions of the models in different locations of the wind field are obtained.The experimental results show that when the building is located in the center of the downburst，the wind loads on the gable roofs are pressure and more harmful than the conventional wind load.However，when the building is far away from the center of the downburst，the wind loads are close to the conventional wind load.

Key words:gable roof;thunderstorm downburst;jet wind tunnel;pressure distribution

中圖分類號(hào):TU312

A

1001－0505(2014)01-0168-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.030

收稿日期:2013-06-18.

湯卓(1981—)，男，博士，講師;呂令毅(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，lylu@seu.edu.cn.

湯卓，王兆勇，卓士梅，等.雷暴沖擊風(fēng)作用下雙坡屋面風(fēng)壓分布［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，44(1):168-172.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.030］