李秋勝　李建成

摘要：基于熱帶風(fēng)暴“彩虹”中采集的高分辨率風(fēng)速風(fēng)向和雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，研究了臺風(fēng)天氣下來流垂直于屋脊線時豎向風(fēng)攻角對雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓的影響。結(jié)果表明：來流垂直屋脊線時，屋面特殊風(fēng)壓系數(shù)與來流豎向風(fēng)攻角之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。測點特殊風(fēng)壓系數(shù)受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度隨著測點距迎風(fēng)前緣距離的增加而減小。另外，受屋脊的影響，雙坡屋面背風(fēng)面距離屋脊較近的區(qū)域受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度會有一定程度的增強。來流豎向風(fēng)攻角可能是造成雙坡屋面迎風(fēng)前緣及背風(fēng)面屋脊附近風(fēng)壓系數(shù)實驗值與實測結(jié)果差異較大的主要原因之一，在進行風(fēng)洞試驗?zāi)M時，應(yīng)考慮來流豎向風(fēng)攻角的影響。

關(guān)鍵詞：豎向風(fēng)攻角；低矮房屋；風(fēng)壓；熱帶氣旋

中圖分類號：TU973.32 文獻標(biāo)識碼：A

臺風(fēng)風(fēng)致災(zāi)害是最主要的自然災(zāi)害之一，我國地處西太平洋海岸，是世界上受臺風(fēng)影響最為嚴重的國家之一。災(zāi)后調(diào)查顯示，風(fēng)災(zāi)中損毀的絕大多數(shù)建筑為低矮房屋，其主要破壞形式為屋面外覆構(gòu)件的局部損壞，如屋面角部、屋檐和屋脊附近區(qū)域。在我國東南沿海地區(qū)，雙坡屋面低矮房屋是居民住房的主要建筑形式之一，開展該類型低矮房屋在臺風(fēng)作用下的實測研究具有重要意義。

近40年來，關(guān)于低矮房屋風(fēng)致風(fēng)壓，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的實測研究，其中比較著名的有英國的艾爾斯伯里實驗房、西爾斯框架結(jié)構(gòu)實驗房（SSB）、美國德克薩斯理工大學(xué)實驗房（TTU）以及國內(nèi)的湖南大學(xué)臺風(fēng)實測房（工期平坡實測房和Ⅱ期雙坡實測房）和同濟大學(xué)變坡實測房、大量的實測結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果對比顯示，低矮房屋屋面迎風(fēng)前緣、屋面角部區(qū)域以及雙坡屋面屋脊附近風(fēng)壓實測值與風(fēng)洞試驗結(jié)果差異較大，風(fēng)洞試驗低估了這些區(qū)域的峰值風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓。目前，國內(nèi)外學(xué)者認為在低速風(fēng)洞中難以準(zhǔn)確模擬雷諾數(shù)相似條件和近地面層風(fēng)場特性是造成這種偏差的主要原因。

風(fēng)洞試驗中模擬的風(fēng)場一般不考慮豎向風(fēng)攻角，但實際環(huán)境中，由于風(fēng)自身結(jié)構(gòu)或者周邊地形的影響，風(fēng)具有一定的豎向風(fēng)攻角，豎向風(fēng)攻角的存在會加劇來流在屋面迎風(fēng)前緣的分離效應(yīng)，對屋面風(fēng)壓產(chǎn)生不利影響。但國內(nèi)外關(guān)于豎向風(fēng)攻角對屋面風(fēng)壓影響的研究很少，Letchford等設(shè)計了一個可以沿對角線縱向旋轉(zhuǎn)的平坡低矮房屋試驗?zāi)Ｐ?，通過改變模型的旋轉(zhuǎn)角度來模擬不同的來流豎向風(fēng)攻角，以評估來流平均豎向風(fēng)攻角對錐形渦作用范圍內(nèi)風(fēng)壓特性的影響程度，結(jié)果表明在使用準(zhǔn)定常理論預(yù)測屋面角部風(fēng)壓時，引入豎向風(fēng)攻角可以減小風(fēng)洞試驗結(jié)果與實測結(jié)果的誤差。Wu等基于TTU的實測數(shù)據(jù)分析了豎向風(fēng)攻角對屋面角部風(fēng)壓系數(shù)的影響，其研究結(jié)果表明豎向風(fēng)攻角對錐形渦的形成和發(fā)展有非常大的影響，低矮房屋設(shè)計中不能忽視豎向風(fēng)攻角的影響。

鑒于目前關(guān)于豎向風(fēng)攻角對低矮房屋屋面風(fēng)壓影響的研究較少，且多是針對平坡屋面低矮房屋的研究，本文基于在熱帶風(fēng)暴“彩虹”中采集的高分辨率近地面風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)和雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，分析了來流垂直于屋脊線這一工況下，豎向風(fēng)攻角對雙坡低矮房屋屋面風(fēng)壓的影響規(guī)律。本文研究結(jié)果可為改進現(xiàn)有風(fēng)洞試驗?zāi)M技術(shù)提供參考。

1監(jiān)測系統(tǒng)及熱帶風(fēng)暴“彩虹”介紹

1.1監(jiān)測系統(tǒng)介紹

本文數(shù)據(jù)來自湖南大學(xué)臺風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)Ⅱ期工程，該監(jiān)測系統(tǒng)位于海南省文昌市錦山鎮(zhèn)某臨海位置，由一棟雙坡屋面低矮房屋和一座10m高氣象監(jiān)測塔組成，如圖1所示。房屋尺寸為12.32 m×6.0 m×3.2 m（長×寬×高），屋面坡角為11.3°，四臺二維機械式風(fēng)速儀（RM Young 05106）分別安裝在氣象監(jiān)測塔的3.2，5.0，7.5，10.0 m高處；另外，一臺超聲風(fēng)速儀（GillWind Master Pro）和一臺三維機械式風(fēng)速儀（Model20075 Gill UVW）分別安裝在10.0 m和3.2 m高度處。觀測點周圍地貌及儀器技術(shù)參數(shù)詳見文獻。文中所用數(shù)據(jù)采樣頻率均為20 Hz。

1.2熱帶風(fēng)暴彩虹介紹

熱帶氣旋彩虹（國際編號0913）于2009年9月9日在南海中部形成，之后向西北移動，橫過南海北部，并于9月10日增強為熱帶風(fēng)暴，9月11日凌晨，彩虹達到其最高強度，中心附近最高風(fēng)速約為75 km/h，并橫過海南島北部，進入北部灣海域，9月12日早上彩虹在越南北部登陸，并減弱為熱帶低氣壓。熱帶風(fēng)暴“彩虹”中心距實測房最近直線距離約為38 km，其路徑如圖2所示。

實測系統(tǒng)同步采集了熱帶風(fēng)暴彩虹影響實測地點時的風(fēng)速風(fēng)向和屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)。本文設(shè)定風(fēng)速閾值為10 m/s，即僅選擇10 min平均風(fēng)速大于10 m/s的風(fēng)速數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的風(fēng)向和風(fēng)壓數(shù)據(jù)。經(jīng)過篩選，最終選擇了時長為4 h的實測數(shù)據(jù)作為分析樣本。圖3（a）（b）分別給出了3.2，5.0，7.5，10.0 m高度處的10 min平均風(fēng)速時程和平均風(fēng)向時程。由圖可知，4個高度處之間風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)體現(xiàn)了很好的一致性，說明了風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的可靠性。圖3（c）給出了3.2 m高度處的3 s平均豎向風(fēng)攻角時程。

2數(shù)據(jù)處理方法

2.1數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

臺風(fēng)登陸過程中的實測風(fēng)速常伴有非平穩(wěn)過程，對臺風(fēng)脈動特性進行分析時，需經(jīng)過平穩(wěn)性檢驗，否則會導(dǎo)致平穩(wěn)隨機序列統(tǒng)計樣本參數(shù)出現(xiàn)誤差。選取10 min為參考時距，即時長為10 min的數(shù)據(jù)為1個樣本單元，采用逆序法分別對全部數(shù)據(jù)中的每個樣本單元進行平穩(wěn)性檢驗，選取滿足95%置信水平條件的平穩(wěn)過程樣本用于分析。

2.2定義特殊風(fēng)壓系數(shù)

風(fēng)工程中常用的風(fēng)壓系數(shù)（本文稱為傳統(tǒng)風(fēng)壓系數(shù)）為風(fēng)壓與參考高度處某一指定時距（通常為10min）下的平均動風(fēng)壓的比值：

（1）式中：C_p為傳統(tǒng)風(fēng)壓系數(shù)；p為平均風(fēng)壓；ρ為空氣密度；v為參考高度處的平均風(fēng)速。

由式（1）可知，傳統(tǒng)風(fēng)壓系數(shù)對風(fēng)速的變化很敏感。由于自然界中的風(fēng)是變化無常的，因此在計算平均風(fēng)速時，起始時間以及持續(xù)時距均會對平均風(fēng)速的大小產(chǎn)生影響，進而影響風(fēng)壓系數(shù)。為了減弱風(fēng)速對風(fēng)壓系數(shù)的影響，Zhao以在測點正上方采集到的瞬時速度壓為參考動壓定義了一種瞬時風(fēng)壓系數(shù)。這種瞬時風(fēng)壓系數(shù)能有效地減弱風(fēng)速脈動對風(fēng)壓系數(shù)的影響，更好地反映水平風(fēng)向角和豎向風(fēng)攻角對風(fēng)壓系數(shù)的影響規(guī)律。

本文實測系統(tǒng)中，風(fēng)速儀未安裝在測點正上方，而是安裝在位于實驗房北面，距其6.0 m處的氣象塔上，故直接使用瞬時風(fēng)壓系數(shù)方法是不準(zhǔn)確的。王云杰證明了當(dāng)參考時距很短時，風(fēng)速可認為是穩(wěn)定的，故可以通過使用短時距內(nèi)的平均速度壓作為參考動壓，以達到瞬時風(fēng)壓系數(shù)的效果。本文選用3s作為參考時距，定義特殊風(fēng)壓系數(shù)：

（2）式中：C^'_p為特殊風(fēng)壓系數(shù)；τ為參考時距，本文取3s；p（τ）為參考時距內(nèi)的平均風(fēng)壓；v（τ）為參考高度處（3.2 m，屋面平均高度）的平均風(fēng)速。

2.3解耦豎向風(fēng)攻角和水平風(fēng)向角

雖然特殊風(fēng)壓系數(shù)已經(jīng)減弱了風(fēng)速脈動的影響，但其依然同時受到豎向風(fēng)攻角和水平風(fēng)向角的影響。因此，若想單獨分析豎向風(fēng)攻角對風(fēng)壓的影響，必須將豎向風(fēng)攻角和水平風(fēng)向角的影響進行解耦。將3 s平均水平風(fēng)向角、平均豎向風(fēng)攻角和各個測點處的特殊風(fēng)壓系數(shù)，按照水平風(fēng)向角進行排序，可以得到某一水平風(fēng)向角下特殊風(fēng)壓系數(shù)隨豎向風(fēng)攻角的變化規(guī)律；同理，若按豎向風(fēng)攻角進行排序，可以得到某一豎向風(fēng)攻角下特殊風(fēng)壓系數(shù)隨水平風(fēng)向角的變化規(guī)律。

3結(jié)果分析

3.190°風(fēng)向角下豎向風(fēng)攻角對風(fēng)壓的影響

本文定義風(fēng)平行屋脊線吹向?qū)嶒灧繛?°風(fēng)向角，按順時針增加。選擇關(guān)于中軸線對稱的兩列測點作為分析對象，如圖4所示。

圖5給出了90°水平風(fēng)向角下，各測點特殊風(fēng)壓系數(shù)隨來流豎向風(fēng)攻角的變化規(guī)律。由于房屋沿中軸線對稱，若假設(shè)來流風(fēng)在房屋尺度范圍內(nèi)沿水平方向完全相關(guān)，則理論上關(guān)于中軸線對稱的一對測點風(fēng)壓系數(shù)應(yīng)該完全一致。由圖5可知，關(guān)于中軸線對稱的每一對測點的特殊風(fēng)壓系數(shù)均體現(xiàn)了很好的一致性，說明了本次實測風(fēng)壓數(shù)據(jù)的可靠性。

由圖5可以看出每一對測點的特殊風(fēng)壓系數(shù)與來流豎向風(fēng)攻角之間均體現(xiàn)了明顯的線性關(guān)系。為了評估不同位置測點風(fēng)壓受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度，對每對測點特殊風(fēng)壓系數(shù)與豎向風(fēng)攻角之間的關(guān)系進行了線性擬合，并以擬合直線的斜率來表征測點風(fēng)壓受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度。擬合直線斜率絕對值越大表示該對測點風(fēng)壓受來流豎向風(fēng)攻角的影響越強烈。

圖6給出了擬合直線斜率與測點位置之間的關(guān)系。由圖6可知，整體上擬合直線斜率絕對值隨測點距迎風(fēng)前緣距離的增加而減小，表明距離迎風(fēng)前緣越遠的屋面區(qū)域受來流豎向風(fēng)攻角的影響越小。但屋面背風(fēng)面距離屋脊最近的一對測點受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度突然增大，說明雙坡屋面房屋屋面風(fēng)壓受屋脊的影響，屋面背風(fēng)面距離屋脊較近的區(qū)域受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度會有一定程度的增強。另外，屋面迎風(fēng)前緣位置測點風(fēng)壓系數(shù)受來流豎向風(fēng)攻角影響程度遠大于其余測點，說明迎風(fēng)前緣位置是受來流豎向風(fēng)攻角影響最強烈的區(qū)域。大量風(fēng)洞試驗結(jié)果與實測結(jié)果的對比顯示，90°風(fēng)向角下，迎風(fēng)前緣及背風(fēng)面屋脊附近區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)實驗值與實測結(jié)果差異較大。由于風(fēng)洞試驗中未模擬豎向風(fēng)攻角的影響，所以來流豎向風(fēng)攻角可能是造成這種差異的原因之一。

3.24°和10°豎向風(fēng)攻角下的特殊風(fēng)壓系數(shù)對比

為了進一步說明來流豎向風(fēng)攻角對屋面風(fēng)壓的影響，圖7給出了4°和10°兩種豎向風(fēng)攻角下每對測點實測特殊風(fēng)壓系數(shù)與水平風(fēng)向角（80°～120°）之間的關(guān)系。之所以選擇4°和10°豎向風(fēng)攻角作為分析對象，是因為這兩種攻角下各測點具有足夠的數(shù)據(jù)量，同時又能保證足夠的攻角差，從而能更明顯地體現(xiàn)豎向風(fēng)攻角對屋面風(fēng)壓的影響程度。

另外，對受豎向風(fēng)攻角影響較大的4對測點，圖中給出了其風(fēng)洞試驗結(jié)果。試驗是在湖南大學(xué)建筑與環(huán)境風(fēng)洞實驗室開展的（詳見文獻），采樣頻率為520 Hz，每個樣本的采樣時長為115 s。模型縮尺比為1：20，根據(jù)實測3.2 m高度處總平均風(fēng)速和實驗室內(nèi)16 cm處的平均風(fēng)速計算得到風(fēng)速比為1：2.15，根據(jù)斯托羅哈數(shù)相似可得時間比為1：9.3，則實測3 s時長對應(yīng)風(fēng)洞中的0.32 s時長。對每個樣本進行0.32 s滑動平均，之后計算0.32 s平均值的總體平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖7所示°

10°豎向風(fēng)攻角下，位于迎風(fēng)前緣區(qū)域的測點50606和50509的特殊風(fēng)壓系數(shù)絕對值在80°～120°風(fēng)向角間均明顯大于4°豎向風(fēng)攻角下的特殊風(fēng)壓系數(shù)絕對值，尤其是90°和120°風(fēng)向角附近，這種差異更為明顯，這主要是因為90°風(fēng)向角時，豎向風(fēng)攻角的存在加劇了來流在迎風(fēng)前緣處的分離；而120°風(fēng)向角下，豎向風(fēng)攻角的存在影響了錐形渦的強度，這與Wu在平坡屋面上得到的結(jié)果相似。測點50506和50509以及測點50406和50409，在10°豎向風(fēng)攻角下的特殊風(fēng)壓系數(shù)絕對值略大于4°攻角下的值。屋面背風(fēng)面靠近屋脊附近測點50306和50309的特殊風(fēng)壓系數(shù)在90°和120°水平風(fēng)向角附近這種差異較為明顯，而在其余風(fēng)向角下，豎向風(fēng)攻角的影響有限。屋面背風(fēng)面測點50206和50209以及測點50106和50109的特殊風(fēng)壓系數(shù)值在2種豎向風(fēng)攻角下幾乎沒有差異，表明豎向風(fēng)攻角對屋面背風(fēng)面且遠離屋脊的區(qū)域幾乎沒有影響，可以不予考慮。

另外，風(fēng)洞試驗結(jié)果與4°風(fēng)攻角下的實測特殊風(fēng)壓系數(shù)之間的差異明顯小于10°風(fēng)攻角下二者之間的差異，說明豎向風(fēng)攻角的增大加劇了實測與實驗結(jié)果的差。

4結(jié)論

本文基于在熱帶風(fēng)暴“彩虹”中采集的高分辨率風(fēng)速風(fēng)向及低矮雙坡房屋屋面風(fēng)壓數(shù)據(jù)，研究了臺風(fēng)天氣中，來流垂直低矮雙坡房屋屋脊線工況下豎向風(fēng)攻角對屋面風(fēng)壓的影響規(guī)律。得到如下結(jié)果：

1）來流垂直于屋脊線時，屋面特殊風(fēng)壓系數(shù)與來流豎向風(fēng)攻角之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。

2）屋面迎風(fēng)前緣處特殊風(fēng)壓系數(shù)受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度最強烈，隨著測點距迎風(fēng)前緣距離的增加，測點特殊風(fēng)壓系數(shù)的受影響程度遞減，在背風(fēng)面且距屋脊較遠的區(qū)域可忽略豎向風(fēng)攻角的影響。但雙坡屋面房屋屋面風(fēng)壓受屋脊的影響，屋面背風(fēng)面距離屋脊較近的區(qū)域受來流豎向風(fēng)攻角的影響程度會有一定程度的增強。

3）來流豎向風(fēng)攻角可能是造成雙坡屋面迎風(fēng)前緣及背風(fēng)面屋脊附近風(fēng)壓系數(shù)實驗值與實測結(jié)果差異較大的原因之一。