楊萬(wàn)理，侯海林，張川江，黃宇婷，許圣祥

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.四川巴陜高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

2004年印度洋海嘯以及2011年?yáng)|日本地震海嘯均造成大量房屋、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞.從公元前1947年至1966年，我國(guó)近海發(fā)生了25次不同級(jí)別的地震海嘯，其中8 ～ 9次為破壞性海嘯.相關(guān)研究表明；海嘯波到達(dá)我國(guó)近海時(shí)可能高達(dá)12 m[1]，我國(guó)東南沿海存在較大的海嘯風(fēng)險(xiǎn)；太平洋區(qū)域的越洋海嘯，特別是震級(jí)大于9.0的地震所引發(fā)的越洋海嘯對(duì)我國(guó)沿海同樣具有造成破壞的威脅[2].我國(guó)東南沿海村鎮(zhèn)房屋中存在大量的低矮房屋，宮文壯[3]對(duì)我國(guó)海嘯嚴(yán)重淹沒(méi)危險(xiǎn)區(qū)（廣東沿海地區(qū)）村鎮(zhèn)低矮房屋進(jìn)行實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)低矮房屋大量存在并且年限已久，一旦遭遇海嘯將造成嚴(yán)重破壞，因此，有必要對(duì)低矮房屋的海嘯作用力開(kāi)展研究.

國(guó)內(nèi)對(duì)海嘯研究起步較晚，海嘯與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究比較欠缺.陳杰等[4]基于波浪水槽研究了海嘯對(duì)獨(dú)棟建筑與建筑群的局部沖刷；王鐵成等[5]通過(guò)數(shù)值仿真研究了不同開(kāi)洞大小對(duì)建筑物受到海嘯波作用的影響，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)FEMA P646 （2008）規(guī)范給出的計(jì)算方式偏于保守，但該研究沒(méi)有定量指出門(mén)窗洞口對(duì)海嘯作用力的減小程度.國(guó)外對(duì)海嘯的研究起步較早，研究相對(duì)深入.Yeh等[6]通過(guò)NTHMP （美國(guó)國(guó)家海嘯減災(zāi)計(jì)劃）提出了海嘯作用力的計(jì)算公式；Ramsden等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M海嘯涌波對(duì)豎直墻體的作用力；Lukkunaprasit等[8]采用孤立波模擬海嘯開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，擬合了房屋迎水面墻體上的壓力分布公式；Triatmadja等[9]通過(guò)潰壩實(shí)驗(yàn)?zāi)M海嘯波，研究了開(kāi)洞率以及障礙物對(duì)房屋結(jié)構(gòu)海嘯作用力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海嘯作用力減緩系數(shù)與房屋的開(kāi)洞率大小不成線性關(guān)系，而是開(kāi)洞率的二次方關(guān)系；Ghosh等[10]通過(guò)數(shù)值模擬海嘯，研究房屋洞口開(kāi)洞率對(duì)海嘯作用力的影響，其研究表明房屋洞口能有效減小海嘯作用力，同時(shí)提出房屋應(yīng)在靠近底部開(kāi)洞以減小海嘯作用力.

綜上所述，國(guó)內(nèi)關(guān)于門(mén)窗洞口對(duì)海嘯作用力影響的研究相當(dāng)匱乏，國(guó)外相關(guān)研究中并未考慮門(mén)窗洞口開(kāi)洞位置以及屋面板開(kāi)洞對(duì)結(jié)構(gòu)海嘯作用力的影響.本文將以我國(guó)東南沿海常見(jiàn)的村鎮(zhèn)低矮房屋為研究對(duì)象，研究門(mén)窗洞口開(kāi)洞率、門(mén)窗洞口開(kāi)洞位置以及屋面板開(kāi)洞對(duì)海嘯作用力的影響.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及工況介紹

1.1 海嘯涌波模擬方法

采用潰壩方式模擬海嘯波，即在水槽上游蓄水，然后通過(guò)迅速開(kāi)啟閘門(mén)制造潰壩涌波，如圖1所示.圖中：d0為上游初始蓄水深度（上游初始水深）；d為自由液面高度；V為下降段內(nèi)流體速度；d2為平穩(wěn)段內(nèi)自由液面高度；V2為平穩(wěn)段內(nèi)流體速度；U為波前速度；d3為下游初始水深；x1為上游初始水體前緣位置；x2為下降段結(jié)束位置；x3為平穩(wěn)段前緣位置.來(lái)流波高（d2?d3）與d0、距離閘門(mén)位置等之間的關(guān)系以及V2與d0之間的關(guān)系，都可根據(jù)文獻(xiàn)[11]計(jì)算，不再贅述.

圖1 潰壩涌波流場(chǎng)參數(shù)示意Fig.1 Sketch of flow field parameters of a dam-break bore

該模擬方法比較便捷，且能較好地模擬在海岸線附近傳播的海嘯涌波[11-12].Triatmadja 等[9,13-17]均采用了潰壩方式模擬海嘯涌波.

1.2 試驗(yàn)方案及設(shè)備

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)潰壩水槽中進(jìn)行，潰壩水槽長(zhǎng)10.72 m，寬1.485 m，深0.6 m.水槽中部由閘門(mén)分為上、下游兩段，分別長(zhǎng)4.58、6.14 m，水槽實(shí)物以及試驗(yàn)裝置連接見(jiàn)圖2.閘門(mén)開(kāi)啟用時(shí)0.25 ～0.35 s，開(kāi)啟時(shí)間足夠短，可以較好地模擬瞬間潰壩.另外，當(dāng)潰壩波傳播至水槽末端時(shí)，通過(guò)快速開(kāi)啟尾門(mén)以減小下游邊壁反射波浪對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)的干擾.

圖2 試驗(yàn)水槽實(shí)物及試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接Fig.2 Dam-break flume and connection of the experimental model

宮文壯[3]調(diào)研結(jié)果表明，東南沿海村鎮(zhèn)低矮房屋體型較為方正，長(zhǎng)9 ～ 12 m，寬6.0 ～ 13.2 m，高4.5 ～ 8.9 m.本文選用長(zhǎng)8.0 m、寬8.0 m、高5.0 m的一層房屋作為原型，按照1∶40縮尺后，得到長(zhǎng)20.0 cm、寬20.0 cm、高12.5 cm的房屋模型.水槽寬度約為模型寬度的7.5倍，可不考慮阻水效應(yīng)對(duì)模型受力的影響[18].模型底部距池底2 mm，頂部通過(guò)連接桿與ATI六分力測(cè)力天平（Gamma IP68）相連.數(shù)值計(jì)算表明，房屋模型整體海嘯力絕大部分由前墻貢獻(xiàn)，后墻貢獻(xiàn)相對(duì)較小，側(cè)墻貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，因此，模型試驗(yàn)中僅測(cè)試房屋模型整體海嘯力.房屋模型由預(yù)留洞口的主體結(jié)構(gòu)與前后蓋板組成，均采用有機(jī)玻璃板制作，同時(shí)假定房屋前墻和后墻與來(lái)流方向垂直，定義前墻為迎水面，后墻為背水面，其模型示意如圖3所示.每套蓋板上開(kāi)孔大小不同或開(kāi)孔位置不同對(duì)應(yīng)不同的開(kāi)洞率或開(kāi)洞位置.

圖3 房屋主體結(jié)構(gòu)模型（前后墻預(yù)留洞口）以及具有不同開(kāi)洞率的蓋板模型Fig.3 Main structure model of the house with openings reserved on the front and rear walls and the cover models with different opening rates

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中d3設(shè)置為2.0 cm，對(duì)應(yīng)實(shí)際工程中0.8 m的初始淹沒(méi)水深.來(lái)流波高設(shè)置為4、6、8、10 cm和12 cm，分別對(duì)應(yīng)實(shí)際海嘯中來(lái)流波高1.6、2.4、3.2、4.0 m和4.8 m.試驗(yàn)中采用“來(lái)流波高（d2?d3）-下游初始水深（d3）”進(jìn)行工況編號(hào)，即工況4-2、6-2、8-2、10-2、12-2.

1）研究開(kāi)洞率對(duì)海嘯作用力的影響時(shí)，正方形門(mén)窗洞口處于前后墻體中心，如圖4所示.圖中：dor（dol）為洞口右（左）邊緣離墻體右（左）端的距離，dob（dou）為洞口下（上）邊緣離墻體下（上）端的距離dob=dou，dol=dor（帶*的為海嘯作用后的距離）；hh和dh分別為墻體的高度和寬度；L0為正方形洞口邊長(zhǎng).開(kāi)洞率n（單面墻體開(kāi)洞率）分別取0、10%、20%、30%、40%，分別對(duì)應(yīng)L0為0、50、72、88、100 mm.

圖4 位置變化示意Fig.4 Schematic of position change

2）研究洞口位置對(duì)房屋海嘯作用力影響時(shí)，n=10% （洞口邊長(zhǎng)50 mm）保持不變.當(dāng)洞口位置豎向變化時(shí)，洞口始終在墻體寬度方向的中心；當(dāng)洞口位置水平變化時(shí)，洞口始終在墻體高度方向的中心.α=/dob，β=/dor分別為洞口沿墻體高度和寬度移動(dòng)后的相對(duì)位置：模型試驗(yàn)中α分別取0.25、0.50、1.00、1.25、1.50、1.75，α越小，洞口距離墻體底部越近；β分別取0.25、0.50、1.00，β越小，洞口距離墻體右邊緣越近.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 門(mén)窗洞口開(kāi)洞率對(duì)房屋海嘯作用力的影響

工況8-2中開(kāi)洞率不同時(shí)海嘯作用力Fx（房屋整體所受水平海嘯作用力，方向與來(lái)流方向保持一致）時(shí)程曲線對(duì)比如圖5（a）所示，局部放大圖如圖5（b）所示.圖中：t為時(shí)刻.海嘯作用力時(shí)程曲線大致可以分為4段：自波前到達(dá)結(jié)構(gòu)物至約2.5 s為沖擊段，持時(shí)約0.2 s；2.5 ～ 3.5 s為波動(dòng)段；3.5 ～ 6.1 s為似平穩(wěn)段；6.1 s之后為受到從下游邊壁反射回來(lái)的涌波影響產(chǎn)生的下降段（本文不關(guān)注此段）.

圖5 工況8-2開(kāi)洞率不同時(shí)的海嘯作用力時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curves of the tsunami force in case 8-2 with different opening rates

提取工況8-2中開(kāi)洞率不同時(shí)海嘯作用力沖擊段的峰值Fxmax并繪制于圖6，可見(jiàn)，海嘯作用力沖擊峰值隨著洞口開(kāi)洞率n的增大而減小.這是因?yàn)殚_(kāi)洞率不同時(shí)，相同來(lái)流波高下海嘯涌波到達(dá)結(jié)構(gòu)物前墻時(shí)沖擊速度和液面高度基本不變，前墻迎水面積隨開(kāi)洞率增大而減小，沖擊段內(nèi)海嘯作用力主要取決于前墻上的沖擊壓力及靜水壓力，兩者都與前墻迎水面積成正比，因此，海嘯作用力沖擊峰值不斷減小.

圖6 工況8-2海嘯作用力沖擊峰值與開(kāi)洞率的關(guān)系Fig.6 Relationship between the tsunami force peak value and the opening rate in case 8-2

具有門(mén)窗洞口時(shí)，整個(gè)海嘯涌波作用階段內(nèi)海嘯力作用力最大值Fmax發(fā)生時(shí)刻tmax處于波動(dòng)上升段.定義波動(dòng)上升段內(nèi)海嘯作用力增速kmax=Fmax/（tmax?t0），并將kmax、tmax隨開(kāi)洞率的變化繪制于圖7中，其中，t0為海嘯波到達(dá)結(jié)構(gòu)物的時(shí)刻.可見(jiàn)，tmax隨開(kāi)洞率n的增大而非線性的增大，kmax隨開(kāi)洞率n的增大而非線性的減小.即隨開(kāi)洞率增大，海嘯作用力達(dá)到峰值的時(shí)間延后，海嘯作用力最大值增速降低.因?yàn)楫?dāng)房屋不開(kāi)設(shè)洞口時(shí)（n=0），海嘯作用力最大值發(fā)生在沖擊階段，主要由前墻上的瞬間沖擊壓力貢獻(xiàn)的.當(dāng)房屋開(kāi)設(shè)洞口后（n>0），由于前墻迎水面的面積減小，前墻受到的沖擊力減小，海嘯作用力峰值未能在沖擊段產(chǎn)生；在波動(dòng)上升段內(nèi)，海嘯涌波在前墻上不斷爬升導(dǎo)致靜水壓力不斷增大，并與前墻受到的沖擊壓力以及后墻上匯流后所產(chǎn)生的負(fù)向靜水壓力疊加后產(chǎn)生海嘯力峰值.因此，開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口后沖擊力峰值發(fā)生時(shí)刻延后至波動(dòng)上升段（圖5（b））.

圖7 工況8-2 、與開(kāi)洞率 n的關(guān)系Fig.7 Relationships between , and n in case 8-2

隨著洞口面積的增加，在波動(dòng)上升段內(nèi)允許更多海嘯涌波從洞口中流過(guò)，減小了前墻自由液面爬升高度；同時(shí)洞口面積的增大允許更多直接流過(guò)的水體與沿著房屋兩側(cè)繞流的水體一同在后墻匯聚，增加后墻下游表面自由液面爬升高度，導(dǎo)致在后墻下游表面產(chǎn)生更大的負(fù)向靜壓，最終導(dǎo)致海嘯作用力隨著洞口面積的增大而減小.

不同來(lái)流波高工況中Fmax及似平穩(wěn)段海嘯作用力均值Fxave與開(kāi)洞率之間的關(guān)系分別如圖8、9所示.由圖8可知：1）房屋不設(shè)洞口時(shí)海嘯作用力最大值大于開(kāi)設(shè)洞口時(shí)海嘯作用力最大值；2）同一工況中（相同來(lái)流波高），隨著開(kāi)洞率增大，海嘯作用力最大值逐漸減小，并且減小的幅度逐漸增大；3）來(lái)流波高越大，開(kāi)洞率增大導(dǎo)致的海嘯作用力最大值減小幅度越大.這是由于來(lái)流波高越大，來(lái)流速度越大，單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)洞口并在后墻下游表面匯聚的水體越多，導(dǎo)致后墻下游表面自由液面爬升高度越大，因此，海嘯作用力最大值減小量越大.

圖8 不同工況中海嘯作用力最大值隨開(kāi)洞率變化Fig.8 Variation of the tsunami force peak value with opening rate in different cases

由圖9可知：Fxave隨洞口開(kāi)洞率增大而減小.這是因?yàn)殚_(kāi)洞率越大阻水率越小，水更容易流過(guò)孔洞在后墻處匯聚，使得房屋前、后墻體自由液面高度差越小，房屋前、后墻體靜壓差越小，本質(zhì)上使得阻力系數(shù)CD減小.根據(jù)水流阻力計(jì)算式FD=0.5ρCDAV22（其中：ρ、A分別為水的密度、迎水面積），CD與A都減小，使得Fxave減小.

圖9 不同工況中海嘯作用力似平穩(wěn)段均值隨開(kāi)洞率變化趨勢(shì)Fig.9 Variation of the tsunami force mean value in quasistationary stage with opening rate in different cases

定義無(wú)量綱系數(shù)k0=（?Fmax）/來(lái)描述開(kāi)洞率對(duì)海嘯作用力的影響，其中，F(xiàn)m?ax為不開(kāi)設(shè)洞口時(shí)的海嘯作用力最大值.不同來(lái)流波高工況下k0與n之間的關(guān)系如圖10所示.由圖可知：k0隨n的增大而增大，k0與n之間的關(guān)系可近似擬合為k0=0.9792n?0.0628（10%

圖10 k0 與 n之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between k0 and n

2.2 門(mén)窗洞口豎向位置對(duì)房屋海嘯作用力的影響

以工況4-2為例描述了門(mén)窗洞口豎向位置變化時(shí)海嘯作用力的變化，如圖11所示.可見(jiàn)，當(dāng)來(lái)流波高較小時(shí)，海嘯作用力均值隨洞口豎向位置α的增大（即洞口上移）而略微增加.這是由于當(dāng)門(mén)窗洞口位置較高（α值較大）而來(lái)流波高較小時(shí)，隨著α增大，受海嘯涌波沖擊的前墻面積增大，在前墻處形成較高的壅水高度，產(chǎn)生較大正向靜水壓力的同時(shí)，僅有少量水體穿過(guò)門(mén)窗洞口到達(dá)房屋后墻形成負(fù)向靜壓，因此海嘯力隨著α增大而略有增大.當(dāng)來(lái)流波高較大時(shí)（例如工況12-2），來(lái)流波高高于門(mén)窗洞口最高位置后，門(mén)窗洞口位置上、下移動(dòng)，不會(huì)改變阻水效應(yīng)，也不會(huì)明顯改變房屋模型前、后墻液面高差，因此海嘯作用力隨α變化不明顯.

圖11 工況4-2中豎向開(kāi)洞位置不同時(shí)海嘯作用力時(shí)程曲線Fig.11 Comparison of tsunami force time-history curves of 4-2 cases with different vertical opening positions

定義無(wú)量綱系數(shù)kα=Fmax/描述洞口豎向位置α對(duì)海嘯作用力最大值Fmax的影響，其中為α=1.00時(shí)（即洞口在墻體1/2高度處）的海嘯作用力最大值.圖12繪制了kα隨α變化情況.由圖可知：1）當(dāng)來(lái)流波高較小時(shí)（如工況4-2），kα通常隨α的增大而增大.2）當(dāng)來(lái)流波高較大時(shí)（如工況12-2），kα通常隨α的增大而減小.海嘯涌波的波前為前凸形狀，在大約1/2波高處水流具有較高的動(dòng)能.對(duì)于工況12-2，來(lái)流涌波高動(dòng)能區(qū)域距離水槽底部約8.0 cm，高于房屋模型中心（房屋模型高度12.5 cm）.當(dāng)洞口位于前墻中心下方時(shí)（即 α≤1.00），高動(dòng)能區(qū)域水體將直接沖擊在前墻上，產(chǎn)生較大的作用力；當(dāng)洞口移至接近涌波高動(dòng)能區(qū)域時(shí)（α=1.25，此時(shí)洞口中心高度為7.2 cm），大部分高動(dòng)能的水體直接穿過(guò)洞口，前墻上沖擊力相對(duì)較小.3）當(dāng) 0.25≤α≤1.75 時(shí)，洞口豎向位置海嘯作用力影響系數(shù)kα保持在 1.00±0.15以內(nèi).

圖12 不同工況中 隨豎向位置α變化規(guī)律Fig.12 Variation of with vertical position α in different cases

2.3 門(mén)窗洞口水平位置對(duì)房屋海嘯作用力的影響

洞口相對(duì)水平位置β并不影響阻水效應(yīng)，前、后墻體自由液面高差以及流場(chǎng)隨β并無(wú)明顯變化，因此，海嘯作用力并不會(huì)隨著β發(fā)生明顯改變.定義無(wú)量綱系數(shù)kβ=Fmax/為β對(duì)海嘯作用力最大值Fmax的影響，并將kβ隨β的變化規(guī)律繪制于圖13中，其中，為 β=1.00 時(shí)海嘯作用力最大值.可見(jiàn)，kβ一般保持在 1.00±0.05以內(nèi).

圖13 不同工況中β對(duì) 的影響Fig.13 I nfluence of β on in different cases

2.4 屋面板開(kāi)孔對(duì)房屋海嘯作用力的影響

門(mén)窗作為易碎構(gòu)件往往先被破壞，海嘯涌波穿過(guò)門(mén)窗洞口，與室內(nèi)空氣以及房屋屋面板發(fā)生復(fù)雜的耦合作用.本節(jié)在屋面板上從前到后布置10個(gè)點(diǎn)（壓力計(jì)）測(cè)試屋面板底部壓力分布，并研究了屋面板具有不同開(kāi)洞率時(shí)，屋面板底部壓力變化特征.屋面板上點(diǎn)壓力計(jì)布置、屋面板開(kāi)孔位置如圖14所示，其中：nr為屋面板開(kāi)洞率；紅圈為點(diǎn)壓力計(jì)；黑色圈為孔洞.

圖14 屋面板上點(diǎn)壓力計(jì)布置以及孔洞分布示意Fig.14 Sketches of pressure gauge arrangement and opening distributions on roof panel

以工況12-2為例，圖15對(duì)比了屋面板不開(kāi)孔和開(kāi)孔率nr=4.0%時(shí)屋面板底部壓力（pi，i= 1，2，…，10）分布.其中，橫坐標(biāo)t= 1.7 s為海嘯到達(dá)房屋的時(shí)刻.由圖可知：當(dāng)屋面不開(kāi)孔時(shí)，樓板底部靠近后墻一側(cè)區(qū)域內(nèi)的位置（點(diǎn)壓力計(jì)7、8、9、10）處壓力較大，靠近前墻一側(cè)區(qū)域內(nèi)位置（點(diǎn)壓力計(jì)1、2、3、4、5、6）處壓力較小.這是由于水體從前墻門(mén)窗洞口進(jìn)入室內(nèi)后，部分將沖擊后墻洞口上部墻體，從而向上翻滾，沖擊靠后墻一側(cè)屋面板，并沿著屋面板底部向上游傳播，隨后在重力作用下跌入水流；在靠近前墻一側(cè)屋面板下方的空氣因來(lái)不及逃逸，將被涌入的水體裹挾在室內(nèi).為了能更形象地展示屋內(nèi)空氣與水流的相互作用，本文使用 ANSYS FLUENT 對(duì)工況12-2中屋面板不開(kāi)孔以及開(kāi)孔率nr=4.0%的兩個(gè)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖16所示（圖中：紅色表示水，藍(lán)色表示空氣）.當(dāng)屋面板未開(kāi)孔時(shí)，這部分空氣受到水體的沖擊而受壓，但是壓力小于水流直接沖擊屋面板產(chǎn)生的壓力，如圖16（a）①所示.當(dāng)屋面板開(kāi)孔時(shí)，樓板底部靠近后墻一側(cè)區(qū)域也將受到水流的直接沖擊，產(chǎn)生較大的壓力，如圖16（b）①所示.但是屋面板上的開(kāi)孔使得被裹挾的空氣以及沖擊屋面板底板的水體可以通過(guò)屋面板逃逸到外部，減小了室內(nèi)裹挾空氣的壓力和水體的沖擊壓力，因此屋面板開(kāi)孔時(shí)底板受到的壓力小于屋面板不開(kāi)孔時(shí)的壓力，如圖15中nr=4.0%時(shí)p10的壓力峰值為2.25 kPa，小于不開(kāi)孔時(shí)p10的壓力峰值2.70 kPa.另外，開(kāi)設(shè)孔洞后屋面板底部壓力峰值發(fā)生時(shí)刻明顯延后.這是由于當(dāng)屋面板開(kāi)設(shè)孔洞后，裹挾空氣受壓經(jīng)孔洞逐步排出，室內(nèi)可供水體填充的空間相對(duì)較大，海嘯涌波在相同流速情況下需要更長(zhǎng)時(shí)間才能讓室內(nèi)水位上漲到海嘯涌波可以沖擊靠后一側(cè)屋面板的位置.圖16（a）②表明對(duì)于未開(kāi)孔的屋面板，在似平穩(wěn)階段房間內(nèi)仍裹挾了大量難以逃逸的空氣；圖16（b）②表明對(duì)于有開(kāi)孔的屋面板，屋內(nèi)裹挾空氣通過(guò)屋面板孔洞幾乎全部逃逸.

圖15 工況12-2中屋面板開(kāi)孔與不開(kāi)孔時(shí)屋面板底部壓力對(duì)比Fig.15 Comparison of pressures at the bottom of roof panel without and with openings on the roof panel

圖16 工況12-2中房屋頂部空氣逃逸的CFD模擬Fig.16 CFD simulation of air escape of the roof panel in case 12-2

圖17對(duì)比了屋面板開(kāi)孔率不同時(shí)屋面板底部各點(diǎn)的壓力峰值（pmax），其中，橫坐標(biāo)表示點(diǎn)壓力計(jì)所在位置到房屋前墻的距離x.由圖可知：在靠近前墻一側(cè)，屋面板底部壓力最大值比較小且基本不隨位置發(fā)生變化，在靠近后墻一側(cè)，屋面板底部壓力最大值越靠近后墻越大.因?yàn)樗w在沖擊屋面板過(guò)程中先后依次經(jīng)過(guò)4個(gè)（7、8、9、10）點(diǎn)壓力計(jì)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于摩阻和湍流產(chǎn)生能量耗散，水體能量逐漸遞減，因此越遠(yuǎn)離后墻，屋面板底部壓力越小.并且，除個(gè)別工況的部分測(cè)點(diǎn)外，開(kāi)孔后屋面板壓力均小于未開(kāi)孔時(shí)屋面板的壓力.圖18中展示了在似平穩(wěn)階段，房屋模型受到的豎向力（Fzmax）隨著屋面板開(kāi)孔率的變化.可見(jiàn)，不同工況下，較小的開(kāi)孔率（如nr=0.5%）將導(dǎo)致空氣逃逸后浮力大幅降低，從而導(dǎo)致豎向力大幅下降，當(dāng)開(kāi)孔率繼續(xù)增大時(shí)，豎向力不再產(chǎn)生明顯變化.

圖17 工況12-2中屋面板開(kāi)洞率不同時(shí)屋面板底部壓力最大值Fig.17 Maximum pressure at the bottom of roof with different opening rates in case 12-2

圖18 不同工況下屋面板豎向力峰值隨開(kāi)洞率變化Fig.18 Variation of the peak value of the vertical force on the roof panel with opening rate in different cases

屋面板開(kāi)孔后，空氣會(huì)逐漸從孔洞排出房屋導(dǎo)致水平作用力峰值發(fā)生時(shí)間略有提前，并且水平力峰值比屋面板開(kāi)孔前略大.屋面板未開(kāi)孔時(shí)，裹挾空氣阻礙了后墻內(nèi)側(cè)受到更多的水體沖擊，減小了正向沖擊力.同時(shí)裹挾空氣受到的壓力作用在前墻內(nèi)側(cè)增大了負(fù)向水平力，因此，水平力在屋面板未開(kāi)孔時(shí)較小.定義k?=F1max/F0max為頂板開(kāi)孔率影響系數(shù)，其中F0max和F1max分別為頂板未開(kāi)孔和頂板開(kāi)孔時(shí)海嘯作用力最大值.圖19表明屋面板開(kāi)孔可能導(dǎo)致房屋水平海嘯力增大20%，需要在設(shè)計(jì)中考慮.

圖19 k?與 nr 之間的關(guān)系Fig.19 Relationship between k? and nr

3 結(jié) 論

在潰壩水槽中研究了門(mén)窗、屋面板洞口對(duì)低矮房屋海嘯作用力的影響機(jī)理和影響規(guī)律.分析了門(mén)窗洞口開(kāi)洞率、洞口水平位置、洞口豎向位置以及屋面板開(kāi)孔率對(duì)房屋海嘯作用力的影響，得到以下結(jié)論：

1）開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口后，海嘯作用力最大值發(fā)生在波動(dòng)段內(nèi)，并且最大值發(fā)生的時(shí)刻隨著開(kāi)洞率的增大而延后，最大值的幅值隨著開(kāi)洞率的增大而減小.開(kāi)孔率越大，前墻迎水面面積越小，前后墻液面高差越小，海嘯作用力最大值越小.開(kāi)洞率影響系數(shù)k0=0.9792n?0.0628（10%

2）門(mén)窗洞口豎向位置接近海嘯涌波高能區(qū)域時(shí)，海嘯作用力最大值越小.當(dāng) 0.25<α<1.75 時(shí)，洞口豎向位置海嘯作用力影響系數(shù)kα保持在 1.00±0.15.

3）門(mén)窗洞口水平位置對(duì)海嘯作用力的影響很小，一般保持在 1.00±0.05.

4）屋面板底部靠近后墻處將受到涌波的直接沖擊而產(chǎn)生較大壓力，底部中部以及靠近前墻處壓力分布均勻且較小.屋面板未開(kāi)孔時(shí)，室內(nèi)裹挾空氣受到涌波沖擊在屋面板底部產(chǎn)生較大的壓力，同時(shí)在似平穩(wěn)階段裹挾空氣產(chǎn)生的浮力使得房屋受到較大的豎向力.屋面板較小的開(kāi)孔即可釋放裹挾空氣，降低屋面板底部壓力，減小房屋似平穩(wěn)階段的豎向力.

5）屋面板開(kāi)孔能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水平海嘯力增大20%，需要在設(shè)計(jì)中引起重視.