屋盖开孔的近地空间建筑的平均风压特征

第一作者李寿科男，博士，讲师，1981年生

通信作者李寿英男，博士，副教授，1977年生

屋盖开孔的近地空间建筑的平均风压特征

李寿科1，李寿英2，陈政清2,孙洪鑫1, 李红利3

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201; 2.湖南大学风工程试验研究中心，长沙410082;3. 长沙理工大学桥梁工程安全控制技术与装备湖南省工程技术研究中心，长沙410114)

摘要：对开孔位置和开孔率不同的7个屋盖开孔近地空间建筑进行了缩尺刚性模型测压试验，分析了屋盖升力系数，屋盖中线测点和立墙测点的点体型系数，以及屋盖的块局部体型系数分布规律，并与当前规范取值进行比较，结果表明：屋盖中心开孔减小了屋盖向上的净平均风吸力，屋盖轴线测点最大正体型系数可达+0.32，中心开孔屋盖设计时应充分考虑正风压作用；屋盖角部开孔时的正风压较中心开孔工况大，对结构受力不利；中国规范对于屋盖中心开孔工况的角部块Ra的局部体型系数取值偏于不安全；屋盖角部开孔后局部块受风的压力作用显著，会导致屋盖的进一步破坏；屋盖中心开孔增大了迎风面立墙正风压86%以上，减小了侧墙和背风面立墙的吸力，使得在全封闭状态下承受风吸力的背风面墙转而承受风压作用。

关键词：风洞试验；屋盖开孔；风压系数；体型系数

收稿日期：2013-10-09修改稿收到日期：2014-02-20

中图分类号:TU119+.21文献标志码：A

基金项目：国家自然科学

Mean wind loads on a closing-ground building with a roof opening

LIShou-ke1,LIShou-ying2,CHENZheng-qing2,SUNHong-xing1,LIHong-li3(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. Wind Engineering Research Center, Hunan University, Changsha 410082, China;3. Hunan Province Research Center for Safety Control Technology and Equipment of Bridge Engineering, Changsha University of Science & Techology, Changsha 410114, China)

Abstract:The effects of seven different roof opening configurations on net mean wind loads upon a closing-ground building were examined using wind tunnel tests. The lift force coefficients of roof, shape coefficients of center-line measured points on roof and wall ones, local shape coefficients of roof were specially studied and compared with the values from the present codes. It was shown that the net mean suctions on the roof are reduced for the configuration of roof center opening; the biggest value of positive shape coefficient of roof center-line measured point is +0.32, the positive wind pressure should be considered in the design of a structure with roof center opening; the positive wind pressures in the configuration of roof corner opening are larger than those of roof center opening configuration, this situation is unfavorable for structures; the Chinese Code is found to significantly underestimate the local wind pressures of corner area Ra for roof center opening configuration; the local wind pressures for roof corner opening configuration are larger than those of roof center opening configuration, this situation can cause the roof to be further damaged; the positive wind loads on the windward wall increase up to 86% for roof center opening configuration, the suctions on the side wall and leeward one decrease largely.

Key words:wind tunnel test; roof opening; wind pressure coefficient; shape coefficient

建筑的开孔通常可分为功能性开孔和破坏性开孔两类。功能性开孔按照开孔位置区分有立墙开孔和屋盖开孔，如立墙的门窗开孔，屋盖的功能性天窗和体育场的开合式屋盖。破坏性开孔是由建筑物的损坏而形成的一类开孔，可能发生在建筑的任何部位，但风致破坏性开孔通常较早的出现于屋盖的边缘或角部。目前国内外对于开孔结构风效应的研究大多集中于立墙开孔的低矮建筑的风效应研究，大致可归为以下几类研究，①对单、多开孔内风压传递方法的研究: Holmes[1]对一立墙单开孔的双坡低矮房屋进行了风洞试验，采用了单参数的Helmohotz共振方程表示内压响应；随后，Liu等[2]、Vickery等[3]、Sharma 等[4]对内压传递方程的开孔阻尼参数和损失参数的表达形式进行了进一步的推导和改进，得到了双参数或三参数的内压传递方程。②对内压与结构耦合振动的研究：余世策等[5-6]通过气弹模型风洞试验研究了Helmholtz频率对开孔建筑屋盖风致响应的影响，研究了结构的耦合振动；Vickery等[7]研究了内压与屋盖的耦合振动，并提出了线性化阻尼项解非线性方程的方法。③对结构内压分布特性的研究：Oh[8]对一个38.1×24.4×12.2m的低矮建筑进行了缩尺刚性模型风洞试验，发现在迎风面开孔时ASCE7-02、NBCC、AS/NZS、Eurocode规范低估了内压的峰值响应；Kopp等[9]采用体积缩尺的刚性模型风洞试验方法研究了10种不同配置的2层House的内压响应；Holmes等[10]对Ginger的TTU实测内压数据进行了分析，拟合出了一个脉动内外压之比随无量纲几何参数S和Φ5变化的设计公式。④建筑的净压分布规律研究：Ginger等[11]等对全尺寸的TTU建筑在迎风面开孔时进行了实测研究，结果表明在屋盖的迎风面边缘的净压值要大于澳洲规范值；Sharma等[12]对1∶50的TTU建筑进行风洞试验，研究了TTU建筑屋盖上下表面风压之间的相关性以及表面的净压分布规律，与澳洲规范值进行了比较，表明规范值有时是偏于不安全的；樊友川[13]对一系列不同高跨比的立墙开孔的工业厂房进行了风洞试验研究，并拟合了风压系数随结构几何参数变化的设计公式。

功能性和破坏性屋盖开孔类建筑广泛存在实际工程中，屋盖表面开孔后，其风荷载不再完全由外表面风荷载决定，建筑结构内部风荷载对结构的净风荷载贡献将明显增大，建筑的主体承重结构设计和围护结构设计均取决于结构的净风荷载。本文以屋盖顶部中心开孔和角部开孔的TTU建筑为研究对象，设置不开孔、中心开孔和角部开孔共7种工况，研究屋盖的净平均风荷载特性，分析屋盖的升力系数、中轴线体型系数、局部块体型系数和立墙体型系数的变化规律，与中国规范取值进行比较，探讨屋盖开孔的建筑结构表面的体型系数量值范围。

1试验概况

TTU建筑的高宽比为0.292，体育场馆的高宽比一般为0.1～0.2，二者的风荷载特性也较为接近，为使本文试验结果更具有通用性，文中把这两类低层建筑称为近地空间建筑。试验在湖南大学HD-2风洞的高速试验段进行。试验模型采用有机玻璃制作，外形几何尺寸上与TTU建筑(13.72 m×9.14 m×3.96 m)保持一致，模型的几何缩尺比为1∶50，在屋盖的中心或角部进行不同比例的开孔，试验照片如图1所示。不同开孔率近地空间建筑的立墙测点布置相同，内外表面各56个测点，测点位置对应；屋盖测点数有所区别，但上下表面测点位置对应，详细测点布置见图2。需注意的是，为了保证开孔结构内部脉动风压模拟相似，需对结构内部体积进行扩充，本文对内部体积扩充9倍，而由于本文主要研究建筑的平均风压特征，详细的内部体积扩充方式及原理略。

试验包括屋盖不开孔(0%)、中心开孔(15%、20%、25%)，角部开孔(3%、5%、8%)，7种工况。试验的风向角定义见图2，风向角间隔5°，每个工况共72个测试风向角。采样时长33 s，采样频率330 Hz，共采集10 000个数据点。试验风速11.0 m/s，参考高度为8 cm，相当于实际高度4 m。

图1 试验模型照片Fig.1Photooftestmodel图2 试验模型测点布置图Fig.2Taplocationoftestmodel

试验模拟了B类地貌风场[14-15]，风场比例为1∶50，平均风剖面指数为0.15，湍流度剖面也与实际大气中的情况基本一致，10 m高度处为0.20左右。

2数据处理方法

风压系数是结构表面风压的无量纲表现形式，而体型系数是决定结构风荷载设计的重要参数，它以各测点自身高度处的风速进行无量纲化，采用净风荷载体型系数进行结构设计。对于主要承重结构设计，通常考虑为横向框架和纵向框架，所以结构表面中心线上的体型系数分布将对主要承重结构设计起控制作用。对于围护结构设计，由于各个区域的表面风压特性各异，所以必须考虑各个区域的局部体型系数。

测点i的风压系数CPi(t)和体型系数μSi(t)定义如下：

(1)

(2)

其中:Pi(t)为风洞试验中压力扫描阀测得的风压时程；P0为风洞试验段处的静压，采用皮托管测得；ρ为空气密度，取ρ=1.225 kg/m3；uh和ui分别为屋盖最高点和测点i处的平均风速。CPi(t)的平均值CPi_mean为平均风压系数，μSi(t)的平均值μSi_mean称为测点平均体型系数，屋盖上表面的风压系数减下表面的风压系数称为净风压系数，立墙净风压系数则为外表面测点减内表面测点风压系数，相应的也可得测点净体型系数。

屋盖整体升力系数L(t)和块局部体型系数μ(t)定义如下：

(3)

(4)

其中:Ai为屋盖表面测点所属面积，A为屋盖总面积；L(t)在时间上取平均得到屋盖整体的平均升力系数Lmean，μ(t)在时间上取平均得到块的局部体型系数μmean。

3试验结果分析

3.1屋盖升力系数

图3给出了屋盖中心开孔和角部开孔时、不同开孔率下屋盖净平均升力系数随风向角的变化规律。从图3中可以看出，①屋盖不开孔时屋盖总体净平均升力系数在-0.54～-0.33范围内(风速垂直于TTU模型长轴时最大)，略小于《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定的值(-0.55)。②屋盖开孔时，屋盖的净平均升力系数则随风向角变化明显。当屋盖中心开孔时，屋盖净平均升力系数在-0.30～+0.05范围内，远小于屋盖角部开孔工况的值，也小于屋盖不开孔工况的值，因此，屋盖中心开孔减小了屋盖向上的净平均风吸力。③当屋盖角部开孔时，净平均升力系数在-0.45～+0.50范围内，在屋盖角部开孔迎风工况下(270°风向角附近)的向下净平均风压力很明显。事实上，当屋盖平均风压系数为正时，风荷载与屋盖重力方向一致，对结构受力更为不利，若仅考虑屋盖承受向上的风吸力，则会使得设计偏于不安全。

图3　屋盖净平均升力系数随风向角的变化曲线 Fig.3 Variation of net mean lift coefficients with wind angle

3.2屋盖中轴线净体型系数

图4　屋盖中线测点示意图 Fig.4 Tap loacation of center axis

图5分别给出屋盖无开孔和中心开孔率15%、20%、25%时、风向角为0°、45°、90°时屋盖横向和纵向中轴线各测点净体型系数分布曲线。当中心开孔率15%时，对于的屋盖横向中轴线(短轴)，0°风向角时，屋盖迎风前缘净体型系数为负值，且离边缘距离越小，其净体型系数负值越大，而屋盖横向中轴线下游测点的净体型系数为正；45°风向角时，其横向中轴线上游测点净体型系数与0°风向角相当，而下游测点净体型系数则由于锥形涡的影响则表现出为负值；90°风向角时，横向中轴线的上、下游两端净体型系数均为正，在屋盖中心开孔边缘测点净体型系数则为负值。对于屋盖纵向中轴线(长轴)，0°风向角时，由于其处于与屋盖中央与风向垂直，在两端净体型系数表现为正，中间部分测点净体型系数为负；45°风向角时，由于锥形涡的影响，锥形涡区域内的测点净体型系数为很大的负值，最大值接近-0.8；90°风向角时，迎风前缘为负体型系数，最小值为-0.59，尾流区为正体型系数，最大为0.18。

综合0°、45°和90°风向角，由图5可以看出，对于屋盖横向中轴线(短轴)净体型系数最大和最小值分别为0.32和-0.56；对于屋盖纵向中轴线(长轴)净体型系数最大和最小值分别为0.22和-0.73 。对于不同中心开孔率，横向和纵向中轴线各测点净体型系数分布规律差异不大。中心开孔率越小，

横向中轴线上游

测点的净体型系数负值越大，而下游测点的净体型系数正值也越小。总体上来说，屋盖中心开孔，可减小风吸力，增大风压力；屋盖中心开孔率越小，横向中轴线屋盖所受的风吸力越大但对纵向中轴线净体型系数的影响较小。

中国《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012[15]对风荷载体型系数有以下规定：对于封闭式双坡屋面，其规定迎风向前半屋盖为-0.6，尾流区后半屋盖体型系数为-0.5；对于立墙开孔单面开敞式双坡屋面规定当开口迎风时，迎风向前半屋盖为-0.8，尾流区后半屋盖体型系数为-1.3，开口背风时，迎风向前半屋盖为+0.5，尾流区后半屋盖体型系数为0；而对于屋盖中心开孔的建筑则缺乏类似的取值。由表1，将本文试验结果与规范值比较可知，若中心开孔屋盖按照封闭式屋盖设计，其前半屋盖偏于安全，后半屋盖则不安全，实际设计应该考虑正风压作用；若按照单面敞开式双坡屋面进行设计，则规范值过于安全。

表1　中心开孔屋盖中轴线净体型系数与规范值比较

图5 开孔屋盖中轴线净体型系数Fig.5Netshapecoefficientsonroofcenteraxisforroofcenteropeningcases25%图6 角部开孔3%屋盖中轴线风荷载净体型系数Fig.6Netshapecoefficientsonroofcenteraxisforroofcorneropeningcase3%

图6～8分别给出屋盖角部开孔率3%、5%、8%时、0°～315°风向角(间隔45°)时屋盖纵向和横向中轴线各测点净体型系数分布曲线。对于屋盖纵向中轴线(长轴)，0°风向角时，由于其处于屋盖中央并与风向垂直，当角部开孔率为3%和5%时，纵向中轴线测点净体型系数均为正值；当角部开孔率为8%时，由于开孔率的增大，则开孔一侧的测点净体型系数为正，开孔的另一侧测点净体型系数为负。屋盖纵向中轴线(长轴)在360°风向角范围内受到向上风吸力和向下风压力的交替作用。屋盖角部开孔时，开孔率大小对屋盖横向和纵向中轴线各测点净体型系数的影响比中心开孔工况更为敏感。在三种角部开孔情况下，屋盖纵向中轴线最大体型系数为0.75，最小负体型系数为-1.21。

图7　角部开孔5%屋盖中轴线风荷载净体型系数 Fig.7 Net shape coefficients on roof center axis for roof corner opening case 5%

图8　角部开孔8%屋盖中轴线风荷载净体型系数 Fig.8 Net shape coefficients on roof center axis for roof corner opening case 8%

3.3屋盖局部净体型系数

在规范中屋盖局部风荷载体型系数是进行围护结构设计的重要参数，为详细分析屋盖开孔后屋面局部风荷载体型系数取值，图9参考规范GB50009-2012对屋盖开孔的近地空间建筑屋面进行了分区[15]，将开孔屋盖划分成为6种类型的小块，并给出了垂直风向和斜风向多个角度的屋盖局部净体型系数取值。

图9　开孔屋盖局部分块示意图 Fig.9 Local zones for opening roof

图10给出了中心开孔屋盖局部风荷载净体型系数随风向角的变化规律。从图10中可以看出：①对于角部区域块Ra，其净体型系数在斜风向45°时出现最大负体型系数，其值为-0.94，而在180°风向角时，块Ra处于尾流区域，此时体型系数为最大的正值，0.26；②对于边缘块Rb，其最大负体型系数发生在迎风时的0°风向角，其值为-0.55，最大正体型系数0.28，发生在180°风向角；③对于开孔边缘块Rc，其最大负体型系数-0.58，发生在0°风向角，最大正体型系数0.18，发生在180°风向角。

开孔率大小不影响屋盖局部风荷载净体型系数随风向角的变化规律。对于角部块Ra，不同开孔率下其最大负体型系数均出现在45°斜风向，开孔率15%时其负体型系数最大；不同开孔率下Rb和Rc块的最大负体型系数均出现在0°风向角。当风向角为180°时，屋盖块Ra、Rb、Rc、Rd处于尾流区，体型系数均为正值，承受向下的风压作用，开孔率25%时块Ra，和Rb的正体型系数达到最大，为0.38。

在中国《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012中[15]，规定封闭式建筑屋面的Ra的外压局部体型系数取值分别为-1.8和+0，当建筑物仅有一面墙有主导洞口时，其内压局部体型系数在开孔率为0.1～0.3时取0.6 μsl，故Ra的局部体型系数外压叠加内压后为-0.72和0，与图10比较可知，中国《建筑结构荷载规范》在斜风向45°和垂直背风风向180°时将明显低估屋面Ra的局部风荷载体型系数。其他块Rb～Rf体型系数的规范值列于表2中。由表2可知：①在屋盖存在开孔的情况下，规范对于角部块Ra的体型系数取值是偏于不安全的，试验最大负和正体型系数分别为-0.97和0.36，规范最大负和正体型系数分别为-0.72和0；②对于顺风向边缘及内部块Rb～Rd，规范值高估了向上风吸力，低估了向下风压力，试验最大负和正体型系数分别为-0.57和0.37，规范最大负和正体型系数分别为-0.48和0；③对于背风面块Re和Rf，规范值偏于不安全，低估了向上风吸力和向下风压力，试验最大负和正体型系数分别为-0.45和0.25，规范最大负和正体型系数分别为-0.24和0。

图10　屋盖中心开孔近地空间建筑屋面局部风荷载体型系数 Fig.10 Local shape coefficients for roof center opening cases

表2　(a)屋盖中心开孔15%屋盖局部风荷载净体型系数

表2　(b)屋盖中心开孔20%屋盖局部风荷载净体型系数

表2　(c)屋盖中心开孔25%屋盖局部风荷载净体型系数

图11给出了不同角部开孔率的屋盖局部风荷载净体型系数随风向角的变化规律。从图11中可以看出，屋盖角部开孔后，屋面所有的局部分块在360°风向角范围内均交替出现正和负体型系数。屋盖角部开孔率越小，块Ra的负体型系数越大，不同开孔率下最大负体型系数均发生在45°风向角，其最大负体型系数-1.42；块Rd和Re位于背风区时其体型系数均为正值，最大值分别为0.30和0.51，发生在角部开孔率5%工况；而开孔边缘块Rf在3个角部开孔率下的所有风向角中均表现为较小的净体型系数，在0附近波动，在所有屋面块中净体型系数最小；当孔长边迎风时(270°)，块Rc会出现最大正体型系数，而其最大负体型系数则发生在90°风向角。

图11　屋盖角部开孔屋盖局部风荷载体型系数 Fig.11 Local shape coefficients for roof corner opening case 8%

表3给出了中心开孔和角部开孔率下典型块Ra和Rb局部净体型系数的比较。从表3中可以看出，角部开孔时块Ra最大负和正体型系数分别为-1.42和0.63，中心开孔时为-0.97和0.36，块Ra的局部最大负体型系数在角部开孔状态下比中心开孔状态大46.4%，最大正体型系数在角部开孔状态下比中心开孔状态大75%；角部开孔时块Rb最大负和正体型系数分别为-0.64和0.55，中心开孔时为-0.57和0.37，边缘块Rb的局部最大负体型系数角部开孔状态下的比中心开孔状态大12.2%，角部开孔状态下最大正体型系数比中心开孔状态大48.6%。总体上来说，屋盖角部开孔时的局部分块净体型系数值要大于屋盖中心开孔时的值。

屋盖角部开孔常常是破坏性开孔，从以上分析可以看出，屋盖角部破坏开孔后可能会加剧屋盖的破坏速度。

表3　中心开孔和角部开孔屋盖局部风荷载净体型系数比较

3.4立墙净体型系数

为研究屋盖开孔对立墙净体型系数的影响，选取立墙上的典型测点22 306作为研究对象，测点位置如图2所示。图12给出了立墙测点22 306在屋盖中心开孔、不开孔时的净体型系数随风向角变化规律。从图12可以看出，屋盖中心开孔时立墙测点净体型系数基本关于180°风向角对称，且由于建筑内部风压比较均匀，使得开孔面积对立墙净体型系数影响较小，但相对于不开孔而言，开孔将使立墙测点的体型系数在迎风时增大86%，从0.49变为0.91，故屋盖中心开孔对于迎风面立墙抗风不利；而对于侧面和背风面立墙，由于内部的负风压作用，使得侧墙和背风面立墙所受的吸力减小，甚至使得承受风吸力的背风面墙转而承受风压作用，如90°风向角由-0.17变为0.12。

图13给出了立墙测点在屋盖角部开孔、不开孔时净体型系数随风向角变化规律。从图13可以看出，由于屋盖角部开孔位置不关于中轴线对称，使得立墙测点净体型系数在0～360°风向角范围内对称性较差，其最大正体型系数出现在0°风向角，此时测点22 306迎风，最大值达1.30，最小负体型系数出现在135°风向角附近，此时为侧风面，其值为-0.23。

图12　屋盖中心开孔立墙体型系数 Fig.12 Shape coefficients on wall for roof center opening cases

图13　屋盖角部开孔立墙体型系数 Fig.13 Shape coefficients on wall for roof corner opening cases

中国《建筑结构荷载规范》对封闭式双坡屋面立墙体型系数分别规定取值为+0.8和-0.5[15]，而对于单面开敞式双坡屋面立墙体型系数规定取值为+1.3和-1.3；而对于屋盖开孔的立墙净体型系数，《建筑结构荷载规范》无相关取值规定。由表4，将《建筑结构荷载规范》中2种取值与屋盖开孔立墙体型系数试验值对比可以发现，按照封闭式双坡屋面规范取值设计屋盖开孔近地空间建筑的立墙则将偏于不安全，而按照单面敞开式双坡屋面规范取值设计屋盖开孔近地空间建筑的立墙则正压偏于安全。

综上所述，屋盖开孔增大了迎风立墙测点体型系数，最大可达到+1.30，但当测点侧风或背风时，由于开孔的作用可以减小其所受的吸力。

表4　中心开孔屋盖立墙净体型系数与规范值比较

4结论

(1)屋盖中心开孔减小了屋盖向上的净平均风吸力；当屋盖角部开孔时，最大正风压风荷载与屋盖重力方向一致，对结构受力不利。

(2)在屋盖中心开孔情况下，屋盖纵向中轴线最大体型系数为0.32，最小负体型系数为-0.73，中心开孔屋盖按照封闭式屋盖设计时，实际设计应该考虑正风压作用；若按照单面敞开式双坡屋面进行设计，则规范值过于安全；在三种角部开孔情况下，屋盖纵向中轴线最大体型系数为明显大于屋盖中心开孔工况。

(3)在屋盖中心开孔的情况下，中国规范对于角部块Ra的体型系数取值偏于不安全；对于顺风向边缘及内部块Rb～Rd，规范值高估了向上风吸力，低估了向下风压力；对于背风面块Re和Rf，规范值偏于不安全，低估了向上风吸力和向下风压力；屋盖角部开孔时的局部分块净体型系数值要大于屋盖中心开孔时的值，屋盖角部破坏开孔后可能会加剧屋盖的破坏速度。

(4)屋盖中心开孔对迎风面立墙抗风不利，而对于侧面和背风面立墙，由于内部的负风压作用，使得侧墙和背风面立墙所受的吸力减小，甚至使得承受风吸力的背风面墙转而承受风压作用；按照封闭式双坡屋面规范取值设计屋盖开孔近地空间建筑的立墙则将偏于不安全，而按照单面敞开式双坡屋面规范取值设计屋盖开孔近地空间建筑的立墙则正压偏于安全。

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