低矮房屋抗风研究与发展

刘伯洋

摘 要：风灾带来的财产损失非常巨大，但国内对低层建筑的抗风研究并不多。文章通过对国内外低矮房屋抗风研究发展进行介绍，并对研究现状进行总结。

关键词：低矮房屋；抗风；风灾

风灾是自然灾害主要灾种之一。随着全球气候的变化，风灾呈逐年递增的趋势。历次风灾表明，造成人员伤亡和财产损失的最主要根源是低矮建筑的损坏和倒塌，且低层建筑的损毁造成的损失超过总损失的半数以上。为了减少损失，有必要对低矮建筑抗风进行研究。文章将介绍国内外低矮房屋的抗风研究成果，并对研究现状进行总结。

1 国内外研究现状

有关低矮房屋风载特性的研究主要借助3种手段：一是全尺寸现场实测，二是风洞试验，三是计算机数值模拟。

1.1 全尺寸现场实测

现场实测常采用两种方法。建立实验房进行现场实测或者对既有低矮房屋风载特性进行实测。试验方法大致如下：在建筑物表面布置风压传感器测点，测试脉动风压；在实验房前设立10m高的测风塔，在其上2.5m、5m、7.5m、10m安置风速仪，测量台风过境期间平均风速、风向角；将数据输入电脑进行分析。

1.1.1 国外建立实验房进行现场实测。（1）Silsoe structures building，该项目利用现场实测系统以及实验房，对风速以及屋面墙身的风压进行现场实测。主要研究屋顶风压分布规律以及峰值风压力分布规律。同时通过风洞试验对实测数据进行对比和验证。该项目提供了大量实测数据，有利于后续研究的风洞试验及数值模拟。（2）TTU Building，该项目为过去40年来最具有代表性的低矮房屋全尺寸现场试验房，相关的气象资料通过本地1个46米高的塔获得，利用不同的数据采集模式获取风场特征数据及建筑表面风压数据，为低矮房屋风载特性的研究提供了直接及有价值的数据和结果。

1.1.2 国内对既有低矮房屋进行现场实测。戴益民在沿海台风风场环境下对全尺寸房屋进行现场实测，获取了低矮双坡屋面房屋在台风风场作用下的风压实测数据和近地强风的风载特性，实测的结果是迎风屋面边缘风压和屋面风载体型系数都远大于我国现行荷载规范对双坡屋面风压系数的取值，因此直接采用当前规范对台风多发地区低矮房屋进行设计是偏于不安全的。史文海针对海岛山坡地形上既有低矮房屋的风荷载实测工作，以及开展了沿海近山地形上的近地面台风风场实测工作。研究获得了海岛山坡地形上低矮房屋风场剖面和沿海近山地形上的风场特性。

1.2 风洞试验

风洞试验时采用一定缩尺比的模型在边界层风场模拟中的风洞中进行风载特性研究。通过在转盘上转动来模拟不同的风向角工况。

1.2.1 针对低矮房屋结构的风洞试验。对于低矮房屋而言，房屋的高宽比、开洞率等都是风洞试验研究方向：Gingera通过风洞试验研究了低矮建筑物的长度和屋顶的倾斜角度对于其风荷载的影响。研究开孔率对风压的影响。段旻则通过风洞试验研究低矮房屋在门窗开启时的瞬间内压的变化来找出不同的开孔率以及背景孔隙率对风致瞬态峰值内压的影响。

1.2.2 针对屋面结构形式的风洞试验。刘帅选取矩形和圆形的罩棚式低矮建筑进行了风洞试验研究。付国宏对低层房屋常用的双坡和四坡屋面的风压分布特性作了研究，考虑了屋面坡角、来流方向、门窗的开启等因素对屋面风压分布的影响。聂少峰对低层双坡屋面和四坡屋面建筑进行了风洞试验研究，考虑了屋面形式、屋面坡度、来流方向和挑檐长度等不同因素对屋面风压分布的影响，分析了屋面平均和脉动风压系数的分布特性。

1.2.3 研究外部环境影响的风洞试验。不同的风场条件以及周围环境，常常对建筑的风场产生不同程度的干扰：陈超对某低矮房屋的1：10缩尺模型进行了风洞试验，得出的结论是实测房的屋面风压分布受来流风向的影响很大，随着风向角的变化而变化。

1.3 数值风洞模拟分析

1.3.1 雷诺平均模型（RANS）分析。雷诺平均模型分析仅表达了大尺度涡的运动。将标准k-ε模型用到计算风工程中，容易过高估计钝体迎风面顶部的湍动能生成。低矮房屋单体的风压分布研究是基础。张冬兵采用TTU为研究对象，分析了网格划分、湍流模型等因素对数值模拟结果的影响，并计算了不同雷诺数下结构表面风压。黄敏谦[42]对低矮房屋的四坡屋面风压体型系数进行了数值计算，研究不同风向角下，房屋的坡角与檐口对四坡屋面风压体型系数的分布影响。

1.3.2 大涡模拟（LES）分析。这一模型将N-S方程进行空间过滤而非雷诺平均，可较好地模拟结构上脉动风压的分布，但计算量巨大。目前大气边界层内建筑绕流的LES还处于起步阶段。

1.3.3 多种模拟方法比较分析。其基本思想是在流动发生分离的湍流核心区域采用大涡模拟，而在附着的边界层区域采用雷诺平均模型，是RANS模型和LES模拟的合理综合，计算量相对较小而精度较高。

1.4 研究现状总结

1.4.1 科研人员主要运用现场实测、风洞试验以及数值模拟，研究在一般风场条件下，建筑结构以及其附属结构在对结构表面风压峰值变化规律的影响，但很少在强风作用下，对低矮房屋的表面压力峰值随时间、空间变化规律进行研究。为了解在台风风场下低矮建筑屋面风压分布规律，在台风风场环境下对低矮房屋进行全尺寸现场实测就显得尤为必要。长时间的现场实测，不但能获取有价值的村镇低矮房屋的实测数据，同时也能为我国的村镇低矮建筑结构设计设计提供最直接和准确的数据及依据。

1.4.2 大量有关低矮建筑风载特性的研究只考虑单体的情况，对大群体低矮建筑的干扰问题的研究少有涉及。主要原因是影响单体本身风压分布的因素就很复杂，而且考虑大群体低矮建筑干扰的风洞实验需要在大气边界层风洞中进行。高雷诺数流动及绕流流动的脉动特性等在风洞中也难以较好地模拟。到目前为止，大群体低矮建筑的风压分布规律研究还比较少，也仅仅停留在建筑物规则排列的层面。

参考文献

[1] 戴益民.低矮房屋风载特性的实测及风洞试验研究[D].湖南大学博士论文，2010.

[2] 史文海.低矮房屋与高层建筑的风场和风荷载特性实测研究[D].湖南大学博士论文，2013.

[3] 段旻.低矮房屋瞬态内压的风洞试验研究[J].土木工程学报，2012， 45（07）：10

[4] 付国宏.低层房屋风荷载特性及抗台风设计研究[D].浙江大学博士论文，2002.

[5] 聂少锋.低层坡屋面房屋风荷载特性风洞试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（03）：118

[6] 陈超.低矮房屋风荷载实测与风洞试验[D].湖南大学硕士论文， 2012.