强风影响下低矮建筑屋面风荷载分布规律研究

闫旭光

（山东兴菏置业集团有限公司，山东 菏泽 274000）

0 引言

我国东南沿海地区每年遭受热带风暴及台风影响，损失惨重[1]。已有资料显示，强风影响下主要以沿海地区低矮建筑为主，高层建筑鲜少发生倒塌破坏[2-5]。

目前，低矮建筑风致破坏机理研究方法主要有数值分析方法、风洞试验方法及现场实测方法。相关研究表明，数值分析数据与风洞试验数据吻合性较好，在定量分析建筑荷载方面能够满足计算精度要求[6]。本文采用数值分析方法，将低矮建筑屋面划分为若干易损典型区域，系统研究屋面风压分布规律，统计风荷载大小，有效揭示低矮建筑风致破坏机理，为沿海地区低矮建筑抗风措施设计提供依据。

1 模型概况

本文计算模型采用典型双坡屋面低矮建筑，屋面坡度为4.8°，几何尺寸为24m×16m×16m为檐口高度，缩尺比为1.5∶1∶1，计算模型网格划分如图1 所示。

图1 计算模型网格划分

1.1 屋面分区

根据破坏易损情况，将计算模型屋面划分为若干典型分区，即迎风屋檐A 区、靠山墙B、E 区、屋脊线C、D 区、屋角J 区、背风屋檐F 区等，每个分区包括若干测点，如图2 所示。

图2 屋面分区及测点布置示意

1.2 计算边界条件及参数选取

速度进口边界条件：来流平均速度剖面，参考我国《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[7]，选择指数表达式，根据实测环境数据，取10m 标准参考高度风速为22m/s，地面粗糙度指数选用日本规范（RLBAIJ2004）[8]中定义的Ⅲ类地貌，即=0.2。

出口边界条件：采用完全发展出流边界条件；，建筑物表面和流场地面：无滑移的壁面条件（wall）；流域顶部和两侧：对称边界条件。

求解参数设置：选用Realizablek-ε 湍流模型，采用非平衡壁面函数来考虑壁面的影响[9]。离散控制方程对流项采用二阶迎风格式，流场中压力-速度耦合采用SIMPLEC 算法，计算至控制方程的相对迭代残余量均小于10-4以下，且房屋表面平均风压力值基本不再变化，即计算结果趋于稳定。

2 数值计算结果分析

屋面风压系数计算公式为：

2.1 典型风向角下屋面风压系数等值线分布

分析典型风向角下，低矮建筑屋面风压系数分布规律，如图3 所示。

图3 低矮房屋屋面风压系数分布图

由屋面风压系数分布表明，风向平行于建筑屋脊线时，即0°风向来流，屋面沿屋脊线两侧分压对称分布，迎风山墙角部区域，即B、E 区域分压系数最大，为-1.4，离山墙距离越远，风压系数逐渐减小，其影响也减小。风向垂直建筑屋脊线时，即90°风向来流，屋面所受影响与0°风向基本相同，均是在屋面迎风墙面角部区域风压最大。当来流风向与屋脊线成某一角度时，受气流分离影响，迎风屋面角部区域，即A 区、J 区风压较大，45°风向时，该区域风压出现极值，达到-2.0。随着风向改变，分压系数均逐渐降低。60°风向角下，气流在迎风面棱角处发生分离，形成角锥涡旋，向下游泄去，建筑屋面局部区域（迎风屋檐A 区、迎风屋面角部J 区及靠山墙B 区）形成高负压区，这些区域为建筑破坏最严重区域。

2.2 屋面分区测点风压系数随风向变化规律

通过统计分析，屋面各分区测点风压系数随来流风向变化的变化规律如图4 所示。

图4 屋面分区测点风压系数随风向变化规律

由计算结果知，屋面J 区各测点风压系数在来流风向角为45°时,呈现对称分布。同时，60°～75°风向角时，靠山墙区域Tap28、Tap29 风压系数最大，达到-2.1左右。背风屋面F 区域随风向角增加，风压系数整体降低，受风荷载影响较小。迎风屋檐A 区与迎风靠山墙B、E 区域测点风压系数均在斜向风向下最大，与2.1 节分析结果一致。

3 结束语

本文将典型双坡屋面低矮建筑的屋面划分为若干区域，各区域设置若干测点，利用数值分析方法，通过分析各区域风压系数等值线及各区域测点风压系数大小，揭示该类建筑破坏机理，得到如下结论：

（1）本文分析结果较好地印证了低矮建筑屋面易损区域，为沿海地区该类建筑设计、建造抗风措施提供参考。

（2）低矮建筑受斜向来流风向影响，迎风屋面角部及屋檐区域发生分离、涡流现象，局部风压系数极值达到-2.1，与我国荷载规范推荐值（-0.8）相差较大。

（3）沿海地区低矮建筑设计、建造时需考虑屋面易损区破坏，并采取措施加强结构强度，以抵抗不利风向的影响。