每年我国因风灾造成了巨大的损失, 而低矮房屋的风致破坏是风灾损失的主要因素之一^[1]。近几十年来, 我国在低矮房屋抗风研究取得了突破性进展, 但与国外研究成果相比, 我国低矮房屋抗风还需要更深入的研究, 特别是湍流积分尺度影响低矮房屋风载特性研究尚未成熟^[2,3,4]。而湍流积分尺度是衡量风压特性重要参数之一, 湍流积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响范围, 因此湍流积分尺度影响低矮房屋风压特性研究具有十分重要的意义^[5]。

　　 国内外对湍流积分尺度影响低矮建筑风载特性试验研究较少涉及。Haan等^[6,7]研究了在湍流度不变的情况下, 改变不同的湍流积分尺度对柱体模型的表面压力的风载特性影响, 研究成果表明, 湍流积分尺度对柱体模型的平均风压系数和脉动风压系数都有很大的影响。Laneville^[8]等研究了在均匀湍流流场中湍流积分尺度对矩形柱体模型平均风压系数的影响, 研究结果表明, 当湍流积分尺度小于模型前缘尺寸的三倍时, 湍流积分尺度对平均分压系数影响不明显。戴益民等^[9,10,11]通过实测的方法研究了湍流积分尺度对低矮房屋风载特性的影响, 并通过一系列的风洞试验研究了低矮房屋屋面局部风压特性。Li^[12,13]等通过对阵风因子、湍流度、湍流积分尺度等参数的分析, 研究了低矮房屋屋面角部区域的平均、脉动、极值风压的分布特征和变化规律。卢占斌^[14]等对CAARC模型进行了测压试验, 研究表明湍流积分尺度对结构物所受荷载都有很重要的影响。肖仪清等^[15]研究了近地台风的湍流积分尺度和脉动风速谱等脉动特性。

　　 目前关于湍流积分尺度影响低矮房屋风压特性研究较少。为此, 本文风洞试验分别在湍流积分尺度L_u为0.339, 0.446, 0.605m的三种不同均匀流场中, 研究湍流积分尺度影响低矮房屋屋面局部风压分布特征和风压变化规律。

　　 本文试验在湖南科技大学风工程研究中心大气边界层风洞中进行。该风洞是一座水平直流吸入式单试验段的边界层风洞, 主试验段尺寸宽4.0m, 高3.0m, 长21m, 试验段风速0～30m/s连续可调。试验中压力时程数据的采集为美国PSI电子压力扫描测量系统完成, 试验的采样频率为312.5Hz, 每个测点的采样数为10 000次, 利用水平和竖直挡板组成格栅装置调试出湍流度相同、湍流积分尺度不同的三种均匀流场。试验风速参考点选在距风洞底面高度40cm处。

　　 本文试验主要研究湍流积分尺度影响低矮房屋屋面局部风压分布特征和风压变化规律, 刚性试验模型均采用ABS板制作而成, 模型缩尺比为1∶20, 模型尺寸长600mm、宽400mm、高400mm, 屋面坡角为9.6° (图1) 。

　　 图2为试验模型屋面测点布置图, 所有工况模型测点布置图均不变。考虑到对屋面的表面风压的研究, 适当加密屋面测点, 共布置130个屋面测点。为研究不同湍流积分尺度影响低矮房屋屋面易损区的表面风压分布规律, 将屋面局部区域测点进行分区 (图2) 。图中Ⅰ为迎风屋面屋檐区域, Ⅱ, Ⅴ分别为迎风屋面山墙区域和背风屋面山墙区域, Ⅲ, Ⅳ分别为迎风屋面屋脊区域和背风屋面屋脊区域, Ⅵ为迎风屋面角部区域。

　　 在9.6°坡角、0°风向角、湍流度为10%不变的情况下, 改变不同的湍流积分尺度, 来研究湍流积分尺度影响低矮房屋屋面局部风压分布特征和风压变化规律。试验工况见表1。

　　 在风洞试验数据处理中, 根据各个测点的风压值和参考点的静压值, 按照式 (1) 和式 (2) 来计算各个测点的无量纲平均风压系数和脉动风压系数。计算公式如下:

　　 $\begin{array}{l}\stackrel{—}{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}=\frac{\overline{p{}_i}-p{}_0}{0.5\rho V{}_{\text{Η}}^2}(1)\\ \stackrel{\sim }{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}=\frac{\sigma {}_{\text{p}i}}{0.5\rho V{}_{\text{Η}}^2}(2)\end{array}$

　　 式中:$\stackrel{—}{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}$和$\stackrel{\sim }{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}$分别为建筑物表面测点i处的平均风压系数和脉动风压系数;$\stackrel{—}{{\displaystyle p}}{}_i$为测点i的风压值;p₀为试验参考点处的参考静压;σ_pi为脉动风压均方根;ρ为空气密度;V_H为参考点的平均风速。

　　 根据式 (1) 和式 (2) 可计算得到测点的极小值风压系数和极大值风压系数, 计算公式如下:

　　 $\begin{array}{l}C{}_{p{}_i\max }=\stackrel{—}{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}+g\stackrel{\sim }{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}(3)\\ C{}_{p{}_i\min }=\stackrel{—}{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}-g\stackrel{\sim }{{\displaystyle C}}{}_{\text{p}i}(4)\end{array}$

　　 式中:C_pimin和C_pimax分别为极小值风压系数和极大值风压系数;g为峰值因子, 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) , 本文取g为3.5。

　　 在0°风向角、屋面坡角为9.6°、湍流度为10%不变的情况下, 不同湍流积分尺度对迎风屋面测点的平均、脉动、极值风压系数的影响如图3所示。

　　 (1) 由图3 (a) 可知, 在0°风向角时, 气流垂直于房屋长边, 迎风屋面的测点平均风压系数为负值 (即受力为吸力) , 尤其是屋面角部区域形成强烈的气流分离而产生较大的吸力, 最大值达到-1.28。改变湍流积分尺度对迎风屋面平均风压影响不明显。

　　 (2) 由图3 (b) 可知, 与平均风压系数相比, 改变湍流积分尺度对脉动风压系数影响更为明显。随湍流积分尺度的增大, 迎风屋面脉动风压系数增大, 其中在靠近山墙区域变化更为明显。在湍流积分尺度为0.605m时, 测点1脉动风压系数达到最大值为0.51。

　　 (3) 由图3 (c) , (d) 可知, 随湍流积分尺度的增大, 极大值风压系数和极小值风压系数的绝对值增大。在湍流积分尺度为0.605m时, 屋角测点1极大值风压系数、极小值风压系数的绝对值达到最大值, 分别为0.51, 3.05。其中测点1, 11, 21测点极小值风压系数绝对值较大, 而这些测点均在迎风屋檐区域, 故迎风屋面的最不利风压系数出现在迎风屋檐区域。

　　 在0°风向角、屋面坡角为9.6°、湍流度为10%不变的情况下, 不同湍流积分尺度对背风屋面测点的平均、脉动、极值风压系数的影响如图4所示。

　　 (1) 由图4 (a) 可知, 改变湍流积分尺度对背风屋面平均风压系数影响不明显。随着气流经过迎风屋面后在屋脊处发生分离, 导致屋脊处形成高负压区, 在背风屋面, 远离屋脊平均风压系数绝对值逐渐减小。测点100处平均风压系数绝对值最大为0.69。

　　 (2) 由图4 (b) ～ (d) 可知, 随湍流积分尺度的增大, 背风屋面的脉动、极值风压系数的绝对值增大。距屋脊处越远, 脉动、极小值风压系数绝对值越小, 极大值风压系数越大。湍流积分尺度为0.605m时, 测点100脉动、极小值风压系数绝对值达到最大值, 分别为0.32, 1.80。测点66极大值风压系数达到最大, 最大值为0.65。与迎风屋面相比, 改变湍流积分尺度对背风屋面脉动、极值风压系数影响更为明显。

　　 (3) 由图4 (d) 可知, 测点70, 80, 90, 100为背风屋面屋脊区域测点, 这个区域的测点风压系数绝对值均大于其他区域测点的风压系数, 故在背风屋面的最不利负风压系数出现在靠近屋脊区域。

　　 图5为在0°风向角下改变湍流积分尺度对Ⅰ, Ⅵ区域测点风压系数影响, 由图5可得出以下结论:

　　 (1) 由图5 (a) , (b) 可知, 在Ⅰ区域, 距离山墙处越远, 平均风压系数、脉动风压系数的绝对值越小。在Ⅵ区域, 因为在迎风屋面屋檐处发生气流分离形成柱状涡而产生高负压区, 距离迎风屋面屋檐处越远, 受柱状涡影响越小, 所以距迎风屋面屋檐处越远, 平均风压系数的绝对值逐渐减小。而脉动风压系数几乎处处相等, 故湍流积分尺度对Ⅵ区域的脉动风压系数影响不明显。

　　 (2) 由图5 (c) , (d) 可知, 随湍流积风尺度的增大, Ⅰ, Ⅵ区域的极大值风压系数、极小值风压系数的绝对值增大。测点1极大值、极小值风压系数为最大值, 分别为0.51, 3.05。

　　 图6为在0°风向角下改变湍流积分尺度对Ⅱ, Ⅴ区域测点风压系数影响, 由图6可得出以下结论:

　　 (1) 由图6 (a) 可知, 改变湍流积分尺度对Ⅴ区域测点的平均风压系数影响不明显, 对Ⅱ区域测点的平均风压系数影响比Ⅴ区域要明显。由图6 (b) 可知, 与平均风压系数相比, 改变湍流积分尺度对脉动风压系数影响更为显著。

　　 (2) 由图6可知, 在0°风向角时, Ⅱ, Ⅴ区域为屋面侧边缘, 距迎风屋檐处越远, 平均、脉动、极值风压系数绝对值越小, 故当来流垂直于屋面长边时, 迎风屋面山墙区域比背风屋面山墙区域更易损坏。随湍流积分尺度的增大, 迎风屋面和背风屋面山墙区域测点脉动、极大值及极小值风压系数绝对值增大。在湍流积分尺度为0.605m时, 测点1平均风压系数、脉动风压系数、极大风压系数绝对值均达到最大, 分别为1.27, 0.51, 3.05。故在迎风屋面的屋角区域最容易发生破坏。

　　 图7为在0°风向角下改变湍流积分尺度对Ⅲ, Ⅳ区域测点风压系数影响, 由图7可得出以下结论:

　　 (1) 由图7 (a) 可知, 改变湍流积分尺度对Ⅲ, Ⅳ区域平均风压系数影响不明显。湍流积分尺度为0.605m时, 测点25为平均风压系数最大点, 距屋面短边越远, 平均风压系数绝对值越大。

　　 (2) 由图7 (b) 可知, 随湍流积分尺度的增大, Ⅲ, Ⅳ区域脉动风压系数增大, 其中距屋面短边越近, 湍流积分尺度对脉动风压系数越影响明显。

　　 (3) 由图7 (c) 可知, 改变湍流积分尺度对测点5, 70影响最大, 其中测点5在湍流积分尺度为0.605m时, 极大值风压系数为0.501, 湍流积分尺度为0.339m时, 极大值风压系数为0.305。

　　 (4) 由图7 (d) 可知, 随湍流积分尺度的增大, Ⅲ, Ⅳ区域极小值风压系数绝对值增大, 在湍流积分尺度为0.605m时, 测点35到达最大值, 为1.95。

　　 通过风洞试验研究了在湍流度不变的情况下, 改变湍流积分尺度对低矮房屋屋面局部风载特性的影响, 从试验结果得到如下结论:

　　 (1) 改变湍流积分尺度对屋面平均风压系数影响不明显, 对脉动、极大、极小风压系数影响较大, 且随湍流积分尺度的增大, 屋面测点脉动、极大、极小值风压系数绝对值增大。

　　 (2) 与迎风屋檐区域、角部区域、屋脊区域的脉动、极大及极小值风压系数相比, 改变湍流积分尺度对迎风屋面和背风屋面山墙区域的脉动、极大、极小值风压系数影响最为明显。

　　 (3) 当湍流积分尺度为0.605m时, 最不利极小值风压系数出现在靠近迎风屋面山墙区域端部的迎风屋檐处, 最大值为-3.05, 故在结构设计时应对此区域进行适当的加强。

　　 (4) 双坡低矮房屋屋面在迎风屋面的屋檐、山墙区域测点风压相对较大, 在这些局部区域最容易发生破坏。