平屋面低矮建筑是当前低矮建筑中广泛存在的一类,其屋面风荷载特性受到了极大的关注。对于平屋面低矮建筑表面风荷载特性的研究,主要集中在斜风向锥形涡的形成机理、屋面风荷载的气动措施等方面。李秋胜等 ^[1]采用大涡模拟对平屋面建筑的表面风荷载问题进行了非稳态数值模拟分析,研究了屋面平均风压与脉动风压分布,与风洞试验结果相比发现基于Q准则的漩涡判别法可以较好地识别斜风向下屋面形成的锥形涡。李鹏年等 ^[2]运用FLUENT对平屋面低矮建筑物表面风荷载进行数值模拟,选择了v2-f湍流模型对40°风向角建筑物顶面出现锥形涡现象进行了成功的模拟,同时分析了典型建筑物顶面锥形涡的空间演化规律及其和侧面脱体涡的相互作用。陈学锐等 ^[3]通过平屋面低矮建筑风洞试验,研究了在锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载的特性,指出锥形涡的出现是建筑物顶面局部出现峰值负压的主要原因,试验结果表明在一定风向角下,由于分离流动产生的锥形涡结构在屋顶局部可以诱导出时均负压峰值达-1.0以上。董欣等 ^[4]基于大跨平屋面表面漩涡流动显示试验,通过兰金涡模型的改进建立了简化的二维锥形涡流动模型,量化各风向角下大跨平屋面表面的锥形角度。陶玲等 ^[5]对11种坡度、3种高深比和3种宽深比总共99个低矮建筑进行了刚性模型测压风洞试验,利用试验结果并借鉴国外荷载规范对屋面进行分区,给出了计算屋面主体结构风荷载各分区体型系数。

　　 王云杰、李秋胜 ^[6]基于一个低矮房屋刚性模型风洞试验,研究了湍流场中锥形涡之间在屋盖区域没有相互作用,采用二次曲线对涡核位置和再附位置进行拟合。Kopp ^[7]和Mans ^[8]等研究了女儿墙气动措施对平屋面风荷载的影响机理,结果表明:连续等高女儿墙抬高了气流分离剪切层,锥形涡的形成位置有所改变,较低的女儿墙会增大屋面局部风压,较高的女儿墙的角部局部风压比无女儿墙时更低,在角部加高的女儿墙相比连续女儿墙能更有效地减小整个屋面风压。Aly等 ^[9]和Huang等 ^[10]研究了减小低矮建筑屋面风压的气动措施。

　　 本文制作1∶25的平屋面低矮建筑刚性测压模型,考虑4种不同高度的女儿墙,主要研究女儿墙对屋面平均风压系数、脉动风压系数、极值风压系数,以及块体型系数的影响规律,给出常用女儿墙高度下的风荷载体型系数和极值风压系数建议取值,以供相关抗风设计参考。

　　 本次试验在湖南科技大学开口直流吸入式大气边界层风洞中进行。试验模拟了《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中的B类风场,风剖面指数为0.15,图1给出了理论和试验的平均风速和湍流度剖面。由图1可以看出,试验模拟的风速剖面和湍流度剖面与理论值均较为接近,风剖面模拟良好。

　　 制作了缩尺比为1∶25、足尺尺寸为L×B×H=20m×20m×10m的平屋面低矮建筑刚性测压模型。屋面测点布置如图2(a)所示,测点共计378个。试验参考高度为风洞高度40cm,采样时长20s,采样频率330Hz,采集6 600个数据。试验风向角定义如图2(a)所示,风向角间隔10°,每种工况在0°～360°风向范围内进行测试,同时也对45°,135°,225°,315°特殊风向角进行测试,共计40个风向角。

　　 试验照片如图2(b)所示。为了研究女儿墙高度对平屋面低矮建筑的风效应的影响,本文设置4种不同高度的女儿墙,其对应实际高度分别为1,1.5,2,2.5m(分别为女儿墙1,2,3,4),与无女儿墙工况进行对比研究,共计5种工况。

　　 风压系数是结构风压的无量纲表现形式,测点i的风压系数C_pi(t)定义如下:

　　 $\text{C}{}_{\text{p}i}(t)=\frac{p{}_i(t)-p{}_0}{0.5\rho u{}_{\text{h}}^2}(1)$

　　 式中:p_i(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;u_h为参考高度处的平均风速。对C_pi(t)做数据处理,可得到平均风压系数C_pi,mean以及脉动风压系数C_pi,rms。

　　 极大值风压系数和极小值风压系数定义如下:

　　 $\begin{array}{l}C{}_{\text{p}i,\max }=C{}_{\text{p}i,\text{m}\text{e}\text{a}\text{n}}+g\times C{}_{\text{p}i,\text{r}\text{m}\text{s}}(2)\\ C{}_{\text{p}i,\min }=C{}_{\text{p}i,\text{m}\text{e}\text{a}\text{n}}-g\times C{}_{\text{p}i,\text{r}\text{m}\text{s}}(3)\end{array}$

　　 式中g为峰值因子,本文中g取值为3.5。

　　 图3和图4分别给出了0°和45°风向角的平均风压系数以及脉动风压系数等值线图。由图3、图4可以看出,在0°风向角时,来流垂直于建筑模型迎风墙面,气流在屋面迎风前缘分离,在屋面后部再附,屋面前缘和分离再附点之间形成了分离泡,使平均风压系数等值线与建筑物迎风前缘相互平行,表现为柱状涡的特征,平均风压系数的大小在-0.8～0范围内变化,在气流分离点处风压系数为-0.8,在屋面迎风前缘角部位置脉动值较大,脉动值达到0.2左右。0°风向角时,平均风压系数的大小在-1.2～-0.2范围内变化,左右出现对称的锥形涡。

　　 将平均风吸力最大测点处依次相连,即可得到锥形涡脊线位置 ^[6]。定义脊线为涡心线与屋面前缘迎风边缘的夹角为涡核角ϕ,如图3(b)中的虚线位置,与迎风边缘之间区域为分离区;同样将脉动等值线图中最大脉动值依次相连,即脊线位置为再附线,再附线与风边缘的夹角为再附夹角θ,如图3(b)中的实线位置,当风向角为45°时,形成一对基本关于屋面对角线对称的锥形涡,右下锥形涡分离区面积达到最小,ϕ与θ分别达到11°,18°,局部最不利平均风压系数和最不利脉动风压系数分别为-1.90,1.0。

　　 再附角θ<18°表示测该点为分离区,反之为再附区。通过涡核角ϕ的大小得出锥形涡分离区面积的大小,从而得到锥形涡的强度。图5给出了左右锥形涡的涡核角ϕ和再附夹角θ随风向角变化的曲线。对于图中右下锥形涡曲线,风向角从0°～45°,ϕ,θ持续减小,说明锥形涡分离区逐渐收缩,附着区面积逐步增大;而对于图中左上锥形涡曲线,随着风向角的增大,左上锥形涡逐步增强,ϕ,θ持续减小,当风向角为45°时,ϕ,θ值分别为11°,18°。

　　 图6给出了平屋面低矮建筑在45°风向角下的屋面极值风压系数分布等值线图。由图6可以看出,45°风向时,在锥形涡的影响下,极大值风压系数在-0.27～1.82范围内分布,最大的极大值风压系数出现在屋面迎风角部处,其值为1.82;极小值风压系数在-5.14～-0.4范围内分布,最小的极小值风压系数出现在屋面迎风角部区域,其值为-5.14;因此,对于平屋面建筑,迎风前缘和屋面角部区通常为风吸力较大处,在此处易发生局部风致破坏。

　　 图7给出了45°风向角下的两种不同女儿墙高度的平屋面平均风压系数等值线图,与无女儿墙工况对比可知,女儿墙的存在可明显减小屋面的平均吸力,甚至会使得屋面的尾流区出现正压。有女儿墙工况1 (女儿墙高1m)时,屋面角部最小平均风压系数为-1.0,有女儿墙工况2(女儿墙高1.5m)时,屋面角部最小平均风压系数为-0.8。随着女儿墙高度的增加,女儿墙对屋面风荷载的遮挡效应增加,使得锥形涡不再明显。因此,女儿墙的存在破坏了锥形涡的形成,可减小屋面角部区域的破坏。

　　 为了细致地了解女儿墙高度变化对屋面流动结构产生的影响,定义两个截面m-m′,n-n′,如图8所示,分析两个截面上的测点平均风压系数分布,其结果如图9(a),(b)所示。对于截面m-m′的测点平均风压系数,当不存在女儿墙时,风压系数大小关于屋面对角线对称分布,呈现出“w”状,说明在45°风向角下,左右锥形涡呈现对称分布,最小值-1.15,最大值为-0.22;当女儿墙高度为1m时,m-m′截面的测点平均风压系数依然呈现为两边风吸力大,中间风吸力小的“w”状分布,但中间段平均风压系数值小于无女儿墙工况,且在屋面角部区域的风压系数值要远小于无女儿墙工况。随着女儿墙的高度进一步增加,女儿墙高度为2m和2.5m时,m-m′截面测点平均风压系数大小基本相等,大致在-0.74～-0.66之间,不再呈现“w”状,锥形涡特性不再明显。由此可进一步看出,女儿墙的存在,可以破坏锥形涡的形成,减小屋面角部区域的风吸作用。对于截面n-n′的测点平均风压系数,无女儿墙时屋面迎风处风压系数最小,而整个屋面的最小平均风压系数是在屋面边缘;对于有女儿墙工况,由于女儿墙对锥形涡的破坏效应和其自身对来流的遮挡效应,最大吸力(最小平均风压系数)远离了屋面边缘位置,出现在屋面角部区域,使得此处风吸力大于无女儿墙工况。随着女儿墙高度的增加,最大风吸力减小,在尾流区甚至会出现正风压。

　　 图10和图11分别给出了45°风向角下两种不同女儿墙高度的平屋面极大值风压系数和极小值风压系数等值线图。由图10和图11可以看出,女儿墙高度为1m时,平屋面极大值风压系数在-0.4～0.6范围内分布,平屋面极小值风压系数在-1.8～-0.4范围内分布;女儿墙高度为1.5m时,平屋面极大值风压系数在-0.4～0.8范围内分布,平屋面极小值风压系数在-1.2～-0.4范围内分布,极值风压系数为-1.2的区域较大。

　　 与无女儿墙工况比较可以看出,无女儿墙屋面角部最不利极小值风压系数为-5.14,女儿墙的存在可明显减小屋面的极值风吸力,减小幅度可达150%,会使得最不利极小值风压系数远离了屋面角部位置处;随着女儿墙高度的增加,极值风吸力进一步减小,极值风压力增大,最大的极大值风压系数出现在尾流区,为0.8左右。

　　 通过试验研究发现女儿墙的高度对屋面风压影响较为明显,考虑到实际设计风荷载使用方便,采取分区的方式给出屋面体型系数建议取值。

　　 图12给出了有女儿墙工况1和有女儿墙工况2的体型系数分区图。通过对区域内测点平均风压系数进行面积加权计算得到图12(a)中A,B,C区体型系数分别为-1.0,-0.82,-0.3,图12(b)中A,B,C区体型系数分别为-0.7,-0.57,-0.18,相应的取值见表1。

　　 通过试验研究发现女儿墙的高度对屋面极值风压系数影响较为明显,用于围护结构时,主要考虑风吸力。考虑到实际设计风荷载使用方便,采取分区的方式给出屋面极值风压系数建议取值,见表2。

　　 对足尺尺寸为L×B×H=20m×20m×10m的平屋面低矮建筑进行缩尺比为1:25的刚性模型测压试验,研究了不同女儿墙高度工况下的屋面平均风压系数、脉动风压系数、极值风压系数的分布规律,得出以下结论:

　　 (1)无女儿墙平屋面主要承受风吸力作用,锥形涡诱导的最不利吸力区域为屋面迎风边缘角部区域,从而使得此处在强风作用下易造成局部破坏,局部风压系数达到最小值-1.90。45°风向角下,左右锥形涡关于屋面对角线对称分布,此时ϕ,θ值分别在11°,18°左右。

　　 (2)女儿墙的存在可明显减小屋面的平均风吸力和极值风吸力,平均风吸力减小幅度可达150%,同时最不利平均风压系数和极小值风压系数的出现位置逐渐远离了屋面角部区域;随着女儿墙高度的增加,极值风吸力进一步减小,极值风压力增大,最大的极大值风压系数出现在尾流区,为0.8左右。

　　 (3)采取分区的方式给出了不同女儿墙高度的屋面体型系数和极值风压系数建议取值。当女儿墙高度为1m时,屋面的角部区域体型系数为-1.0、屋面的迎风边缘区域体型系数为-0.82、屋面的中部区域体型系数为-0.3;当女儿墙高度为1.5m时,屋面的角部区域体型系数为-0.70、屋面的迎风边缘区域体型系数为-0.57、屋面的中部区域体型系数为-0.18。