加油站一般由大跨罩棚结构和与之配套的低矮建筑组合而成, 而历次风灾调查研究表明, 低矮建筑的损毁主要表现为迎风屋面转角、边缘和屋脊等易损部位先损毁进而引发建筑的整体倒塌^[1]。国内外针对罩棚结构对与之配套的低矮建筑的影响研究不多, 所以开展罩棚结构对与之配套的低矮建筑屋面局部极值风压特性研究具有重要的现实意义。黄鹏等^[2]基于屋面坡角连续可调的低矮建筑所获得的现场实测数据, 分析了低矮建筑表面风压的分布特性, 探讨了由短时距样本估计长时距样本极值的计算方法, 并验证了其对实测风压极值设计可靠性的影响。刘帅等^[3]通过风洞试验研究了矩形及圆形罩棚屋面结构表面风压特性, 提出了两类罩棚结构风荷载体型系数, 并分析了模型尺寸变化对风压系数和堵塞特征的影响。近几年, Yasushi U等^[4,5]对三种不同类型的罩棚式低矮建筑进行了风洞试验, 研究了屋面坡度及风向对其表面风压分布规律的影响。Santiago P等^[6]通过风洞试验分析了上游建筑的距离、高度对平屋面吸力的影响, 并给出了两栋建筑间距的建议值。全涌等^[7]通过风洞试验研究了周边建筑群密度、相对高度及排列方式对被包围低矮建筑平屋面上最大局部负风压及最大屋面升力干扰因子的影响。胡尚瑜等^[8]基于实测, 研究了近地台风风场湍流特征与低矮建筑迎风屋面角部测点峰值风压, 获取了低矮建筑屋面局部测点风压特性时空平均效应。楼文娟等^[9]对体育场罩棚在两类不同风场下屋面风压总体分布特性进行了分析, 给出了两类风场对屋面升力的影响。Aufusto P等^[10]采用风洞试验和数值模拟的方法, 研究了带女儿墙的罩棚结构在不同风向角下表面风压分布规律。Natalini M B等^[11]采用风洞试验方法研究了罩棚式低矮建筑表面风压分布特性, 对比分析了不同体型参数比对罩棚表面风压的影响规律。以上研究主要是针对单体和群体低矮建筑及罩棚结构表面风压进行的研究, 而针对罩棚结构对与之配套的低矮建筑屋面局部极值风压特性影响的研究开展的相对较少。

　　 本文采用风洞试验基于B类地貌对低矮建筑及低矮建筑与罩棚组合而成的罩棚式低矮建筑分别进行测压试验, 以风向角和屋面坡角为变量, 深入探讨罩棚结构对与之配套的低矮建筑迎风屋檐、角部、屋脊等局部测点极值风压的影响规律。

　　 本文风洞试验是在湖南科技大学风工程试验研究中心大气边界层风洞中开展的, 采用尖劈、粗糙元及格栅等被动模拟装置调出适合大缩尺比1∶20的低矮建筑风洞试验B类风场。湍流度及平均风速剖面见图1, 风场模拟布置见图2。试验测压仪器采用美国PSI电子压力扫描阀 (512通道) , 采样频率为330Hz, 采样点数为10 000个。

　　 注:Z为距离地面的高度;α为地面粗糙度指数, 本文取0.15;U₁₀为参考高度处的平均风速。

　　 图1 湍流度及风速剖面

　　 图2 风场模拟布置

　　 本文对方形平屋盖罩棚结构和其与5种不同屋面坡角 (0°, 9.6°, 18.4°, 30°, 45°) 低矮建筑组合而成的罩棚式低矮建筑的缩尺模型进行风洞试验研究, 模型缩尺比为1∶20, 其中低矮建筑模型尺寸为600mm×400mm×400mm (长×宽×屋檐高) , 罩棚结构屋面尺寸为600mm×600mm, 罩棚屋面上表面高为400mm, 风洞测压刚性模型采用ABS板制作, 图3给出了单体低矮建筑与罩棚式低矮建筑缩尺模型图。

　　 在低矮建筑屋面布置130个测点, 墙面测点布置依据坡角的变化而不同, 为研究罩棚在不同风向角下对不同坡角低矮建筑风荷载的影响和极值风压的分布特性, 本文选择迎风屋面角部、屋脊、屋檐局部测点进行研究, 并将屋面局部区域测点划分为五个区域, 具体分区见图4。

　　 以模型屋面平均高度处风压作为无量纲化的参考风压, 建筑表面的瞬时极值风压系数可以采用极值风压系数的平均值和脉动值之和来表示, 采用下式推导计算:

　　 式中:C_pmax, C_pmin, C_p和C_{p, rms}分别为测点极大值风压系数、极小值风压系数、平均风压系数和脉动风压系数;g为阵风峰值因子, 其值一般在2.0~4.0, 本文统一取g=3.5。

　　 为了系统研究在不同风向角下罩棚结构对不同坡角低矮建筑屋面局部测点极值风压的影响规律, 本文采用极值风压系数差对单体 (低矮建筑) 与组合体 (罩棚式低矮建筑) 两者屋面测点的风压试验结果进行分析:

　　 式中:ΔC_{pi_max}为测点i的极大值风压系数差;C_{pi单体_max}为低矮建筑测点i的极大值风压系数;C_{pi组合_max}为罩棚式低矮建筑测点i的极大值风压系数;ΔC_{pi_min}为测点i的极小值风压系数差;C_{pi单体_min}为低矮建筑测点i的极小值风压系数;C_{pi组合_min}为罩棚式低矮建筑测点i的极小值风压系数。

　　 0°风向角下, 通过对低矮建筑及罩棚式低矮建筑屋面局部测点风洞试验数据对比分析, 获得的测点极大值、极小值风压系数差曲线如图5所示。

　　 由5 (a) 可知, 罩棚对迎风屋檐A区测点极大值风压系数差的影响较明显, 在坡角β为9.6°~30°时, 罩棚对A区测点极大值风压系数差的影响较大, 其中在坡角β=18.4°时, A区中部区域测点极大值风压系数差受罩棚的影响最大, 极大值风压系数差达到-0.9, 负值说明单体的极大值风压系数小于组合体, 即罩棚结构使得罩棚式低矮建筑屋面A区压力增大, 这是由于来流风在罩棚屋檐处分离、再附使得A区吸力减小。

　　 由5 (b) 可知, 坡角β为0°时, 迎风屋脊C区测点极小值风压系数差受罩棚的影响较大, 距离山墙越远的测点极小值风压系数差受罩棚的影响越大, 中部测点30的极小值风压系数差ΔC_{p30_min}受罩棚的影响最大, ΔC_{p30_min}=-1.41;坡角β为9.6°~45°时, 迎风屋檐A区测点极小值风压系数差随坡角增大受罩棚的影响呈减小趋势, 其中β=9.6°, 测点1的极小值风压系数差ΔC_{p1_min}受罩棚的影响最大, ΔC_{p1_min}=-3.15;迎风角部J区测点风压极小值系数差在坡角β为0°~18.4°时受罩棚的影响较大, 且由屋檐至屋脊方向测点极小值风压系数差绝对值呈减小趋势。

　　 30°风向角下, 通过对低矮建筑及罩棚式低矮建筑屋面局部测点风洞试验数据对比分析, 获得的测点极大值、极小值风压系数差曲线如图6所示。

　　 由图6 (a) 可知, 靠山墙B区测点在坡角β为0°~18.4°时极大值风压系数差较大, 其中测点1在坡角β为0°极大值风压系数差ΔC_{p1_max (0°)} =1.44、在坡角β为9.6°时的极大值风压系数差ΔC_{p1_max (9.6°)} =1.39, 正值说明单体的极大值风压系数大于组合体, 即罩棚结构使得罩棚式低矮建筑屋面B区压力减小。这主要是由于气流在罩棚屋面前沿分离、再附产生的脉动风压变化较大, 从而使得B区测点压力减小。迎风屋檐A区测点极大值风压系数差ΔC_{p_max}<0, 测点11在坡角β为9.6°时的极大值风压系数差和测点16在坡角β为18.4°时的极大值风压系数差较大, 其值分别为-1.22, -1.29。

　　 由图6 (b) 可知, 迎风屋檐A区测点极小值风压系数差随屋面坡角的增大受罩棚的影响呈减小趋势, 其中测点6极小值风压系数差变化最大, 此测点在坡角β为0°时极小值风压系数差ΔC_{p6_min (0°)} =-3.83。靠山墙B区及角部区域J区的测点极小值风压系数差在坡角β为0°~18.4°时受罩棚的影响较大, 其中坡角β为0°时测点2和测点12极小值风压系数差较大, 其值分别为-3.27, -1.76。坡角β为18.4°~45°时, 屋脊C区测点极小值风压系数差受罩棚的影响较小。

　　 45°风向角下, 通过对低矮建筑及罩棚式低矮建筑屋面局部测点风洞试验数据对比分析, 获得的测点极大值、极小值风压系数差曲线如图7所示。

　　 由图7 (a) 可知, 靠山墙E区各测点极大值风压系数差随屋面坡角改变而平缓变化, 其值在-0.5~0.5范围内波动, 受罩棚的影响较小。坡角β为30°时, 迎风屋檐A区测点及靠近屋脊处角部J区测点极大值风压系数差受罩棚的影响较大, 其中测点1在坡角β为30°、测点9在坡角β为0°时极大值风压系数差较大, 其值分别为1.37, 1.11。

　　 由图7 (b) 可知, 在坡角β为0°~30°时, 靠近山墙B区测点极小值风压系数差受罩棚的影响明显, 其中测点2在坡角β为0°时极小值风压系数差受罩棚的影响最大, 其值为-3.55。迎风屋脊C区远离山墙处测点极小值风压系数差受罩棚的影响较小, 迎风屋檐A区测点极小值风压系数差随着坡角的增大受罩棚的影响呈减弱趋势, 其中测点6在坡角β为0°时极小值风压系数差受罩棚的影响较大, 其值为-3.50。迎风角部J区测点极小值风压系数差大于0, 主要因为在斜风向下, 罩棚迎风屋面前沿气流分离产生的锥状涡沿着屋檐方向涡旋尺寸变大, 使得屋面在斜风向下受锥状涡的影响区域增大, 因而该区域吸力增大。这在抗风设计中应引起注意。

　　 60°风向角下, 通过对低矮建筑及罩棚式低矮建筑屋面局部测点风洞试验数据对比分析, 获得的测点极大值、极小值风压系数差曲线如图8所示。

　　 由图8 (a) 可知, 靠山墙E区各测点极大值风压系数差变化不大, 迎风屋檐A区测点1在坡角β为9.6°, 30°时的极大值风压系数差受罩棚的影响较大, 其值分别为2.08, 2.11, 说明罩棚起到了气动抗风效果。迎风屋面角部J区远离山墙区域及靠山墙B区由屋檐至屋脊方向测点极大值风压系数差绝对值受罩棚影响呈增大趋势。

　　 由图8 (b) 可知, 迎风屋脊C区测点极小值风压系数差随着坡角的改变变化不明显。靠山墙B区由屋檐至屋脊方向测点极小值风压系数差受罩棚的影响呈减小趋势, 其中测点2在坡角β为0°和9.6°时、测点1在坡角β为9.6°和30°时及测点6在坡角β为0°时的极小值风压系数差较大, 其值分别为-3.03, -3.03, -2.73, -2.60, -2.83。

　　 90°风向角下, 通过对低矮建筑及罩棚式低矮建筑屋面局部测点风洞试验数据对比分析, 获得的测点极大值、极小值风压系数差曲线如图9所示。

　　 由图9可知, 90°风向角下, 屋面各分区测点极大值、极小值风压系数差曲线变化形状基本一致。随坡角的改变, 其值变化不明显, 受罩棚的影响较小。测点极大值、极小值风压系数差在-0.5~0.5范围内波动, 这主要是由于脉动风压的波动使得极值风压系数差在小范围内波动。

　　 (1) 当风向角为0°时, 罩棚对迎风屋面屋檐角部区域测点极值风压系数差影响明显, 随着屋面坡角的增大, 罩棚对迎风屋檐A区测点极小值风压系数差的影响呈减小趋势;当坡角β为0°~18.4°时, 迎风屋面角部J区测点极小值风压系数差受罩棚的影响较大, 特别是在坡角β为0°时, 迎风屋脊C区测点受罩棚影响明显, 测点极小值风压系数差绝对值随着与山墙距离增大而增大, 这在抗风设计中应引起注意。

　　 (2) 风向角在0°~45°内, 随着风向角增大, 罩棚对靠山墙B区和角部J区测点极大值、极小值风压系数差的影响增大。45°风向角下, 屋面B区和J区测点极小值风压系数差受罩棚的影响达到最大。罩棚对迎风屋檐局部测点 (测点6) 极小值风压系数差的影响在风向角为3 0°时达到最大;6 0°度风向角下, 测点1的极大值风压系数差在坡角为30°时受罩棚的影响达到最大, 在抗风设计中应对迎风屋檐区域进行局部加强处理。

　　 (3) 90°风向角下, 屋面各分区测点极大值、极小值风压系数差受罩棚的影响达到最小。

　　 (4) 当坡角β为45°时, 随着风向角的变化, 罩棚对屋面各分区的测点极大值、极小值风压系数差的影响不明显。