当自然风遭遇建筑的阻挡时，自然风与结构相互作用，会发生气流冲击、分离、旋涡脱落和再附着等绕流现象，这时风的脉动特性明显区别于大气边界层的湍流特性，这种不同于大气湍流的部分被称为特征湍流。研究表明，致使建筑物表面产生局部极值风压(吸)的主要原因是特征湍流^[1]。在强风作用下，围护构件比主体结构更容易发生风致破坏，而且全世界大多数建筑物是低矮建筑，所以研究低矮建筑围护结构的抗风设计十分重要^[2]。对低矮房屋围护结构抗风设计时，围护结构风荷载规范是设计人员最重要的设计依据。为了准确的进行低矮房屋围护结构的抗风设计，有必要参考国外规范和试验数据。所以本文以双坡屋盖低矮房屋围护结构为研究对象，基于风荷载设计基本理论和风洞试验数据，对比了中国规范《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)^[3]和美国规范(ASCE 7-10)^[4]对双坡屋盖风压系数极值的规定。

　　 为了更好地比较各国的双坡屋盖低矮建筑围护结构风荷载规范，用一个标准化的公式来对各国规范进行对比，这个标准化的公式为^[5]:

　　 式中:w_k为风荷载标准值，k N/m²;w₀为基本风压，w₀=1/2ρv₀²,kN/m²;其中空气密度ρ=1.25kg/m³;v₀为10m高度处，平坦开阔地形下(中国规范为B类)10min内的平均风速，m/s;μ_H为风压高度变化系数;C_pe为低矮建筑风荷载外压系数;C_pi为低矮建筑风荷载内压系数;γ_D为风向折减系数;γ_A为面积折减系数。

　　 中国规范和美国规范标准公式的对比见表1。表1中，v_{10m,o.c.,10min}为开阔地形下10m高度处的平均时速;μ_h为h高度处的风压高度变化系数;β_gz为h高度处的阵风系数;μ_sl为局部体型系数;q_h为平均屋面高度h处速压值;K_z为风压高度变化系数;K_zt为局部地形系数;K_d为风向折减系数，取0.85;G为阵风系数;GC_p为外压系数;GC_pi为内压系数;v_{H,z0,meanhrly}为表开阔地形下以平均屋面高度H为参考的平均时速;C_pH为风洞试验中以平均屋面高度H的平均风速为参考的极值压力系数。

　　 由表1可得，对应于标准公式中的风压系数C_pe，中、美两国规范分别为β_gzμ_s1,1.74GC_p，β_gz按中国规范B类地貌的1.7计算。下面将基于风洞试验结果对两国规范的双坡屋盖低矮房屋围护结构的风压系数极值进行对比。

　　 加拿大韦仕敦大学边界层风洞实验室的高速试验段矩形宽为3.35m，高度为2～3m。图1为双坡屋盖低矮房屋建筑模型;风洞的平坦开阔地貌对应的风剖面、湍流度剖面与ESDU工程技术数据库对比如图2所示。

　　 图3与图4分别给出了试验数据中平面尺寸为25m×40m、建筑高度为3.65m、地貌为平坦开阔、屋面坡度为1∶12的双坡屋面低矮房屋建筑模型在0°和60°风向角下的最小风压系数极值和最大风压系数极值的分布云图。观察图3中0°和60°风向角下房屋最小风压系数极值云图可知，在0°风向角下，来流垂直于屋盖一侧边缘，气流在迎风侧边缘发生分离、卷吸及旋涡脱落，形成柱状涡，迎风角处的最小风压系数极值达到绝对值最大。在60°风向角下，来流在两个迎风边缘发生分离、卷吸及旋涡脱落，在两个迎风边缘上部形成锥形涡;此时，在屋盖迎风屋面边缘角部形成最大风吸力，且沿锥形涡方向递减，直至背风屋面边缘。锥形涡作用范围内的风吸力是导致屋盖围护结构发生风致破环的主要原因。在锥形涡顶点的屋盖表面最小风压系数极值的绝对值比柱状涡要大。在0°风向角下，侧墙靠近迎风墙的部位最小风压系数极值绝对值最大，然后离迎风面越远，值越小。在60°风向角下，迎风墙靠近来流端部和背风墙靠近锥形涡尾部最小风压系数极值绝对值最大，其他部位逐渐减小。

　　 观察图4中0°和60°风向角下房屋的最大风压系数极值云图发现，和最小风压系数极值的分布不同，在0°风向角下，屋面最大风压系数极值整体较小，迎风屋面屋檐附近的最大风压系数极值最小，屋面中部稍大一点;在60°风向角下，两个迎风边缘附近的屋面最大风压系数极值最小，屋面中部稍大一点;在柱形涡以及锥形涡范围内屋面主要承受风吸力，风压力较小。迎风墙靠近迎风屋面的部位最大风压系数极值最大，侧风墙和背风墙受风压力均较小。

　　 将上述试验获得的36个风向角下的风压系数极值进行汇总，得到了围护结构全风向风压系数极值，图5和图6为全风向风压系数极值的云图。因为建筑物对称，所以只观察图5与图6风压系数极值云图中的上半部分。发现屋面角部最小风压系数极值绝对值最大，然后屋面边缘部位次之，中间部位最小;墙面两侧位置最小风压系数极值绝对值比中部位置大。所以需要将屋面的角部、屋面的边缘部位和屋面中间部分开来进行设计，将墙面端部和墙面中部分开来进行设计;观察全风向最大风压系数极值云图发现，墙面两侧端部位置最大风压系数极值比中部位置大，所以需要将墙面端部和墙面中部分开来进行分析;屋面的最大风压系数极值整体变化不大，但是为了和最小风压系数极值的分区保持一致，将屋面角部、屋面边缘以及屋面中部也分开来进行设计。

　　 由第2.1节可知，墙面风压系数极值的绝对值两端大，中间小，所以需要将墙面分为三个区;屋盖角部风压系数极值绝对值最大，屋盖边缘部位次之，中间部位最小。所以需要将屋盖角部，屋盖边缘单独进行分区。

　　 对于屋面坡度在10°以内的双坡屋盖低矮房屋围护构件，外表面1m²面积以下的风压系数极值，中国规范与美国规范的规定分别见图7,8。通过观察图7,8中两国规范对双坡屋盖低矮房屋围护结构风压系数极值的规定发现，两个国家的墙面分区规则基本相似，风压系数极值相差不大;中国与美国屋面分区比较相似，但取值差别较大，中国在屋面角部以及屋脊处的风压系数极值偏小，可能是因为我国的围护结构风压系数极值是以承重结构体型系数为基础换算来的，但在气流分离区，特别是在墙边、屋面角部、屋面边缘、屋脊等部位，建筑物表面脉动风压呈现很大的脉动均方根和很大的非正态峰值因子，外压系数的值也显著增大，中国规范这样取值低估了屋面角部以及屋脊处的风压系数极值。

　　 为了验证各国规范风压系数极值取值的合理性，下面将以加拿大韦仕敦大学风洞试验的数据结果为依据，比较由试验数据得到的全风向风压系数极值和中美规范中双坡屋面围护结构的风压系数极值。

　　 为了更仔细地与规范规定风压系数极值做对比，需要先将风洞试验中数据和第1.1节中的标准化公式做比较，见表1。对应于标准公式中的风压系数C_pe，美国规范为2.1GC_p，中国规范为β_gzμ_sl,UWO数据库为全风向风压系数极值C_pH。

　　 风洞试验数据中的1∶48坡度的风压系数极值C_pH对应于中国规范的β_gzμ_sl，因为双坡房屋轴对称，所以只选取房屋的1/4进行分析。双坡屋面低矮房屋全风向最小与最大风压系数极值的分区分别见图9，其中的R_a,R_b,R_c,W_a,W_b的分区来自中国规范(图10)，将各分区所有测点最小、最大风压系数极值进行面积加权平均得到其平均值，见表2。

　　 比较相同分区的最小风压系数极值与中国规范的规定，发现中国规范严重低估了双坡屋面低矮房屋的围护构件的风吸力，按中国规范进行低矮房屋围护构件风吸力设计，偏于不安全;比较相同分区的最大风压系数极值与中国规范的规定，发现中国规范同样也低估了双坡屋面低矮房屋的围护构件的风压力，按中国规范进行低矮房屋围护构件风压力设计，偏于不安全。

　　 风洞试验数据中的1:48坡度的风压系数极值C_pH对应于美国规范的1.74GC_p。因为双坡房屋轴对称，所以只选取房屋的1/4进行分析。双坡屋面低矮房屋全风向最小与最大风压系数极值的分区分别见图11，其中的R_a,R_b,R_c,W_a,W_b的分区来自美国规范(图10)，将各分区所有测点最小、最大风压系数极值进行面积加权平均得到其平均值，见表3。

　　 比较相同分区的最小风压系数极值与美国规范的规定，发现美国规范稍微低估了双坡屋面低矮房屋的围护构件的风吸力，可能是因为美国规范考虑了风向折减，说明按美国规范进行低矮房屋围护构件风吸力设计比较准确;比较相同分区的最大风压系数极值与美国规范的规定，可以发现:美国规范对风压力系数的规定和最大风压系数极值相差不大，说明按美国规范进行低矮房屋围护构件风压力设计比较准确。

　　 (1)中、美两国规范对风压系数极值的规定不同，相比于美国规范，中国的风压系数极值普遍偏小，尤其是墙边、屋面角部、屋面边缘、屋脊等部位，但在气流分离区，特别是在墙边、屋面角部、屋面边缘、屋脊等部位外压系数的值显著增大，中国规范这样取值低估了屋面角部以及屋脊处的风压系数极值。中国规范对双坡屋面低矮建筑围护结构的风压系数极值的规定偏于不安全，设计时需要注意。

　　 (2)在对双坡屋面低矮房屋进行风荷载设计时，需要对屋面的角部，屋面边缘部位，屋脊端部，屋脊中部以及屋面中部分别进行分区，对墙面的端部，墙面的中部分别进行分区。