山村低矮双坡屋面建筑风致响应比较研究

叶呈敏 黄迪奇

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州 310000)

气流通过建筑物时，由于建筑物堵塞造成气流的分离，将会在建筑表面产生涡团以及再附着现象，表面风压的分布及特性将由来流的流动状况及流动方向决定。就某一个单体建筑物表面风压，除受到在起表面气流状况以及来流的速度、来流风向角、垂直风速坡面和地面粗糙度影响外，还受到建筑物自身因素影响:表面几何尺寸(建筑物长度、宽度和高度)、屋面形式(平屋面、双坡屋面和单坡屋面)等。在工程设计领域，开展对单栋低矮建筑物风荷载特性的研究，主要是致力于分析不同体形的建筑布局和屋面形式对表面风压分布规律的影响，采用风荷载体形系数的形式提供工程设计荷载取值参考。而历次的风灾害调查表明[1］，由风灾造成的破坏各类房屋，尤其是低矮房屋破坏造成的损失最大，至少占到总损失的50%。我国东南沿海地区分布着大量普通住房和工商业用房为主的低矮建筑，尤其是当地山区的居民住房。同时，该地区是台风的多发地带，每次台风过境造成大量的低矮建筑破损、倒塌，严重危害到居民生命财产安全。因此，开展对沿海地区山村低矮建筑的风致响应比较研究具有重大的现实应用意义。

分析山村低矮建筑的风致响应主要从以下两方面展开:1)整体安全性。山村低矮建筑在总体上受到的风荷载分布和大小是否得到了准确的估计，决定了结构整体抗风的安全性。主要通过考虑风在建筑物表面引起的实际压力或吸力与来流气体动压的比值，即:风压系数[2］。2)局部安全性。由于低矮建筑表面风压分布不同，在局部峰值压力或吸力作用下是否会导致局部构件的失效。以往的大量现场实测和风洞模型试验的资料证明:低矮建筑主要在其各个表面连接处附近，即在墙体转角、屋檐、屋脊、山墙边缘等附近，来流会形成一个局部的压力(吸力)峰值区域，因此，这部分区域的面平均风压系数通常远高于该面的整体平均风压系数，从而在局部区域形成较大的作用，在台风作用下极易导致低矮建筑物相应部位构件失效，进而可能引发结构整体破坏。

1 数值计算方法

在工程设计中广泛应用两方程模型中的标准k—ε模型计算建筑物风荷载响应，同时方程计算中，将会采用当地计算得出的湍动能和湍能耗散来表示涡团粘度[3］。方程通过以相应的微分方程控制表征湍流粘性系数的两个特征量，同时增加湍流特征长度标尺l的微分方程，采用以上所有形式相似的微分方程Z，对于靠近建筑物近壁面的计算区域来说ε最为方便、有效。

三维的非稳态N—S方程可以推导出k，ε的控制方程如下:

2 建立数值模型

2．1 双坡屋面建筑数值模型

本文根据对沿海地区山村现有低矮建筑的调查、整理、归类，将已有双坡屋顶低矮建筑按照屋顶形式分为典型单层双坡屋面建筑和典型两层双坡屋顶的建筑，并以此建立几何模型，其中模型一为典型单层双坡屋面建筑，见图1，模型二为典型两层双坡屋顶建筑，见图2。

图1 典型单层双坡屋面建筑原型以及几何模型一

图2 典型两层双坡屋顶建筑原型以及几何模型二

2．2 边界条件设置

1)入口边界采用速度进口条件(inlet)，给定入口风速与来流方向，入口速度值现场实测值，在5 m高度处为18．5 m/s。

2)由于下游流域设定足够长，可以忽略出口对建筑物附近流场的影响，采用压力出口边界条件(pressure-outlet)，出口压力设定为0 Pa。

3)截面壁面设定为无滑移壁面(wall)。

2．3 参数设置

为保证柯朗(Courant)数小于5[4］，即其中，v为入口速度;Δt为时间步长;Δx为网格最小尺度。网格最小尺度的极小值为D/450，故选定时间步长为0．001 s，模拟时间总长度为10 s。

3 模拟结果分析

3．1 风压系数模拟结果

图3，图4给出了0°风向角下计算所得到单层双坡屋面建筑整体的风压系数分布。由图3可知，在正面来流风力作用下，迎风面受到正风压。正风压系数在迎风面中心部位处最大，最大值达到0．72。等值线以风压系数最大处为中心向外扩散，数值减小。在迎风面边缘处，等值线梯度较大。由于建筑本身较为低矮，风速随高度呈现指数规律变化对风压的高度变化影响不显著。建筑顶部及侧面全部受负风压，风压系数分布不规则，总体变化梯度较小。侧面最大负压系数达到－0．69，顶部最大负压系数达到－0．96，顶部局部的较大风压对建筑安全是十分不利的，要对此引起重视。

图3 0°风向角模型一迎风侧压力系数分布

图4 0°风向角模型一背风侧压力系数分布

图5 0°风向角模型二迎风侧压力系数分布

图5，图6给出了0°风向角下计算所得到两层坡屋顶建筑整体的风压系数分布。由图5可知，在正面来流风力作用下，迎风面受到正风压。正风压系数在迎风面中心部位处最大，最大值达到0．80。等值线以风压系数最大处为中心向外扩散，数值减小。在迎风面边缘处，等值线梯度较大。由于建筑本身较为低矮，风速随高度呈现指数规律变化对风压的高度变化影响不显著。建筑顶部及侧面全部受负风压，风压系数分布不规则，总体变化梯度较小。侧面最大负压系数达到－0．76，顶部最大负压系数达到－0．88，顶部局部的较大风压对建筑安全是十分不利的，要对此引起重视。

3．2 速度分布模拟结果

图7给出了45°风向角下计算所得到单层双坡屋面建筑周围速度矢量图。

图6 0°风向角模型二背风侧压力系数分布

图8是在45°风向角下的风场竖向剖面速度矢量。在45°风向角下，两个背风面形成两个独立的涡结构，顶部的没有涡结构出现。

图 7 45°风向角模型一5 m高度处速度矢量

图 8 模型一45°风向角竖向剖面速度矢量

图9给出了45°风向角下计算所得到单层双坡屋面建筑周围速度等值线分布图。速度等值线在背风侧梯度显著，最大风速达到 24．5 m/s。

图 9 45°风向角模型一竖向剖面速度等值线

图 10 45°风向角模型二竖向剖面速度矢量

图10给出了45°风向角下计算所得到两层坡屋顶建筑周围速度矢量图。

图11是在45°风向角下，风场竖向剖面速度矢量。在45°风向角下，两个背风面形成两个独立的涡结构，顶部前端出现附着的涡。

图12给出了45°风向角下计算所得到两层坡屋顶建筑周围速度等值线分布图。速度等值线在背风侧梯度显著，最大风速达到28 m/s。

图11 模型二45°风向角5 m高度处速度矢量

图 12 45°风向角模型二竖向剖面速度等值线

4 结语

通过对沿海地区已有低矮建筑物的调研，将已有双坡屋顶低矮建筑按照屋顶形式分为典型单层双坡屋面建筑和典型两层双坡屋顶建筑。建立具有山村典型代表性的低矮建筑，模拟在主导风向下建筑风荷载的影响。低矮建筑表面较大的风压主要存在于体形突变处，及在屋檐、屋脊处出现较大的局部风压。通过计算模拟，低矮建筑的表面风压分布系数:正压力系数最大值达到0．98，最大负压系数在－1．20，屋顶负压区局部过大且负压区面积较大。而低矮建筑的这部分区域的风荷载取值无法从我国结构荷载规范中获得，也较少引起工程设计人员重视。

[1] 孙炳楠，傅国宏．94年17号台风对温州民房破坏的调查[A］．第七届结构风效应学术会议论文[C］．1995:19-23．

[2] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范(2006版)[S］．

[3] 黄本才，汪丛军．结构抗风分析原理及应用[M］．第2版．上海:同济大学出版社，2008．

[4] Davenport A G．The Relationship of Wind Structure to Wind Loading[C］．//proc．of the Symposium on Wind Effect on Building and Structures．London:1965:54-102．