雷暴冲击风作用下双坡屋面风压分布

汤 卓 王兆勇 卓士梅 吕令毅

(东南大学土木工程学院，南京 210096)

雷暴冲击风作用下双坡屋面风压分布

汤 卓 王兆勇 卓士梅 吕令毅

(东南大学土木工程学院，南京 210096)

摘 要:为了研究雷暴冲击风作用下双坡屋面的风压分布，建造了用于建筑风工程的射流风洞，并对低矮建筑的双坡屋面进行了测压试验.试验装置的气动测试表明，风场的风压分布和风速剖面与理论结果吻合良好，射流风洞可用于雷暴冲击风荷载的相关研究.然后，采用刚性模型的射流风洞测压试验研究双坡屋面的风压分布，为了使研究结果具有代表性，针对15°，30°和60°三种典型的屋面坡角制作刚性屋面模型，试验得到了模型在风场不同位置时的风压分布.试验结果表明:建筑物位于雷暴冲击风场中心附近时，屋面风荷载为较大压力，较常规风荷载更为不利;建筑物远离风场中心时，3种屋面的雷暴冲击风荷载与常规风荷载比较接近.

关键词:双坡屋面;雷暴冲击风;射流风洞;风压分布

雷暴冲击风是雷暴天气中强烈的下沉气流猛烈冲击地面形成的辐散大风，会造成严重的低空风切变，对建筑物具有极大的破坏性［1］.

目前，雷暴冲击风是国内外强风荷载研究领域的热点问题.国外学者采用风场实测、理论研究、试验模拟和数值模拟等方法对雷暴冲击风进行了大量研究［2-6］.国内学者也对雷暴冲击风荷载进行了研究.文献［7］利用主动控制风洞模拟了雷暴冲击风气流剖面和阶跃流时程，通过模型试验观测高层结构模型在突变气流作用下结构空气动力学参数的变化特征.文献［8］利用射流装置、粗糙元等模拟了雷暴冲击风流场，研究了雷暴冲击风作用下球壳型屋面模型的风压特性.文献［9］使用可调导流板、挡板和粗糙元，在大气边界层风洞内实现了雷暴冲击风场的模拟，并对圆柱形屋盖模型的风压系数分布进行了试验研究.文献［10］以CAARC高层建筑物标准模型为研究对象，基于CFD方法研究了下击暴流作用下高层建筑物的表面风压分布特性.文献［11］采用大涡模拟方法，结合壁面射流模型，计算得到雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程.文献［12］采用非定常数值，计算研究了雷暴冲击风作用下地面处的风压时程和平均风压，并提出了雷暴冲击风作用下地面处风压的计算公式.

本文根据雷暴冲击风的风场特征，建造了用于建筑风工程的射流风洞.采用测压试验对低矮建筑的双坡屋面处风压分布规律进行了研究.研究结果为低矮建筑抗雷暴冲击风计提供了一定的参考.

1 试验

1.1 射流风洞

雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程可以分为如下2个阶段:①初始喷射至射流前沿到达地面;②冲击地面的气流形成辐散大风.目前，结构风工程界根据雷暴冲击风的风场特征开展的试验研究主要包括如下2种思路:① 通过对直流式风洞进行改造，实现对雷暴冲击风的模拟，从而较好地再现雷暴冲击风形成的低空切变大风［7］;② 根据冲击射流模型建造射流风洞，完整再现雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程［5］.

为了研究雷暴冲击风作用下双坡屋面的风压分布，本文采用冲击射流模型，建造了用于建筑风工程的射流风洞(见图1).射流风洞的射流筒体长5 m，内设2道整流栅，喷射口直径D=400 mm，试验平板尺寸为2.4 m ×2.4 m.

1.2 刚性模型及试验工况

根据雷暴冲击风的风场特征，可以将风场分为2个部分:①喷射口正下方的区域，此区域具有较大的竖向风速，地面受到较大的冲击作用;② 远离风场中心的区域，此区域具有较大的水平风速.研究表明，距风场中心1.5D位置处具有较为稳定的水平风速剖面［3］.根据雷暴冲击风的风场特征，将屋面模型固定在径向坐标r=0，1.5D进行测压试验，柱面坐标系定义和模型布置见图2.图中，H为喷射口与试验平板之间的距离.

图1 射流风洞

图2 柱面坐标定义和模型布置示意图

3 个双坡屋面房屋的模型缩尺比例均为1∶100.模型平面布置相同:底面为正方形，边长为120 mm，檐口高度为80 mm;屋面坡度α分别为15°，30°和60°.考虑到雷暴冲击风场和屋面绕流的复杂性，将测点布置在整个屋面上，共布置100个测点，测点采用行编号和列编号进行定位(见图3).

1.3 数据处理

风压系数定义为

式中，p为测点的风压;pref为参考静压力;ρ为空气密度;Vjet为射流速度，此处取为整个射流面的平均风速.

图3 屋面模型测点布置示意图

2 射流风洞的气动测试

射流风洞形成的风场受射流速度Vjet和喷射口与试验平板之间的距离H等因素影响.本文固定Vjet=18 m/s，调节H进行气动测试.气动测试内容为试验平板上的风压分布和射流风场的风速剖面.

2.1 风压测试

在雷暴冲击风的作用下，喷射口下方地面承受较大的风压.随着径向坐标的增大，风场逐渐转变为以水平风速为主，地面上的风压也逐渐减小.

图4给出了H=D，2D，5D三种情况下试验平板表面的风压分布与理论结果的对比结果.由图可知，当H=D，2D时，风压分布和计算公式结果吻合良好;当H=5D时，曲线的整体趋势较为吻合，数值稍有偏离.

图4 试验平板表面的风压分布测试结果对比

2.2 风速测试

雷暴冲击风场中，喷射口下方的竖向风速较大，而水平风速较小;远离风场中心处的水平风速较大，而竖向风速较小.

图5(a)给出了射流风场r=1.5D处风速剖面与理论结果的对比结果.图中，Vmax表示最大水平风速，z0.5Vmax表示水平风速为 0.5Vmax时的高度，rVmax表示最大风速时的径向坐标.图5(b)给出了射流风场z=20 mm处风速剖面与理论结果的对比结果.由图5可以看出，当H=D，2D时，风速剖面和理论结果吻合较好;当H=5D时，曲线的整体趋势基本一致，但数值有较大偏离.

图5 风速剖面测试结果对比

通过对比气动测试结果和理论结果可知，当H=D，2D时，射流风洞产生的风场与雷暴冲击风场比较吻合;当H=5D时，射流风场不能很好地反映雷暴冲击风的风场特征.基于测试结果，并考虑试验平板与喷射口之间的距离便于试验操作，本文选择H=2D进行典型双坡屋面的测压试验.

3 测压试验结果及分析

对3个模型进行测压试验，每个模型分别进行如下3种工况的测压试验:①r=0，即模型位于风场中心;②r=1.5D，山墙迎风;③r=1.5D，檐口迎风.

图6 为 3 个屋面模型(α =15°，30°，60°)在不同工况下的测压试验结果.图6(a)、(b)、(d)、(e)、(g)、(h)中的横线以及图 6(c)、(f)、(i)中的竖线均为屋脊线.由图可知，在工况1下，屋面受竖向风速的冲击，风荷载均为压力，呈中心对称分布，由中心至边缘逐渐减小;在工况2下，屋面主要承受水平风速的作用，风荷载均为吸力且由前至后逐渐减小，风荷载关于屋脊线对称分布;在工况3下，前侧屋面的风荷载由檐口至屋脊线逐渐减小，后侧屋面的风荷载由屋脊线至檐口逐渐减小.

图6 屋面风压系数试验结果

4 雷暴冲击风荷载与常规风荷载的对比

为了和常规的大气边界层风荷载进行对比，按B类场地取地貌指数为0.15，基本风压w0=0.56 kN/m2.此时，10 m 高度处的风速v0=30 m/s;雷暴冲击风的射流速度Vjet=30 m/s.

取屋面列编号为5的测点进行风荷载对比，并将建筑物还原为真实尺度，即房屋底面边长为12 m，檐口高度为8 m.图7为屋面坡角 α=15°，30°，60°时雷暴冲击风和常规风作用于双坡屋面的荷载对比.将3种工况下的雷暴冲击风荷载与《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)［13］所给出的常规风荷载相比较，可以发现，雷暴冲击风和常规风作用于建筑物的荷载存在较大的差异:常规风荷载主要为负值(吸力)，只有当α=60°时迎风面的风压为正值(压力)，而雷暴冲击风荷载在建筑物位于风场中心时(工况1)全部为正值且数值较大，达到甚至超过不上人屋面的活荷载(0.5 kN/m2);在建筑物远离风场中心时(工况2和工况3)，3种屋面的雷暴冲击风荷载全部为负值.

5 结语

根据雷暴冲击风的风场特征，建造了用于建筑风工程的射流风洞.将射流风洞的流场模拟结果与理论结果进行对比，发现两者吻合良好，表明射流风洞的建造和雷暴风流场模拟是成功的.利用刚性模型的射流风洞测压试验得到了双坡屋面在雷暴冲击风作用下的风压分布，并将雷暴冲击风荷载与常规风荷载进行了对比.结果表明，建筑物位于雷暴冲击风场中心时，屋面风荷载为较大压力，较常规风荷载更为不利.

图7 荷载对比

［1］Fujita T T.Downbursts:meteorological features and wind field characteristics［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1990，36(1/2/3):75-86.

［2］Geerts B.Estimating downdraft-related maximum surface wind speeds by means of proximity soundings in New South Wales，Australia［J］.Weather and Forecasting，2001，16(1):261-269.

［3］Wood G S，Kwok K C S，Motteram N A，et al.Physical and numerical modeling of thunderstorm downbursts［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89(6):535-552.

［4］Holmes J D，Oliver S E.An empirical model of a downburst［J］.Engineering Structures，2000，22(9):1167-1172.

［5］Sengupta A，Sarkar P P.Experimental measurement and numerical simulation of an impinging jet with application to thunderstorm microburst winds［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96(3):345-365.

［6］Mason M S，Fletcher D F，Wood G S.Numerical simulation of downburst winds［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2009，97(11/12):523-539.

［7］赵杨，曹曙阳，Yukio Tamura，等.雷暴冲击风模拟及其荷载的风洞试验研究［J］.振动与冲击，2009，28(4):1-5.

Zhao Yang，Cao Shuyang，Yukio Tamura，et al.Simulation of downburst and its loads with wind tunnel test［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28(4):1-5.(in Chinese)

［8］陈勇，崔碧琪，余世策，等.雷暴冲击风作用下球壳型屋面模型风压特性试验研究［J］.建筑结构学报，2011，32(8):26-33.

Chen Yong，Cui Biqi，Yu Shice，et al.Experimental investigation of spherical roof subjected to thunderstorm downbursts［J］.Journal of Building Structures，2011，32(8):26-33.(in Chinese)

［9］段旻，谢壮宁，石碧青.下击暴流风场的大气边界层风洞模拟研究［J］.建筑结构学报，2012，33(3):126-131.

Duan Min，Xie Zhuangning，Shi Biqing.Experimental study on simulation of downburst in atmospheric boundary layer wind tunnel［J］.Journal of Building Structures，2012，33(3):126-131.(in Chinese)

［10］吉柏锋，瞿伟廉.下击暴流作用下高层建筑物表面风压分布特性［J］.华中科技大学学报:自然科学版，2012，40(9):89-94.

Ji Baifeng，Qu Weilian.Mean wind pressure distribution characteristics on tall building under downburst［J］.Journal of Huazhong University of Science＆Technology:Natural Science Edition，2012，40(9):89-94.(in Chinese)

［11］汤卓，吕令毅.雷暴冲击风荷载的大涡模拟［J］.空气动力学学报，2011，29(1):47-51.

Tang Zhuo，Lü Lingyi. Large eddy simulation of downburst wind load［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2011，29(1):47-51.(in Chinese)

［12］汤卓，吕令毅.雷暴冲击风作用下地面处风压分布特征［J］.东南大学学报:自然科学版，2011，41(6):1273-1276.

Tang Zhuo，Lü Lingyi.Wind pressure distribution on ground under impingement of downbursts［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2011，41(6):1273-1276.(in Chinese)

［13］中国工程建设标准化协会.GB 50009—2012建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

Pressure distribution on gable roofs in thunderstorm downburst

Tang Zhuo Wang Zhaoyong Zhuo Shimei Lü Lingyi
(School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:A jet wind tunnel is constructed to generate a downburst-like flow for the purpose of quantifying downburst-induced aerodynamic loads on civil engineering structures.To study the pressure distribution on gable roofs，jet wind tunnel tests for rigid models of gable roofs are carried out.Velocity profiles and pressure distributions in a downburst are studied and good agreements are achieved between the present results and the data obtained from empirical models.Therefore，the jet wind tunnel can be used in wind engineering research.Then，the jet wind tunnel tests for rigid models are carried out to investigate the pressure distribution on gable roofs.In order to make the research representative，three typical roof pitches with the slope angles of 15°，30°and 60°are used in making rigid models.Pressure distributions of the models in different locations of the wind field are obtained.The experimental results show that when the building is located in the center of the downburst，the wind loads on the gable roofs are pressure and more harmful than the conventional wind load.However，when the building is far away from the center of the downburst，the wind loads are close to the conventional wind load.

Key words:gable roof;thunderstorm downburst;jet wind tunnel;pressure distribution

中图分类号:TU312

A

1001－0505(2014)01-0168-05

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.030

收稿日期:2013-06-18.

汤卓(1981—)，男，博士，讲师;吕令毅(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，lylu@seu.edu.cn.

汤卓，王兆勇，卓士梅，等.雷暴冲击风作用下双坡屋面风压分布［J］.东南大学学报:自然科学版，2014，44(1):168-172.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.030］