罩棚结构对低矮建筑局部风载影响规律试验

戴益民， 高 阳， 许灵波， 蒋荣正， 彭 望

(湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭 411201)

罩棚结构对低矮建筑局部风载影响规律试验

戴益民， 高 阳， 许灵波， 蒋荣正， 彭 望

(湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭 411201)

采用缩尺比为1∶20风洞试验刚性模型，以风向角及屋面坡角为变量，针对单体低矮建筑及罩棚与低矮建筑组合而成的罩棚式低矮建筑屋面局部风载展开风洞试验研究，采用风压系数差深入探讨B类地貌下罩棚结构对配套低矮建筑屋面迎风屋沿、屋脊及屋面角部等局部测点风压影响变化规律。结果表明：不同风向下罩棚对低矮建筑迎风屋沿处风压的影响随着屋面坡角的增大而减小，对背风屋面各分区的影响较小。随着风向角的改变，迎风屋面靠山墙边缘及角部区域受罩棚影响呈增大趋势。45°斜风向下，平屋面(β=0°)迎风屋沿测点6风压系数变化最大，风压系数差为-2.01。当来流平行于屋沿方向时，罩棚结构对迎风屋沿、屋脊、屋面角部等易损区的风压系数随坡角的变化影响最小。

低矮建筑； 罩棚； 局部风载； 风洞试验； 风压系数

加油站一般由大跨罩棚结构与配套用低矮建筑组合而成，而历次风灾调查研究表明，低矮房屋的损毁主要表现为迎风屋面转角、边缘和屋脊等易损部位(简称易损区)先损毁并进而引发建筑的整体倒塌[1]。国内外针对罩棚结构对配套低矮建筑影响的研究不多，所以开展罩棚结构对配套低矮建筑屋面易损区风载特性研究具有重要的现实意义。刘帅等[2]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，国外学者[3，4]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[5]通过风洞试验分析了上游建筑的距离、高度对平屋面的吸力影响，并给出了两栋建筑间距的建议值。全涌[6]等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，得出有价值结论。胡尚瑜等[7]基于实测，研究近地台风风场湍流特征与低矮房屋迎风屋面角部测点峰值风压，获取了低矮实测房屋面局部测点风压特性时空平均效应。楼文娟等[8]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。Augusto Poitevin等[9]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[10]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比对罩棚表面风压的影响规律。以上主要针对单体和群体低矮建筑及罩棚结构风载研究，即鲜有罩棚结构对配套结合的低矮建筑屋面风载特性影响开展研究。

本文采用风洞试验手段，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实验。以风向角和屋面坡角为变量，深入探讨罩棚结构对低矮房屋迎风屋沿、角部、屋脊等局部测点风压的影响规律，结果将为低矮房屋与罩棚组合而成的低矮建筑结构抗风研究提供一些有价值的参考。

1 试验概况

1.1 试验设备及流场模拟

本文风洞试验在湖南科技大学风洞实验室开展，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低矮建筑风洞试验B类风场。湍流度及平均风速剖面见图1a，风场模拟布置见图1b。试验测压仪器采用美国PSI压力扫描阀，采样频率为330 Hz，采样点数为10000个。

图1 风场模拟结果

1.2 试验模型及测点布置

风洞测压刚性模型采用ABS板制作，模型缩尺比为1:20，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，单体与组合模型见图2。为研究罩棚在不同风向角下对不同坡角低矮建筑风载的影响和分布特性，本文选择迎风屋面角部、屋脊、屋沿局部测点进行区域划分，具体见图3。试验在B类风场中进行，罩棚与低矮建筑尺寸及试验工况划分见表1。

图2 缩尺模型/mm

图3 屋面局部测点布置及分区/mm

低矮房屋模型尺寸/mm罩棚模型尺寸/mm地貌类型缩尺比风向角α/(°)屋面坡角β/(°)600×400×400(长×宽×高)600×600×400(长×宽×高)B1∶200、30、45、60、900、9.6、18.4、30、45

2 罩棚对低矮建筑屋面局部风载影响规律

2.1 试验数据处理

风压系数为风在建筑物表面引起的实际压力与来流风压的比值[1]，本文以模型屋面平均高度处风压作为无量纲化的参考风压，平均风压系数采用以下公式推导计算：

(1)

式中：Cpi为测点平均风压系数；pi为测点平均风压值；pref为参考高度处静压；ρ为空气密度；VH为屋面平均高度H处的平均风速。

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风压影响规律，本文试验结果针对单体与组合体两者屋面测点风压系数差进行分析，用ΔCpi表示：

ΔCpi=Cpi单体-Cpi组合

(2)

式中：Cpi单体为单体低矮房屋测点平均风压系数；Cpi组合为低矮房屋与罩棚组合体测点平均风压系数。

2.2 试验结果分析

本文采用B类风场，以风向角和屋面坡角为变量，对单体低矮建筑及罩棚与低矮建筑组合的罩棚式低矮建筑屋面局部测点进行风洞试验对比研究。通过两者试验数据对比分析，获取如下试验结果。

2.2.1 风向角为0°工况

风向角为0°，通过对单体低矮建筑及罩棚式低矮建筑组合结构屋面局部测点风洞试验数据对比分析获得结果如图4a～d所示。

图4 0°风向角下屋面局部测点风压系数差

(1)如图4a所示，罩棚对迎风屋沿A区测点风压影响较明显，在坡角范围为9.6°～45°时，随屋面坡角增大而呈影响变小趋势，其中在坡角β=9.6°，测点1与6风压受罩棚影响最大，ΔCp1=-1.48，ΔCp6=-1.53，负值说明吸力减小，这是由于来流在罩棚屋檐处分离、再附使得A区吸力减小。背风屋沿F区各测点受罩棚影响较小。

(2)由图4b，0°坡角屋脊C、D区受罩棚影响较大，距离山墙越远屋脊处测点受罩棚影响越大，屋脊中部测点25、30、90受影响最大，ΔCp25=-0.62，ΔCp30=-0.61，ΔCp90=-0.54。9.6°坡角屋脊C、D区吸力增大，其它坡角受罩棚影响较小。

(3)由图4c和4d，随着屋面坡角的变化，靠山墙B、E区风压受罩棚影响变化较小。迎风屋角J区，屋面坡角为9.6°和18.4°时受罩棚影响较大，该区吸力减小。其中测点7、12风压变化最大，屋面坡角为9.6°时，ΔCp7=-1.06，ΔCp12=-1.19；屋面坡角为18.4°时，ΔCp7=-0.97，ΔCp12=-1.10。

2.2.2 风向角为30°工况

风向角为30°，通过对单体低矮建筑及罩棚式低矮建筑组合结构屋面局部测点风洞试验数据对比分析获得结果如图5a～d所示。

(1)由图5a，迎风屋沿A区测点风压随屋面坡角的增加受罩棚影响呈减小趋势。坡角为0°～18.4°时，屋面角部测点风压系数差较大，这主要是由于气流在罩棚屋面分离、再附，使得屋面角部测点吸力减小，其中屋面坡角为9.6°时，测点6风压系数变化最大，ΔCp6=-1.92。F区各测点ΔCp在-0.2～0.2范围内波动。

(2)由图5b，坡角为0°、9.6°时，迎风屋脊C区受罩棚影响较大，其中测点5风压系数变化最大，其相应风压系数差分别为-0.47，-0.46。背风屋脊D区在坡角为0°、18.4°时受罩棚影响较大，其中18.4°坡角测点75、80，9.6°坡角测点70风压系数变化较大，其相应风压系数差为-0.59，-0.55，-0.61。坡角为30°、45°时，屋脊C、D区受罩棚影响较小。

图5 30°风向下屋面局部测点风压系数差

(3)由图5c和5d，0°坡角靠山墙B区风压变化较大，其中测点2变化最大，ΔCp=-1.24。J区各测点随屋面坡角的增大受罩棚影响而减小，其中0°坡角测点12变化最大，ΔCp=-0.53。

2.2.3 风向角为45°工况

风向角为45°，通过对单体低矮建筑及罩棚式低矮建筑组合结构屋面局部测点风洞试验数据对比分析获得结果如图6a～d所示。

图6 45°风向下屋面局部测点风压系数差

(1)由图6a，背风屋沿F区各测点风压系数差随屋面坡度变化平缓，受罩棚影响较小。坡角为0°～18.4°时，迎风屋沿A区测点风压受罩棚影响较大且随坡角增大呈影响减小趋势，其中测点6(β=0°)风压系数变化最大，ΔCp6=-2.01。

(2)由图6b，靠近山墙处屋脊测点5(β=0°、9.6°)、70(β=9.6°)风压受罩棚影响较大，其中测点5、70在β=9.6°时风压变化最大，ΔCp5=-0.69，ΔCp70=-0.73。坡角为0°和18.4°时，背风屋脊D区受罩棚影响较大，其中坡角β=0°时，D区吸力增大，这主要是斜风向下，罩棚迎风屋面前沿的气流分离产生的锥状涡沿着屋檐涡尺寸变大，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。

(3)由图6c和6d，屋面角部J区ΔCp>0,吸力增大且坡角为0°～18.4°时，测点受罩棚影响较大，B区风压变化随坡角的增大而减小，其中测点2(β=0°)风压变化最大，ΔCp2= -1.88。

2.2.4 风向角为60°工况

风向角为60°，通过对单体低矮建筑及罩棚式低矮建筑组合结构屋面局部测点风洞试验数据对比分析获得结果如图7a～d所示。

图7 60°风向下屋面局部测点风压系数差

(1)由图7a，背风屋沿F区各测点风压系数变化不大，迎风屋沿A区测点6(β=0°、45°)，测点26(β=18.4°)受罩棚影响较大，β为0°、45°时，测点6的风压系数差ΔCp6分别为-0.84、0.55(吸力变大)；β为18.4°时，ΔCp26=-0.78。

(2)由图7b,迎风屋脊C区测点是在坡角β为0°、9.6°时测点10风压变化最大，其风压系数差ΔCp分别为-0.53、-0.54。背风屋脊D区测点坡角β=0°～18.4°时风压系数变化较大，其中0°屋面坡角吸力增大，应引起注意。

(3)由图7c和7d，山墙B区各测点风压随着坡角的增大受罩棚影响减小，测点2在β=0°、9.6°时，风压变化最大，其风压系数差ΔCp分别为-1.48、-1.43。屋面角部J区靠近山墙处测点7吸力增大55%左右，测点9(β=0°)风压受罩棚影响最大，ΔCp9=-0.64。

2.2.5 风向角为90°工况

风向角为90°，通过对单体低矮建筑及罩棚式低矮建筑组合结构屋面局部测点风洞试验数据对比分析获得结果如图8a～d所示。

图8 90°风向下屋面局部测点风压系数差

由图8a～d，此风向角下，屋面各分区测点的风压系数差曲线基本一致，随屋面坡度变化平缓，其风压系数差在-0.2～0.2范围内波动，受罩棚影响较小。

3 结 论

(1)当风向角为0°时，罩棚对迎风屋面屋沿、屋脊、角部区域的风压影响较大，其中坡角为9.6°时，测点6受罩棚影响最大。背风屋面各区受罩棚影响较小，但背风屋脊D区在坡角β=0°时受罩棚影响较大，这在抗风设计中应引起注意。

(2)随着风向角的改变，罩棚对靠山墙B区和角部J区影响增大，背风屋沿风压受罩棚的影响较小，罩棚对迎风屋沿A区的影响随屋面坡角的增大呈减小趋势。45°风向角下，0°屋面坡角迎风屋沿局部测点受罩棚影响达到最大，当坡角为9.6°～45°时，罩棚对迎风屋沿的影响在风向角为30°时达到最大。这在抗风设计中应引起注意。

(3)90°风向角下，屋面各分区测点风压受罩棚的影响达到最小。

[1] 戴益民, 李秋胜. 低矮房屋迎风屋面局部风压特性研究[J]. 建筑结构, 2011, 41(6): 103-109.

[2] 刘 帅, 谢壮宁, 石碧青. 罩棚式低矮房屋屋面风荷载特性及气动抗风措施研究[J]. 建筑结构学报, 2011, 32(4): 9-16.

[3] Uematsu Y, Stathopoulos T, Iizumi E. Wind loads on free-standing canopy roofs: part 1 local wind pressures[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(6): 1015-1028.

[4] Uematsu Y, Stathopoulos T, Iizumi E. Wind loads on free-standing canopy roofs: part 2 overall wind forces[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(6): 1029-1042.

[5] Pindado S, Meseguer J, Franchini S. Influence of an upstream building on the wind-induced mean suction on the flat roof of a low-rise building[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2011, 99(8): 889-893.

[6] 全 涌, 顾 明, 田村幸雄, 等. 周边建筑对低矮建筑平屋面风荷载的干扰因子[J]. 土木工程学报, 2010, 43(2): 20-25.

[7] 胡尚瑜, 李秋胜, 黄建平, 等. 台风作用下低矮房屋屋面角部峰值压力实测研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(8): 15-24.

[8] 楼文娟, 蒋 莹, 薛晓勇, 等. 台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究[J]. 建筑结构学报, 2012, 33(1): 51-57.

[9] Poitevin A, Natalini B, Godoy L A. Pressures on open canopy structures with parapets under wind loading [J]. Engineering Structures, 2013, 56: 850-867.

[10]Natalini M B, Morel C, Natalini B. Mean loads on vaulted canopy roofs[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2013, 119: 102-113.

Experimental on Local Wind Load of Low-rise Building Affected by Canopy

DAIYi-min,GAOYang,XULing-bo,JIANGRong-zheng,PENGWang

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China)

Adopting the rigid model of wind tunnel test at a scale of 1:20, the roof local wind load of isolate low-rise building and composite structure of canopy and low rise building were studied at different wind azimuths and roof pitchs. The wind pressure change law of the measuring points which were affected by canopy on the windward eaves, ridge and roof corner of the low-rise building under B landscape were further discussed by using wind pressure coefficients differences in the wind tunnel. The results indicate that the influence of canopy on windward eaves of low-rise building decreases with the increase of the slope pitch, and there has a little influence on the leeward eaves at different wind azimuths. The influence of canopy on the edge of windward gable wall and corner increases with the wind direction changed. The wind pressure coefficient of tap 6 on windward eaves of flat roof (β=0°) varies widely at wind azimuth of 45°, and the wind pressure coefficients differences is -2.01. When the wind azimuth is 90°, the canopy has a little influence on the vulnerable zone of low-rise building with the slope pitch changed.

low-rise building; canopy; local wind load; wind tunnel test; wind pressure coefficient

2016-03-04

2016-05-12

戴益民(1972-)，男，湖南娄底人，教授，博士，研究方向为建筑结构抗风(Email：dymzzy@163.com)

高 阳(1990-)，男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向为建筑结构抗风(Email：gaoyang3566@163.com)

国家自然科学基金(51578237)；湖南科技大学研究生创新基金(S140008)

TU312+.1

A

2095-0985(2016)06-0001-05