戴益民 鄒思敏

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

引言

四坡低矮建筑主要用于庭院、亭子及民居，此類建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下主要表現(xiàn)為屋面破壞，而我國又是臺風(fēng)登陸頻繁國家，所以有必要對四坡低矮建筑強(qiáng)風(fēng)所致破壞展開研究.

李秋勝等［1］根據(jù)強(qiáng)臺風(fēng)“黑格比”登錄過程中的實測數(shù)據(jù)與分析，采用現(xiàn)場實測的方法得出屋面平均、脈動及極值風(fēng)壓系數(shù)的規(guī)律，且建筑模型為平屋面;陶玲等［2］通過研究低矮房屋屋面是否添加屋脊和出山對屋面風(fēng)荷載的影響，得出有屋脊和出山屋面是對低矮房屋抗風(fēng)最有利的屋面形式;謝壯寧等［3］分析了模型尺寸變化對平均、脈動風(fēng)壓系數(shù)和堵塞特征的影響;顧明等［4］通過對我過沿海地區(qū)較常見的帶挑檐的低層雙坡建筑的屋面風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了對屋面平均風(fēng)壓產(chǎn)生影響的因素;宋芳芳［5］對雙坡屋面低矮房屋風(fēng)致內(nèi)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬，表明房屋開洞對風(fēng)致內(nèi)壓的影響.陳水福等［6］采用數(shù)值方法對四坡屋面的風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值分析，，屋面坡角和風(fēng)向角對四坡屋面房屋的屋面風(fēng)壓具有顯著影響，在不同風(fēng)向角下的峰值壓力一般都出現(xiàn)在屋脊或迎風(fēng)屋檐附近;屋脊處的峰值吸力絕對值隨著坡角增加而增大，迎風(fēng)屋檐處的峰值吸力隨著坡角增加而減小;黃敏謙等［7］對低矮房屋的四坡屋面風(fēng)壓體型系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計算，分析不同風(fēng)向角下，房屋坡度與檐口對四坡屋面風(fēng)壓體型系數(shù)的分布影響，得到坡角較小時，帶有檐口的四坡屋面風(fēng)壓體型系數(shù)會比無檐口工況時的小有利于此類建筑的抗風(fēng);焦燏烽等［8］采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合風(fēng)洞模型試驗對兩棟低層四坡屋面房屋周圍的風(fēng)場及表面風(fēng)壓進(jìn)行了計算和分析，得到四坡屋面房屋周圍有干擾，且風(fēng)向垂直于屋面時，屋面迎風(fēng)處是受擾比較嚴(yán)重的區(qū)域，在實際工程設(shè)計中，需要增大此部位的體型系數(shù)，以減小在臺風(fēng)等惡劣風(fēng)環(huán)境下對屋面的破壞.

綜上所述文獻(xiàn)可以看出，目前對于低矮房屋研究主要集中對平屋頂、單坡和雙坡屋面，房屋的風(fēng)壓分布都有了較多分析與深入的研究，且目前我國現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)［9］雖然對一些屋面類型如單坡、雙坡屋面房屋的平均風(fēng)載體型系數(shù)有對應(yīng)的規(guī)定，但是對四坡屋面卻幾乎沒有.

本文擬利用CFD數(shù)值模擬結(jié)果與日本東京工藝大學(xué)的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，開展檐口外伸長度與出挑高度變化對四坡屋面風(fēng)壓變化規(guī)律展開研究.

1 本文數(shù)據(jù)模擬研究風(fēng)場驗證

本文數(shù)值模擬對比數(shù)據(jù)來源于日本東京工藝大學(xué)風(fēng)洞試驗中同體型比的四坡低矮房屋，(http://www.wind.arch.t-kougei.ac.jp)其風(fēng)洞試驗段寬2.2m，高度為1.8m且本試驗長度比例為1:100，風(fēng)速比例為1:3，以及時間比例為3:100，且假定的目標(biāo)建筑是按日本規(guī)范所指定的郊區(qū)風(fēng)場，即日本荷載規(guī)范AIJ(2004)中的Ⅲ類風(fēng)場，所以其平均風(fēng)速剖面指數(shù)為0.20，梯度風(fēng)高度為450m，10m高度處的來流紊流強(qiáng)度為25%，在試驗中此風(fēng)洞10cm高度處的風(fēng)速為7.5m/s，對應(yīng)實際建筑的設(shè)計基本風(fēng)速為22m/s.本文采用實際風(fēng)洞試驗體型為長240mm，寬160mm，以及高40mm，坡度為45°的四坡低矮建筑模型.

本文采用數(shù)值模擬方法，通過建立實際尺寸為24m×16m×4m的計算模型，且計算域取為360m×160m×60m，建筑模型位于流域沿流動方向上游1/3處，計算模型的阻塞率小于3%.本文基于雷諾時均方程N(yùn)-S方程和分別采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、Realizableκ-ε模型、RNGκ-ε模型，模型附近網(wǎng)格分布密集，遠(yuǎn)離模型的流域網(wǎng)格分布相對稀疏，網(wǎng)格數(shù)控制在14×106左右.選取0°與90°風(fēng)向?qū)δＰ瓦M(jìn)行分析，模型以及測點分布情況如圖1所示，選取模型中軸線以及典型測點數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.

圖1 低矮房屋試驗?zāi)Ｐ蜏y點以及風(fēng)向角示意圖Fig.1 Model and Wind direction and pressure tap distributions on the roof

由于日本東京大學(xué)風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)中已有相對應(yīng)位置的有關(guān)平均風(fēng)壓系數(shù)的統(tǒng)計，遂將模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行對比，同時為方便進(jìn)行對比，將計算結(jié)果換算成無量綱的平均風(fēng)壓系數(shù)Cp其中p為表面壓力，為大氣邊界層外緣氣流的壓力，為空氣密度，U為參考高度風(fēng)速.對比情況如圖2、圖3.此模型的建立通過采取不同湍流模型的計算結(jié)果與東京工藝大學(xué)風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.

由圖可見，通過對比顯示采用RNG模型在0°與90°來流時數(shù)值模擬結(jié)果能夠與風(fēng)洞試驗結(jié)果總體較好吻合，這源于RNG模型是來自嚴(yán)格的統(tǒng)計技術(shù)，相較于標(biāo)準(zhǔn)模型它在ε方程中增加了一個條件，從而有效地提高了精度.RNG模型考慮了湍流漩渦，提高了這方面的精度.RNG理論為為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，而標(biāo)準(zhǔn)模型使用的是用戶提供的經(jīng)驗常數(shù)［10］.這也表明RNGk-ε模型能更好地處理這種流動，本文所采用模型和參數(shù)對研究具有一定適用性.

圖2 模型中測點平均風(fēng)壓系數(shù)對比ig.2 Average wind pressure coefficients comparison along points of model

圖3 風(fēng)洞試驗平均風(fēng)壓系數(shù)與數(shù)值模擬平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.3 Mean wind pressure coefficients of wind tunnel test and Numerical simulation

2 檐口構(gòu)造對屋面風(fēng)壓影響研究

2.1 檐口外伸長度對表面風(fēng)壓的影響研究

基于對屋面檐口長度對屋面風(fēng)壓影響的分析，本文針對坡角為45°的低矮四坡房屋，增加檐口，且檐口高度與模型一致，根據(jù)國家關(guān)于挑檐規(guī)范02G08，挑檐外伸尺寸不低于600mm.本文模擬了挑檐外伸長度分別選取0.6m、1.0m、1.5m、2.0m，挑檐高度h各為0.5m、1.0m、1.5m以及當(dāng)風(fēng)向角為0°、45°以及90°風(fēng)角進(jìn)行分析，為了方便分析將屋面分為四個區(qū)域，如圖4所示.

圖4 帶挑檐房屋模型及屋面分區(qū)Fig.4 Area division of roof

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Computation model grid partition

圖6為三個不同檐口高度下，隨檐口長度增加表面風(fēng)壓變化曲線，從圖中可看出當(dāng)檐口高度為0.5m時，迎風(fēng)屋面1區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)隨挑檐長度增加，負(fù)風(fēng)壓減小，迎風(fēng)屋面1區(qū)最大負(fù)壓出現(xiàn)在0.6m工況下，最大值為-0.08，外伸長度達(dá)到1.5m時，屋面受到正壓，正壓最大出現(xiàn)在外伸長度為2.0m時，為0.17.背風(fēng)屋面3區(qū)在不同檐口長度平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，且與1區(qū)在圖形中呈對稱相反趨勢，而側(cè)風(fēng)屋面2區(qū)和4區(qū)，受挑檐長度的影響較小，且受到較大的風(fēng)吸力，兩個區(qū)域當(dāng)受到0°風(fēng)向時兩個屋面沿房屋中心線對稱，所以兩者平均風(fēng)壓系數(shù)非常接近.而在檐口高度在1.0m時，迎風(fēng)屋面隨挑檐長度增加，負(fù)風(fēng)壓整體趨勢減小，其余三個面在挑檐長度為1.0m時，曲線大幅度上揚(yáng)，三個區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值最小，從圖7中可看出在垂直風(fēng)的作用下，來流在模型迎風(fēng)面挑檐處生成兩個渦，在屋面上形成負(fù)壓區(qū)域，風(fēng)通過撞擊挑檐以及迎風(fēng)屋面發(fā)生分離，在背風(fēng)面發(fā)生再附現(xiàn)象，以及在房屋模型背后形成環(huán)流，以致背風(fēng)面受到撞擊，受到正風(fēng)壓，在其余長度下影響較小.當(dāng)檐口高度在1.5m時，迎風(fēng)屋面在外伸長度為0.6m時受到的負(fù)風(fēng)壓最小，為-0.13，迎風(fēng)屋面外伸長度呈增大趨勢，大小變化不大，在-0.22～-0.24之間，其余三個屋面面趨勢與迎風(fēng)屋面大致相同.

圖6 相同出挑高度不同外伸長度的影響Fig.6 The influence of different length of overhanging relative height

圖7 l=1.0m，h=1.0m房屋周圍風(fēng)場跡線圖Fig.7 l=1.0m，h=1.0m Trajectories of wind field around house

2.2 檐口豎向高度對表面風(fēng)壓的影響研究

基于對屋面檐口出挑高度對屋面風(fēng)壓影響的分析，模型與2.1相同，模擬了挑檐外伸長度各為0.6m、1.0m、1.5、2.0m，挑檐高度h分別選取0.5m、1.0m、1.5m進(jìn)行分析，屋面分區(qū)同樣如同圖4.

圖8分別為在外伸長度為l=0.6m、1.0m、1.5m、2.0m時，隨檐口高度增加表面風(fēng)壓變化曲線，從圖中可看出，當(dāng)外伸長度為0.6m時，迎風(fēng)屋面1區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)，且隨挑檐高度增加，負(fù)風(fēng)壓增大，迎風(fēng)屋面1區(qū)最大負(fù)壓出現(xiàn)在出挑高度為1.0m時，最大值為-0.16，其他三個區(qū)域都隨出挑高度增加呈現(xiàn)不同變化，側(cè)風(fēng)屋面因?qū)ΨQ性兩者變化趨勢以及大小基本相同，背風(fēng)屋面3區(qū)在不同檐口長度平均風(fēng)壓系數(shù)變化大，隨檐口高度增長，負(fù)風(fēng)壓減小，與迎風(fēng)屋面變化趨勢相反，且在高度為1.0m時，三個區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值最小.當(dāng)外伸長度為1.0m時，迎風(fēng)屋面平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)，且呈增大趨勢，而在當(dāng)挑檐高度到1.0m時，此時風(fēng)通過撞擊挑檐以及迎風(fēng)屋面發(fā)生分離，在背風(fēng)面發(fā)生再附現(xiàn)象，受到正風(fēng)壓.當(dāng)外伸長度為1.5m與2.0m時，迎風(fēng)屋面1區(qū)隨挑檐高度增加，負(fù)風(fēng)壓增大，其余三個區(qū)域因挑檐高度變化影響較小.

圖8 相同外伸長度不同出挑高度的影響ig.8 The influence of different h overhanging relative eight of length

2.3 不同工況對表面風(fēng)壓的影響研究

為深入研究挑檐外伸長度與豎向高度以及風(fēng)向角對房屋表面風(fēng)壓的影響，分別建立挑檐外伸長度l分別為0.6m、1.0m、1.5m、2.0m，出挑高度h分別為0.5m、1.0m、1.5m，共12個工況，如表1所示.

表1 計算模型工況Table 1 Parameters for different computational cases

風(fēng)向角分別為0°、10°、20°、30°、45°、90°，圖為不同風(fēng)向角下屋面各區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)變化情況，由于1區(qū)會由迎風(fēng)屋面逐漸過渡到側(cè)風(fēng)屋面，而側(cè)風(fēng)屋面4區(qū)逐漸變?yōu)橛L(fēng)屋面.

當(dāng)風(fēng)向角為0°時如圖9所示，不同檐口類型對屋面所分四個區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)Cp的影響，從圖中可看出1區(qū)即迎風(fēng)屋面區(qū)域在不同工況下受到的影響最為明顯，波動最為劇烈，在工況7和工況10處受到正壓，可見當(dāng)外伸長度達(dá)到1.5m以上時，挑檐外伸高度為0.5m已無法達(dá)到減弱阻擋來流撞擊能力的效果，且迎風(fēng)區(qū)域在工況8即挑檐外伸長度為1.5m與挑檐高度為1.0m時其平均風(fēng)壓系數(shù)Cp的絕對值為最小.同時由于2區(qū)和4區(qū)皆為側(cè)風(fēng)面，所以兩個區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)Cp變化趨勢以及大小基本相同.除迎風(fēng)屋面外，其他三個區(qū)域在工況5時即挑檐外伸長度與挑檐高度為1.0m時出現(xiàn)平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值為最小.當(dāng)風(fēng)向角為10°時，1區(qū)在不同工況下變化明顯，受到正壓的工況增多，工況2、4、5、7、10時均受到正壓，且迎風(fēng)區(qū)域在工況11時平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值最小，其他三個屋面均為負(fù)壓區(qū)，4區(qū)的變化最小，基本呈直線狀.當(dāng)風(fēng)向角20°時，迎風(fēng)區(qū)域正壓增大，4區(qū)背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值整體減小，變化不大，迎風(fēng)屋面在工況8時平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值最小，其他兩個區(qū)域較前面風(fēng)向角而言，變化幅度減小.當(dāng)風(fēng)向角為30°時，各工況1區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值進(jìn)一步減小，工況11所受到的風(fēng)壓最小，4區(qū)整體變化趨勢不大.

圖9 不同工況各區(qū)表面風(fēng)壓變化(0°)Fig.9 The surface wind pressure condition changes in different cases(0°)

圖10 不同工況各區(qū)表面風(fēng)壓變化(10°)Fig.10 The surface wind pressure condition changes in different cases(10°)

圖11 不同工況各區(qū)表面風(fēng)壓變化(20°)Fig.11 The surface wind pressure condition changes in different cases(20°)

圖12 不同工況各區(qū)表面風(fēng)壓變化(30°)Fig.12 The surface wind pressure condition changes in different cases(30°)

如圖13所示，在風(fēng)向角為45°時，可見風(fēng)向角以及不同檐口類型對屋面所分四個區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)Cp的影響，曲線變化不大，各區(qū)域風(fēng)壓受檐口構(gòu)造變化影響較小，數(shù)值相差不大，同樣從圖中可看出1區(qū)與4區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到最大值，即迎風(fēng)屋面區(qū)域受到的影響最為強(qiáng)烈，導(dǎo)致屋面風(fēng)壓增大，同樣加劇了背風(fēng)區(qū)域2區(qū)和3區(qū)所受負(fù)壓，由此看45°風(fēng)向角為最不利風(fēng)向角，且從圖中可看出，在工況11時，1區(qū)與4區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對值達(dá)到最小，在45°風(fēng)向角來流時，效果最佳.當(dāng)風(fēng)向角為90°時，迎風(fēng)屋面受到正風(fēng)壓，其余三個屋面均承受負(fù)壓力，屋面受挑檐構(gòu)造變化影響不明顯.且在工況12時，迎風(fēng)區(qū)域所受正壓力最小，從上各圖可看出，當(dāng)風(fēng)向角為45°與90°時，迎風(fēng)屋面所受風(fēng)壓遠(yuǎn)大于其他風(fēng)向角，在工程設(shè)計與建設(shè)中應(yīng)盡量避免此類風(fēng)向角.

圖13 不同工況各區(qū)表面風(fēng)壓變化(45°)Fig.13 The surface wind pressure condition changes in different cases(45°)

圖14 不同工況各區(qū)表面風(fēng)壓變化(90°)Fig.14 The surface wind pressure condition changes in different cases(90°)

由本文上述研究表明，在不同風(fēng)向角下不同工況呈現(xiàn)出其抗風(fēng)優(yōu)勢，0°風(fēng)向角是為工況8，10°風(fēng)向角時為工況11，20°風(fēng)向角時為工況8，30°風(fēng)向角時為工況11，，45°風(fēng)向角時為工況11，90°風(fēng)向角時為工況12，因此選取此6種工況深入研究.

圖15 不同工況下屋面及挑檐風(fēng)壓系數(shù)等值線圖Fig.15 Average pressure coefficient isoline of different model and coenice

從上面6個圖中可以看出屋檐不同程度地干擾了來流運(yùn)動，挑檐在不同風(fēng)向角時挑檐所受風(fēng)壓均遠(yuǎn)大于屋面風(fēng)壓，背風(fēng)屋面平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，且最大正風(fēng)壓均出現(xiàn)在迎風(fēng)挑檐處，數(shù)值在0.5～1.5之間，而屋面最大負(fù)風(fēng)壓均出現(xiàn)在背風(fēng)面屋脊處，負(fù)風(fēng)壓最大處平均風(fēng)壓系數(shù)Cp=-2.5，迎風(fēng)挑檐處以及背風(fēng)面屋脊處兩個部位是在今后的抗風(fēng)設(shè)計中要考慮的問題，提高兩處的風(fēng)載體型系數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理達(dá)到提高抗風(fēng)能力，減小兩處易損程度，同時又可對降低房屋表面風(fēng)壓起到顯著作用.

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法，對帶挑檐低矮四坡房屋屋面平均風(fēng)壓進(jìn)行了模擬，分別進(jìn)行了分析.通過對模擬結(jié)果的分析并總結(jié)，得到以下結(jié)論:

(1)低矮四坡建筑設(shè)置檐口對屋面的風(fēng)壓大小以及分布產(chǎn)生顯著影響，檐口構(gòu)造改變，各區(qū)域平均風(fēng)壓發(fā)生改變，能有效降低迎風(fēng)區(qū)域風(fēng)壓，且呈現(xiàn)規(guī)律性變化，設(shè)置挑檐對屋面抗風(fēng)較為有利.

(2)通過對不同工況的分析，在不同風(fēng)向下，配置檐口外伸長度為1/16D、1/12D，豎向高度為2/8H、3/8H，能起到降低屋面平均風(fēng)壓的絕對值效果，且外伸長度為1/16D，豎向高度為2/8H為最有利抗風(fēng)設(shè)計，可為低矮四坡建筑的抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計提供參考.

(3)帶挑檐低矮四坡建筑屋面風(fēng)壓隨風(fēng)向角的改變而改變，當(dāng)風(fēng)向角為45°與90°時屋面所受風(fēng)壓最大，在工程應(yīng)用中最為不利，在設(shè)計、施工中應(yīng)盡量避免.

(4)當(dāng)檐口外伸長度不變，隨檐口豎向高度增加，迎風(fēng)面風(fēng)吸力隨之增大，當(dāng)檐口豎向高度不變，h=1/8H、2/8H時，隨著檐口外伸長度的增加，迎風(fēng)面負(fù)風(fēng)壓減小.

(5)迎風(fēng)挑檐處與背風(fēng)屋脊處為受到風(fēng)壓最大部位，今后設(shè)計應(yīng)著重考慮增大兩處風(fēng)壓承載能力.

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8 焦燏烽，于英霞，陳水福.相鄰低層四坡屋面房屋在風(fēng)荷載下的相互干擾作用.四川建筑科學(xué)研究，2009，35(6):24～27(Jiao Y F，Yu Y X，Chen S F.Interference effects on wind loads on two low-rise hip roof buildings.Sichuan Building Science，2009，35(6):24～27(in Chiniese))

9 GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.(GB 50009-2012，Load Code for the Design of Building Structures.(in Chinese))

10 李鵬飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn).北京:人民郵電出版社，2011，124(Li PF，Xu M Y，Wang F F.Fluent gambit icem cfd tecplot.Beijing:Posts＆Telecom Press，2011，124(in Chiniese))

11 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures，American Society of Civil Engineers，SEI/ASCE 7-05，2005

12 諶勝，劉春川，李鳳名.基于CFD/CSD方法的亞音速平板結(jié)構(gòu)氣動彈性分析.動力學(xué)與控制學(xué)報，2013，11(4):363～368(Shen S，Liu CC，Li F M.Aeroelastic analysis of plate structures in subsonic air flow based on CFD/CSD algotithm.Journal of Dynamics and Control，2013，11(4):363～368(in Chiniese))

13 Ralph T M，Silvero P.A new parametric equation for the wind pressure coefficient for low-rise buildings.Energy and Buildings，2013，57(1):245～249

14 孫穎昊，周岱，陳怡然等.帶檐口曲面雙坡屋面風(fēng)壓數(shù)值模擬.空間結(jié)構(gòu)，2013，19(1):41～49(Sun Y H，Zhou D，Chen Y R et al.Numerical simulation of wind pressure on concave gable roof with cornice.Spatial Structures，2013，19(1):41～49(in Chiniese))