李仁杰 （廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代社會(huì)的三大能耗中，建筑能耗占比高達(dá)40%以上[1]。目前，特別是在南方地區(qū)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，為降低建筑內(nèi)制冷能耗，大量建筑采用百葉窗遮陽(yáng)。除此之外，百葉常用于高層建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，起到裝飾作用，用于冷卻塔底部，起到散熱作用[2]。百葉窗結(jié)構(gòu)主要由并列多片小間隔斜置薄壁翅片組成，翅片多由輕質(zhì)合金制成，導(dǎo)致翅片具有較強(qiáng)的柔性和彈性，在一定風(fēng)速下會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)致振動(dòng)和變形甚至破壞[3]?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）給出邊棱處的裝飾條等突出構(gòu)件的局部體型系數(shù)取值，實(shí)際工程中若采用邊棱處突出構(gòu)件的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致非邊棱處突出構(gòu)件的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載過(guò)于保守，影響設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性[4]。

相關(guān)學(xué)者們對(duì)建筑百葉風(fēng)荷載進(jìn)行了諸多研究。張永飛等[5]基于剛性測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)大型間冷卻塔百葉窗風(fēng)荷載進(jìn)行研究，總結(jié)了百葉窗內(nèi)外表面風(fēng)壓分布規(guī)律，探究不同透風(fēng)率和風(fēng)速對(duì)其平均風(fēng)壓系數(shù)的影響。譚上飛[6]對(duì)幕墻風(fēng)荷載取值問(wèn)題、風(fēng)洞試驗(yàn)在幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)行討論，證明風(fēng)洞試驗(yàn)可以有效降低幕墻工程的抗風(fēng)成本。吳亞洲等[7]對(duì)遮陽(yáng)百葉的風(fēng)荷載進(jìn)行研究，探究防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)遮陽(yáng)百葉抗風(fēng)性能的提升效果。

綜上，相關(guān)研究多為風(fēng)速和透風(fēng)率對(duì)百葉風(fēng)荷載的影響，而百葉布置情況對(duì)百葉風(fēng)荷載的研究較少，且當(dāng)前規(guī)范對(duì)于建筑外立面百葉結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)仍有不足。因此，本文通過(guò)剛性測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)得到不同百葉間距和不同百葉與樓面間距下的并聯(lián)百葉的風(fēng)壓峰值和均方根值，分析百葉間距和百葉與樓面間距對(duì)風(fēng)壓的影響，并對(duì)比分析基于邊緣百葉計(jì)算所得風(fēng)荷載和試驗(yàn)風(fēng)荷載。

2 工程與實(shí)驗(yàn)概況

2.1 工程概況

為便于比較，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三組節(jié)段模型，如表1 所示，平面尺寸為30m×35m，高度為15m，百葉寬度a=75cm，間距s=1.0a、2.0a、5.0a，百葉與樓面間距d=0、1.0a，在百葉上、中、下外表面布置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)翅片上6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)概況

對(duì)百葉階段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)在CGB-1風(fēng)洞進(jìn)行，風(fēng)洞截面尺寸為4m×3m。采用剛性模型同步測(cè)壓技術(shù)測(cè)量風(fēng)荷載，剛性縮尺模型如圖1 所示，剛性模型幾何縮尺比為1:50。試驗(yàn)阻塞比為1.75%＜5%。

圖1 并聯(lián)百葉試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

每個(gè)模型都在風(fēng)速為10m/s均勻流場(chǎng)下進(jìn)行試驗(yàn)，風(fēng)向角如圖2 所示，逆時(shí)針每隔10°設(shè)置一個(gè)風(fēng)向角進(jìn)行測(cè)試，其中逆時(shí)針0°～180°風(fēng)向角為工況1、3、5 的迎風(fēng)風(fēng)向角，逆時(shí)針180°～0°風(fēng)向角為工況2、4、6的迎風(fēng)風(fēng)向角。

圖2 風(fēng)向角示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 百葉與樓面間距對(duì)風(fēng)壓的影響

圖3 為不同百葉與樓面間距的綜合風(fēng)壓峰值隨風(fēng)向角變化曲線，反映了百葉整體所受風(fēng)荷載。由圖3 可知，三個(gè)模型的綜合風(fēng)壓峰值隨風(fēng)向角變化規(guī)律相似，d=0.75m 工況（工況2、4、6）下的綜合風(fēng)壓峰值最大值均大于d=0m 工況（工況1、3、5）下的最大風(fēng)壓峰值最大值。尤其在模型二中，工況4 的最大風(fēng)壓峰值為工況3 最大風(fēng)壓峰值的2.45倍，說(shuō)明百葉與樓面間距的增大會(huì)使風(fēng)壓明顯增大。工況1、3、5 的最大綜合風(fēng)壓峰值出現(xiàn)在40°和140°風(fēng)向角附近，工況2、4、6 的最大綜合風(fēng)壓峰值出現(xiàn)在220°和320°風(fēng)向角附近，來(lái)流風(fēng)向與百葉所在樓面夾角為50°時(shí)百葉所受風(fēng)荷載最大，說(shuō)明該風(fēng)向角為最不利風(fēng)向角。

圖3 不同百葉與樓面間距的風(fēng)壓峰值分布曲線

3.2 百葉間距對(duì)風(fēng)壓的影響

為研究百葉間距對(duì)風(fēng)壓的影響，選取d=0m 的三個(gè)百葉間距不同工況（間距分別為0.75m、1.50m、3.75m）下的風(fēng)壓峰值進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示，分別取中間一個(gè)百葉、最左邊一個(gè)百葉和最右邊一個(gè)百葉得到三個(gè)風(fēng)壓曲線圖?？梢钥闯?，百葉間距對(duì)風(fēng)壓有顯著影響，由于百葉之間的遮擋作用，百葉間距越小遮擋作用越強(qiáng)。百葉風(fēng)壓越小，尤其是中間百葉在大多數(shù)風(fēng)向角下的風(fēng)壓峰值接近于0kPa，邊緣百葉受到的遮擋作用相對(duì)較小。對(duì)比不同位置的百葉最大風(fēng)壓峰值可以看出，中間百葉在三個(gè)工況下的最大風(fēng)壓均遠(yuǎn)小于邊緣百葉的最大風(fēng)壓，說(shuō)明中間葉片所受風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于邊緣葉片所受風(fēng)荷載。

圖4 不同百葉間距的風(fēng)壓峰值分布曲線

圖5 為不同百葉間距下的風(fēng)壓均方根值隨風(fēng)向角變化曲線，對(duì)比可知，風(fēng)壓均方根值基本呈現(xiàn)百葉間距越小，風(fēng)壓均方根值越大的分布規(guī)律，邊緣處百葉較為明顯地呈現(xiàn)出上述規(guī)律，但中間百葉規(guī)律不明顯。不同百葉間距下風(fēng)壓均方根值隨風(fēng)向角變化規(guī)律相似，中間百葉在來(lái)流風(fēng)向與樓面夾角10°（10°、170°）時(shí)風(fēng)壓均方根值較大，邊緣百葉在來(lái)流風(fēng)向與樓面夾角10°（左邊百葉為10°，右邊百葉為170°）和與樓面夾角80°（左邊百葉為80°，右邊百葉為100°）附近風(fēng)壓均方根值較大，在背風(fēng)風(fēng)向角（190°～350°）處，中間百葉的風(fēng)壓均方根值較為穩(wěn)定且基本不隨百葉間距變化，邊緣百葉的風(fēng)壓均方根值波動(dòng)幅度相對(duì)較大。

圖5 不同百葉間距的風(fēng)壓均方根曲線

3.3 風(fēng)壓對(duì)比分析

為證明采用邊緣處百葉的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)于保守，將試驗(yàn)所得整體風(fēng)壓與邊緣百葉計(jì)算所得風(fēng)壓進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示?；诠r1分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)風(fēng)壓為各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓疊加所得，計(jì)算風(fēng)壓為邊緣百葉風(fēng)壓與百葉數(shù)量的乘積?？梢钥闯觯筮叞偃~和右邊百葉計(jì)算風(fēng)壓在各風(fēng)向角下均大于試驗(yàn)風(fēng)壓，尤其在順風(fēng)向風(fēng)向角下，計(jì)算風(fēng)壓遠(yuǎn)大于試驗(yàn)風(fēng)壓，證明對(duì)于密排式百葉結(jié)構(gòu)，若采用邊緣百葉風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)于保守，經(jīng)濟(jì)性較差。

圖6 風(fēng)壓對(duì)比曲線

4 結(jié)論

采用剛性測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)百葉風(fēng)荷載進(jìn)行研究，并考慮了不同百葉與樓面間距和不同百葉間距對(duì)百葉風(fēng)壓的影響，主要結(jié)論如下。

①百葉與樓面間距為0.75m時(shí)的風(fēng)壓峰值大于百葉與樓面間距為0m 時(shí)的風(fēng)壓峰值，來(lái)流風(fēng)向與樓面夾角約為50°時(shí)百葉綜合風(fēng)壓取得最大值。

②百葉之間的遮擋作用明顯，百葉間距越小遮擋作用越強(qiáng)，百葉風(fēng)壓越小，中間百葉受遮擋作用較強(qiáng)，風(fēng)壓峰值較小，邊緣百葉受遮擋作用較弱，風(fēng)壓峰值較大。

③風(fēng)壓均方根值隨百葉間距減小而增大，來(lái)流風(fēng)向與樓面夾角10°和80°時(shí)風(fēng)壓均方根值較大。

④以邊緣百葉風(fēng)荷載計(jì)算百葉整體風(fēng)荷載結(jié)果遠(yuǎn)大于試驗(yàn)風(fēng)荷載，過(guò)于保守。