典型山体地貌下受山坡坡度影响的低矮房屋风荷载风洞试验研究

钟旻，李正农，*，邱敏，史文海，吴红华

(1.湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南长沙410082; 2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州325035)

典型山体地貌下受山坡坡度影响的低矮房屋风荷载风洞试验研究

钟旻1，李正农1，*，邱敏1，史文海2，吴红华1

(1.湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南长沙410082; 2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州325035)

通过风洞实验对三种典型山体地貌中低矮房屋的风压分布规律进行了研究，并与无周边时的低矮房屋风压分布状况进行了对比，重点讨论了低矮房屋在0°风向角下，随山坡坡度变化时平均风压系数、体型系数的变化规律，进而分析了低矮房屋在0°～90°风向角下的平均风压系数的变化趋势。结果表明:低矮房屋的风压分布受山体的坡度影响较为明显，其中背风墙面较为显著;随着山坡坡度的增大，屋面的平均风压逐渐由负压变为正压，山坡坡度β=90°时，背风屋面体型系数相对无周边时增大250%;某些部位(迎风墙面中线、背风屋檐、迎风屋檐)等处测点出现绝对值较大的平均风压系数，应在设计时引起注意;测点在不同风向角下的平均风压系数与山体环境有很大关系，在考虑低矮房屋设计时，应取最不利风向角下的风荷载进行计算。

低矮房屋;风荷载;风洞试验;山坡坡度

0 引言

在我国近海地区，山区占很大比例，许多低矮房屋建设在复杂的山区地带，由于地形地貌会造成风场的复杂变化，相对于平坦地貌其在台风作用下受损比率较大，其中尤其以二层以上的多层房屋受损最为严重。近年来，我国在低矮房屋风载特性方面的研究得到了重视和发展［1］，然而同发达国家相比，我国在低矮建筑抗风研究方面的投入及学术关注度比较低，特别是对近海山地等复杂地形上低矮房屋的风载特性研究甚少，所以需要进一步加强对低矮房屋抗风问题的研究。

已有文献［2-14］表明，有关低矮建筑风压特性的风洞试验研究一般只涉及单体和周边建筑物，如Katayama和Nishid［15］对规则排列的建筑物的相互影响进行了研究。而考虑周边环境，特别是山体对于低矮建筑风压特性影响的研究还比较少。Weng等对二维山脊的边界层风场进行了风洞试验研究，发现复杂地形的风速加速比与孤立山丘相比有所降低［16］;时凌琳［17］通过对三种不同体型参数组合(山高Hm，形状因子R，截面参数L)的山丘进行了数值模拟，研究了山丘周围的风场特性及其受山丘影响后低矮建筑表面风压分布。

综上所述，对于低矮房屋风压分布的研究主要集中在单体或者建筑群的研究，对于低矮房屋受周边山体干扰影响的风洞试验研究目前还较少涉及。本文通过风洞试验对3种典型山体地貌中低矮房屋的风压分布规律进行研究，并与无周边时的低矮房屋风压分布进行对比分析，以获得低矮房屋随山坡坡度变化的平均风压系数、体型系数变化规律。

1 试验概况

1.1 模型制作及测点布置

在湖南大学HD-3风洞中对典型山体地形下的双剖带挑檐低矮房屋模型进行测压试验。考虑到近海地区的特点，本试验模拟规范所划分的A类地貌进行试验。房屋原尺寸为7.1 m(长)×4.45 m (宽)，檐口高5.95 m，两边挑檐长度均为0.25 m，屋脊高6.83 m，双坡屋面的坡度为18.6°。模型的几何缩尺比确定为1:40，平面尺寸为0.177 5 m(长)× 0.11125 m(宽)，檐口高0.14875 m，屋脊高0.17075 m，挑檐长度0.00625 m。模型尺寸如图1所示。模型试验以试验房为中心进行风洞试验，试验房的四个墙面和屋面均布上测点，且屋檐处为双侧布点，测点总数为374，其中房屋主体四个墙面测点数202个，屋顶表面布置测点为130个，屋檐采用双面布点，屋檐内侧有42个测点，测点位置及编号如图2所示。

图1 全尺寸低矮房屋图(单位:mm)Fig.1 Dimensions of full-scale low-rise building(unit:mm)

图2 测点布置图Fig.2 Locations of pressure taps

1.2 试验工况介绍

试验中A类地貌下的风洞试验是以5°为增量，进行19个来流风向角下的风洞测压试验，风向角变化示意图如图3所示。试验时，0°表示正北方向。H代表实验房高度，Hm代表山坡高度，β代表山坡的角度、S代表房屋与山坡的间距，如图4所示。为了方便研究山坡度度对建筑风压的影响，统一选取S/H=0.4，Hm/H=2(低矮房屋距离山体0.0683m，山体高度为0.3415m)，山体情况为无周边、β=30°、60°、90°时低矮房屋风压进行分析，具体实验工况见表1所示。本试验各工况均满足阻塞率的相关要求。

图3 风向角示意图Fig.3 W ind direction

表1 试验工况Table 1 Test cases

图4 位置关系示意图Fig.4 Position of mountain

1.3 风场模拟

风洞试验风速为12 m/s。试验中近地A类地貌通过采用二元尖塔、挡板和粗糙元来实现，见图5(a)。图5(b)为风洞中按照上述布置得到的粗糙类别为A类风场的平均风速剖面和湍流度剖面。

图5 风洞中模拟的A类风场Fig.5 Simulated w ind field for terrain category of A

1.4 数据处理方法

本文将通过分析山坡坡度β变量的影响，得到低矮建筑受到不同的山地环境状况干扰时的风荷载特性，主要分析参数如下:

1)平均风压系数Cp，mean。瞬时风压系数定义为风在建筑表面引起的压力与来流参考高度未扰动风速压力的比值，计算公式如下:

平均风压系数计算公式如下:

式中，p(t)为实际风压值，pref为相对参考静压。ρ为试验时的空气密度，1.225kg/m3;Ur为来流在参考高度zr处的平均风速，其中参考高度为0.5m，相当于实际高度20m，高于山体模型的高度;N为测点采集风压总次数。

2)风荷载体型系数μs。本文的风洞试验中，由于参考点设置的原则要求对模型干扰足够小且能反映模型位置处的来流特性，故本试验参考点选为离风洞地板高度为0.5m处，在刚性模型的缩尺比为1∶40的情况下，与50 cm参考高度对应的实际原型风场中的离地面高度为20m。若和规范相对照，试验测出的风压系数均应被转换成局部体型系数，利用下式的变换可以得到结构表面的第i点的平均局部体型系数

其中，α是地面的粗糙指数，本文取A类地面粗糙指数0.12;zi为测点的高度;zr为参考点的高度。由于近地面处的风速变化较为复杂，依据规范的规定，式(2)的计算有其截断高度，在A类地貌下对应的截断高度为5m，式(2)不适用于5m以下测点局部体型系数的计算，应对其进行适当的修正。

3)影响系数。为了更好的分析山体对低矮房屋的影响，对低矮房屋进行无周边环境下的风压测试，引入影响系数来定量描述山体对低矮房屋的影响效应，公式如下所示:

其中μI和μA分别为受山体影响后和无周边情况下时低矮房屋的平均风压系数。

2 0°来流风向角下受山体影响的分析

2.1 表面风压分布规律分析

将各建筑表面在无周边、β=30°、60°、90°四种工况下的平均风压系数等值线图进行比较，图中相邻两根等值线的数值差为0.04。

如图6所示，0°来流风向角下，无周边干扰时，对于低矮建筑的迎风墙面，平均风压系数均为正值，受压力，且中间区域2/3高度处的正压力最大，在该区域气流形成了一个正面停滞区域，风速很小，压力最大。停滞区域的风压系数为0.42左右，气流以该停滞区域为中心向四周扩散，且这种停滞气流的作用越来越弱。当增加山坡坡度β=30°的山体时，迎风墙面平均风压系数与无周边情况的风压分布情况几乎一致，数值大小接近;当山坡坡度β=60°时，停滞区域相对β=30°时位置往上移动，数值较为接近，且边缘处的等值线递减现象没有山坡坡度β=30°时明显，边缘处的平均风压系数相对β=30°时有所增大，增幅为23%;当山坡坡度β=90°时，停滞区域相对山坡坡度β=60°时范围继续扩大且继续往上移动，边缘处等值线递减现象也没有山坡坡度β=60°时明显。

由图7可知，0°来流风向角下，无周边干扰时，背风墙面的平均风压系数为负值，且左右两侧的风压系数等值线向中间凹进。当气流受到建筑的阻扰后，一部分气流绕过建筑物的两侧向背后流去，在背风墙面两侧边形成一对方向相反的竖向涡。上下两侧的风压等值线也向中间凹进，这是由于背风墙面上下均产生了涡旋气流，上部分涡旋由于屋檐处分离的气流，下部分涡旋由屋面的剪切层产生的环流。增加了坡度β=30°的山坡后，背风墙面分布状况有所改变，但仍有竖向涡，平均风压系数仍为负值，且绝对值变小为－0.035，受轻微吸力。由图8(c)可知，当β=60°、90°时，背风墙面的平均风压系数为正值，从下往上依次递减，受到压力。当β=90°时，背风墙面底部区域平均风压系数值达0.5，相对β=60°的压力值增大138%。随着山坡坡度的增加，等值线变化越来越明显。综上所述，当山坡坡度β=30°时，山坡对建筑的两侧的平均风压影响不大。当β∈(30°，90°)这个区间时，背风墙面的平均风压系数值逐渐由负值变为正值，且平均风压系数绝对值随着山坡坡度的增加而增大，平均风压由吸力变为压力。

图6 迎风墙面风压系数等值线图Fig.6 W indward’s contour curves of mean w ind pressures

图7 背风墙面风压系数等值线图Fig.7 Leeward’s contour curves of mean w ind pressures

由图8可知，0°来流风向角下，无周边干扰时，侧面的风压系数为负值，平均风压为吸力，右上角靠近迎风墙面处有最大的平均风压系数，达－0.46左右。增加坡度β=30°的山坡后，侧面的平均风压系数绝对值总体减小，仅为无周边工况时的50%。当山坡坡度β=60°时，建筑侧面的风压系数变成正值，为轻微的正压，面上整体的平均风压系数均较小，为0.044左右;山坡坡度β=90°时，平均风压为压力，平均风压系数分布与山坡坡度β=60°时有较大的不同，中部区域的平均风压系数达0.2左右。

由图9可知，0°来流风向角下，无周边干扰时，屋面的平均风压系数均为负值，靠近迎风屋檐处的平均风压系数最大，沿着风速的方向依次递减。当增加了山坡坡度β=30°的山体时，屋面的平均风压系数绝对值较无周边工况有所减小，减小幅度为43%，在靠近背风屋檐处的平均风压系数分布相对无周边时变化更加平稳，其值保持在-0.15左右;当山坡坡度β= 60°时，除屋檐前缘部位，其余区域的平均风压系数均为很小的负值－0.05，平均风压为很小的负压。当山坡坡度β=90°时，屋檐前缘处的平均风压为很小的正压，其余部分的压力也随着山坡高度的增加而增大，风压系数值在0.2左右，且没有出现气流明显凹进的现象，整体分布较为规整。从图中可知，随着山坡坡度的增大，屋面由较大的负压变为较小的正压。

综上，当建筑后方有山坡干扰时，随着山坡坡度的增大，屋面的平均风压逐渐由负压变为正压。屋檐前缘的平均风压系数绝对值减小，所受负压减弱，其余部分的负压逐渐减小，直至变为正压。

图8 侧面风压系数等值线图Fig.8 Sideward’s contour curves of mean w ind p ressures

图9 屋面的风压系数等值线图Fig.9 Roof’s contour curves of mean w ind pressures

2.2 低矮房屋关键测点风压系数变化规律分析

选取低矮房屋模型中线及左右边缘处的测点，如图10所示，对0°来流风向角下，测点平均风压系数随着山坡坡度的变化进行详细的分析，揭示其规律。

在0°来流风向角下，山坡坡度β=60°时，由图11(a)可知，迎风墙面各测点的平均风压系数相差很小，而其它工况时，中线测点A5、D5、G5相对其它测点的平均风压系数要大，其中无周边时相差最为明显。无周边时，中间测点A5相对边缘测点A9平均风压系数增大了500%;当山坡坡度β=30°时，中间测点A5相对边缘测点A1平均风压系数增大了153%;山坡坡度β=30°、90°相对无周边时中线测点的平均风压系数有所减小，而两边缘处测点的平均风压系数有所增大，与中线测点的差值减小。

图10 代表测点分布示意图Fig.10 Locations of representative pressure taps

图11 不同工况下代表性测点平均风压系数变化图Fig.11 M ean w ind pressures coefficient of representative pressure taps in different cases

由图11(b)可知，迎风屋面各测点的平均风压系数相差很小，在其它工况下，中线测点相对边缘处的平均风压系数要大。在无周边时，随着山坡坡度的增大，迎风屋面中线测点WA20、WC20、WE20有较大负值，平均风压系数增大，尤其是迎风屋檐处测点WA20，无周边时平均风压系数为－1.3，当山坡坡度β=60°时增大至0.2，边缘处测点的平均风压系数随山坡坡度的增大变化较为复杂，但总体来说中线处测点的平均风压系数的绝对值相对边缘处要大，其中，中间测点WA20相对边缘测点WA26平均风压系数增大了85.7%。

由图11(c)可知，背风屋面各测点的平均风压系数相差很小，背风屋面中间测点WC7和背风屋脊中间测点WE7受山体的影响较为显著;无周边时，中间测点WE7相对边缘测点WE1平均风压系数绝对值增大了200%;当山坡坡度β=90°时，中间测点WE7平均风压系数为0.28，边缘测点平均风压系数为0.01。无周边时两测点的平均风压系数有较大的负值，增设山坡以后，随着山坡坡度的增大，平均风压系数逐渐增大，当β=90°时，平均风压系数出现较大的正值，图13(d)可知，随着山坡坡度的增加，背风墙面受山体的影响较为明显，面上所有测点的平均风压系数均有所增大，且测点数值相差较小。

由图11(e、f)可知，低矮房屋模型左右两侧面测点的平均风压系数在不同工况下变化趋势较为相似。无周边时，左侧墙面边缘测点A14、D14、G14和右侧墙面测点A24、D24、G24相对其他测点的平均风压系数要大。无周边时，左侧墙面中间测点G12平均风压系数相对边缘测点G14平均风压系数绝对值增大了57.1%，右侧墙面中间测点G26相对边缘处测点G24的平均风压系数绝对值增大了47.9%。增加山坡以后，三种工况下测点的平均风压系数较为接近，其中山坡坡度β=60°、90°时平均风压系数较为接近，而山坡坡度β=30°时与β=60°、90°时平均风压系数相差较大。

2.3 体型系数相对无周边变化规律分析

我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)［18］中表8.3.1风荷载体型系数的第2、24项提出了封闭式双坡屋面、靠山封闭式双坡屋面风荷载体型系数的规定，为了验证风洞试验结果的可靠性和准确性，取低矮房屋在0°风向角下，无周边、β=30°、60°、90°时风洞试验计算得到的体型系数与规范值进行对比，低矮房屋的坡度为18.6°，将规范规定的体型系数进行线性插值，得到房屋坡度为18.6°时的体型系数，对比情况如表2所示。

文献［19］结论表明，挑檐的存在对墙面的体型系数基本没有影响，对屋面的体型系数有一定的影响，由于本实验的低矮房屋为带挑檐的屋面形式，而规范为无挑檐屋面形式，故在对屋面体型系数对比时，没有考虑挑檐上测点对屋面体型系数的作用。

表2 体型系数值对比表Table 2 Com parison of shape coefficient

由表2可知，通过风洞试验得到的体型系数绝对值基本处于规范绝对值以内，由于规范可以起到很好的参考和指导的作用，风洞试验值与规范值较为接近，可以进一步证实风洞实验的可靠性。

为了更加全面宏观地研究低矮房屋建筑表面受山坡坡度的影响，对各个建筑表面的体型系数的影响系数(具体公式见公式(4)所示)进行对比分析。取风向角为0°、S/H=0.4、Hm/H=2时，山坡坡度β= 30°、60°、90°三种工况时的体型系数进行分析，如图12所示。

图12 影响系数变化图Fig.12 Change of influence coefficient

由图12可知，山体对迎风墙面的影响总体较小。随着坡度的增大，受山体的影响增大。当β=90°时，影响系数有最大值15.6%。

随着山坡坡度的增大，迎风屋面、背风屋面影响系数变化趋势较为相近，β=90°时，迎风屋面有最大的影响系数174.42%，背风屋面有最大的影响系数241.2%，背风面受山体的影响较其他建筑表面更加明显。背风墙面，影响系数有所增大，其中当坡度角β=30°、60°、90°时，影响系数最大值分别为81.4%、167.4%、251.2%。表明山坡坡度从30°增至60°时，影响系数明显增大。而左侧墙面与右侧墙面受山体的影响非常接近，当β=90°时左侧墙面有最大影响系数146.4%，右侧墙面有最大影响系数144.9%。

3 典型测点在不同风角下受山体影响分析

为了反映建筑表面测点随风向角的变化情况，取迎风墙面中间测点D5，侧面中间测点D12，背风墙面中间测点D19，迎风屋面屋檐中间测点WA20，背风屋面屋檐中间测点WA7，对各面测点不同工况下平均风压系数随风向角的变化规律进行分析。

由图13(a)可知，随着风向角的增大，迎风墙面测点的平均风压系数均逐渐减小，有周边时减小的幅度相对无周边情况时越大，说明不论风向角如何变化，小坡度的平均风压系数几乎不随坡度的变化而变化。这是因为小坡度范围内的变化不会引起气流流态的改变，整个屋盖上总的升力系数不会有明显的改变。当山坡坡度β=30°时，风向角在0°～30°时与无周边时较为接近，当山坡坡度β=60°时，风向角在0°～45°时与β=90°较为接近。由图13(b)可知，迎风屋檐的平均风压系数由负值逐渐变成正值，无周边情况下，平均风压系数相对有周边时绝对值增大，山体的存在减小了迎风屋檐测点的负压，随着山坡坡度的变化，平均风压系数变化符合一般规律。当风向角接近90°时，四条曲线聚拢在一起，说明此时受山坡的影响不大。

由图13(c)可知，随着风向角的增大，在无周边情况下，背风屋檐处测点的平均风压系数变化很平稳，即受风向角的影响较小;在有周边情况下，平均风压系数均呈现先增大后减小的趋势，风向角在40°～60°时有最大正风压系数。背风屋檐测点随着山坡坡度的变化规律相对迎风屋檐处不明显，说明背风屋面受风向角的影响较大。由图13(d)可知，背风墙面测点的平均风压系数变化较平稳;受山体影响后，背风墙面平均风压系数随风向角的变化更加显著，部分工况从正压变为负压。在不同山坡坡度下，变化趋势一致但不同工况下数值相差较大，说明背风墙面受山坡坡度变化影响明显。

图13 不同风向角下代表性测点平均风压系数值Fig.13 M ean w ind pressures coefficient of representative pressure taps in different w ind angle

由图13(e)可知，在无周边情况下，随着风向角的增大，左侧墙面测点的平均风压系数呈现先减小后增大的趋势，最小负压出现在5°风向角时，受吸力作用，随着风向角的增大，平均风压系数逐渐增大，变为正压，不同工况下的平均风压系数相差较小，90°风向角下不同工况的平均风压系数较为接近，说明随着风向角的增加，低矮房屋受山体参数变化影响减弱。由图13(f)可知，右侧墙面测点的平均风压系数为负值，绝对值有所减小。受山体影响后，随着风向角的增大，平均风压系数呈现先减小后增大的趋势。当风向角在55°、山坡β=30°时平均风压系数有最大的负值－0.45。

4 结论

本文进行了近海多种典型山体地貌中低矮房屋缩尺模型的风洞测压试验，重点研究了受山坡坡度因素影响下低矮房屋表面风压分布状况，得到如下结论:

1)在0°风向角下，随着山坡坡度的增加，低矮房屋表面的平均风压系数分布受山体的影响越来越明显。其中，对低矮房屋背风墙面的影响较为明显。

2)随着山坡坡度的增大，背风屋面、背风墙面、左右侧墙面的平均风压系数逐渐增大;对于某些关键部位，如迎风墙面、迎风屋面、背风屋面、背风墙面中线测点的平均风压系数绝对值相对边缘处要大，这可能会产生相对建筑表面其他部位更大的风压，设计时应考虑这些局部风压较高的部位，引入局部风压系数，避免房屋的局部失效。

3)从各个面的影响系数变化趋势可以看出，当山坡坡度β=90°时，背风屋面体型系数的影响系数最大值达250%，影响系数从大到小依次为背风屋面、背风墙面、迎风屋面、迎风墙面、左侧墙面、右侧墙面，其中右侧墙面的影响系数在不同山坡坡度时数值均较小，在17.5%以内。

4)平均风压系数大小与风向角有很大关系，其中，迎风屋面在0°风向角下、无周边干扰时有平均风压系数负压的极值－1.15，因此，在考虑低矮房屋设计时，应取最不利风向角下的风荷载进行验算。

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W ind tunnel test on w ind load of low-rise buildings in typical mountain landform:analysis of hillside slope effects

Zhong Min1，Li Zhengnong1，*，Qiu Min1，Shi Wenhai2，Wu Honghua1
(1.Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency，Ministry of Education，Hunan University，Changsha 4100821，China;2.School of Architectural and Civil Engineering，Wenzhou University，Wenzhou 325035，China)

The wind pressure distribution of a low-rise building model in three typical mountain terrains alone coastal area are studied by wind tunnel experiment.At the same time，comparison with the wind pressure distribution of low-rise building without surrounding buildings is presented.The study mainly focuses on the variation of average pressure coefficient and shape coefficient with the change of hillside slope under wind attack of 0°，then the trends of average wind pressure coefficients of low-rise building under wind attack of 0°～90°is analyzed.It is founded that the pressure distribution of low-rise building is affected by the slope of the mountain significantly，especially the leeward side;With the hillside slope increases，the average pressure increases gradually from negative to positive，shape coefficient of leeward roof many increase up to 250%compared with low-rise building without surrounding buildings.Some parts，such as windward midline，leeward roof and windward roof，should be paid more attention in the design because of their larger absolute value of the average pressure coefficient.There are some remarkable relationship between mean pressure coefficient under different wind angles and mountain environment.The most unfavorable wind angle of wind load calculations should betaken into consideration of the design for low-rise housing.

low-rise building;wind load;wind tunnel experiment;hillside slope

TU973.213;TU317.1;TU317.2

Adoi:10.7638/kqdlxxb-2014.0135

0258-1825(2016)05-0687-09

2015-02-29;

2015-05-26

国家自然科学基金(51178180，51278190，51478179)

钟旻(1988-)，女，博士研究生，主要从事建筑抗风研究.E-mail:happysophia2010@sina.com

李正农*(1962-)，男，博士，教授，主要从事建筑抗风研究.E-mail:zhn88@263.net

钟旻，李正农，邱敏，等.典型山体地貌下受山坡坡度影响的低矮房屋风荷载风洞试验研究［J］.空气动力学学报，2016，34(5): 687-695.

10.7638/kqdlxxb-2014.0135 Zhong M，Li Z N，Qiu M，et al.Wind tunnel test on wind load of low-rise buildings in typical mountain landform:analysis of hillside slope effects［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(5):687-695.