不同坡角低矮房屋风荷载的现场实测和风洞试验研究

我国沿海地区每年由于台风袭击造成大量人员伤亡和经济财产损失，其中低矮房屋在风灾中破坏所造成的损失超过风灾总损失的半数，改善建筑物外形是解决低矮房屋抗风问题的最有效途径。现场实测是研究结构风效应最直接和最可靠的研究手段，也日益成为结构抗风研究中非常重要的基础性和长期性的方向。为掌握我国东南沿海地区低矮房屋风荷载的作用机理，同时为建筑抗风设计提供依据，本课题组在上海浦东近海岸边建造了一座坡角可调的足尺低矮房屋及一座40米高测风塔，用于对该地区强风作用下近地风场特性以及结构屋盖风压特性进行研究，主要工作包括：(1)近地台风特性实测。基于季风以及2011年两次不同强度的台风“梅花”和“米雷”影响下的近地风实测数据，对上海沿海地区的近地台风特性进行了研究，研究了平均风速和风向、湍流度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和脉动风速功率谱等随高度的变化规律。（2）低矮房屋屋面风压实测研究。本实测项目是国内首个固定式低矮建筑现场实测研究项目，其最大特点是屋盖坡角可以在0～35°之间自由调节，可方便研究不同坡角对屋面风压的影响。基于该实测基地，对低矮建筑屋盖表面风压特性进行了详细的实测研究，得到了一系列实测结果，并与风洞试验结果进行对比。（3）实测屋面风压的概率特性研究。通常的风压极值估计方法均仅针对于风洞试验数据。基于屋面风压现场实测数据，首先分析了良态气候条件下低矮房屋屋面表面风压概率特性，然后探讨了各种极值计算方法对实测风压极值估计的可靠性，并对屋盖表面脉动风压的非高斯特性以及偏度和峰度等相关内容进行了系统的研究。（4）双坡屋面低矮建筑气动抗风措施现场实测研究。基于实测基地对低矮建筑模型的现场实测，研究了在屋面上架设0.3m高整长单侧板和0.3m高0.5m边长转角板，以及屋面边缘分离板三种不同形式的构造后，屋面平均风压系数和脉动风压系数的变化。研究发现这三种措施均能在一定程度上降低迎风屋面的风压。（5）低矮建筑屋面风荷载风洞试验研究及规范化应用。通过对11个坡度、3个高深比和3个宽深比的总共99个低矮建筑进行刚性模型风洞测压试验，给出计算屋面主体结构分区平均风压系数和围护结构分区最不利负风压系数，最后参照国外规范给出了中国建筑结构荷载规范计算屋面主体结构分区平均风压系数和围护结构分区最不利负风压系数的建议值。 2100433B

低矮房屋在风灾中破坏所造成的损失超过风灾总损失的半数，改善建筑物外形是解决低矮房屋抗风问题的最有效途径。通过对不同屋面坡脚的足尺低矮房屋风荷载和近地风特性的现场实测及风洞试验，深入研究各种坡脚低矮房屋的风荷载分布特征，并获得沿海地区近地风场的平均风和脉动风特性；结合相同外形低矮房屋的现场实测数据和风洞试验结果进行对比，分析影响低层建筑风洞模型试验结果精度的因素，改进风场模拟技术和风洞试验方法；深入分析各种屋檐构造特征（女儿墙、挑檐和檐口形状等）对低矮房屋风荷载的影响，提出有效的抗风措施；研究屋面关键部位（角部、边缘和屋脊）的脉动压力概率分布特性，提出峰值压力的合理估算方法；在上述研究的基础上，深入认识低矮房屋的风荷载作用机理和破坏机理，提出适合我国的低矮房屋抗风设计方法，提高我国沿海强台风区低矮房屋的抗风能力，显著减轻风灾损失。

采用现场实测、风洞试验和LBM模拟，研究近海山地区域的风场与低矮房屋风荷载。本项目拟在我国近海的3种典型山区地貌上，以既有典型2-7层低矮民宅和拟研制的1套可移动式2层足尺实验房为试验对象，建立近海山地风场和低矮房屋风荷载的现场实测基地、并进行实测，获取台风作用下近海山地的风场和低矮房屋风荷载特性。接着通过开展低矮房屋风荷载的风洞试验和LBM模拟研究，结合分形等数据分析方法，将现场实测结果与风洞试验和LBM模拟结果进行对比分析，根据总结出的相关规律和特征改进风洞试验和LBM模拟方法，以提高风洞试验和LBM模拟的准确性，并以此解决低矮建筑物风荷载研究的一些重要基础性问题，澄清一些目前尚不清楚的认识，为此类结构的抗风设计和以后规范中相关条文的修改、增加积累数据和提供参考。本项目成果对于提高我国近海山地区域低矮房屋的抗风能力、减轻风灾损失、提高城乡建设规划和低矮房屋建设的技术水平具有重大价值。

本项目主要研究构建一套能够满足低矮建筑物风荷载和复杂地貌的近地面风场状况实测研究需要、同原型尺寸基本相当、可移动的的模型房屋及测试系统。在台风登陆时将该系统布置在台风登陆地区开展实测研究，变被动的等待台风登陆为主动的寻找台风，创造开展实测研究的机会。重点研究强台风时近地面风场状况（风速剖面、湍流度剖面、功率谱等）和低矮房屋风荷载状况，获得具有工程意义和科学价值的实测数据。将近年来迅速发展的新方法和新技术应用于实测系统的建造和实测数据的分析，以获得更加准确和可靠的实测数据，发现低矮建筑物风效应的典型性特征。将现场实测、风洞试验、数值模拟等研究手段结合起来开展低矮建筑物抗风问题的研究，挖掘不同研究手段所获得结果的相似性特征，检验风洞实验和数值模拟方法的准确性和可靠性，进一步的改进风洞实验和数值模拟方法。提出在台风作用下低矮建筑物的等效风荷载确定的新方法，为低矮建筑物的抗风设计提供可靠的依据。 2100433B

本项目综合利用了现场原型实测，风洞实验，数值模拟，理论分析等多种研究手段，对典型的近海山地上典型低矮民宅和2层足尺实验房的抗风问题进行了系统、深入的研究，系统地获取了沿海典型山区地貌上近地面台风风场、风剖面的平均风速及风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱和湍流相关性等风场特性，多种典型低矮房屋表面的平均风压、脉动风压及峰值风压等的变化规律，以及复杂山区地貌对近地风场及低矮房屋风荷载特性的影响规律，并将现场实测结果与风洞试验和数值模拟结果进行对比分析，总结出相关规律和特征，并提出改进风洞试验和数值模拟的方法，为低矮建筑物的抗风设计提供参考和依据。 2100433B