1、 博士学位论文 中国东南沿海地区特色民居的 风荷载特性研究 国家科技支撑计划课题（2006BAJ06B05, 2008BAJ08B14） 姓 名： 赵雅丽 学 号： 0510020060 所在院系： 土木工程学院桥梁系 学科门类： 土木工程 学科专业： 风工程 指导教师： 顾明 副指导教师：全涌 二一一年六月 A dissertation submitted to Tongji University in conformity with the requirements for the degree of Master of Science June, 2011 Can di dat e: Y
2、 al i Z ha o Student Number: 0510020060 School/Department: School of Civil Engineering Di sci pl i n e: Ci vi l E n gi n e eri n g Major: Wind Engineering Supervisor: Prof. Ming Gu Co-supervisor: Assoc-Prof. Yong Quan Study on Wind Loads on Charateristic Residential Building in Chinese South-east Co
3、astal Area Supported by the National Key Technology R&D Program 中 国 东 南 沿 海 地 区 特 色 民 居 的 风 荷 载 特 性 研 究赵 雅 丽同 济 大 学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；
4、在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日同济大学 博士学位论文 摘要 I 摘要 我国是一个风灾多发的国家，尤其是东南沿海更是台风频袭。风灾中低矮 建
5、筑破坏造成的损失超过风灾总损失的半数以上。全面深入地研究低矮房屋表 面的风荷载分布特性，可为建筑抗风设计提供重要依据以及为建筑结构规范修 订提供参考数据。本文在大量低矮房屋的风洞试验的基础上，分析了具有中国 特色的民居双坡屋面系列、平屋面系列、四坡屋面系列以及三种典型山墙 表面的平均风压及脉动风压分布特性及影响因素，并进一步讨论了屋面风压的 非高斯特性及风压极值的分布规律。本文主要进行了以下几方面的工作： 1、从风洞模型试验、全尺寸现场实测以及计算机模拟三个方面综述了当前 低矮房屋的风载荷特性的研究成果以及目前各国荷载规范中关于低矮房屋风载 荷的规定。 2、介绍了双坡屋面系列、平屋面系列、四坡
6、屋面系列共 13个中国特色典 型低矮房屋的刚性模型风洞试验概况，并讨论了各种屋面的风压平均值和脉动 值的分布特征，分析了湍流度和挑檐、女儿墙等附属结构对屋面风压分布的影 响以及屋面典型测点的风压系数随风向角的变化规律。 3、分析了三种典型山墙自身的表面风压分布规律以及对屋面风压分布的影 响规律。首先研究了山墙自身的表面风压平均值和脉动值的分布特征以及湍流 度和风向角的影响；然后讨论了山墙形式对屋面平均风压和脉动风压的影响； 最后分析了山墙对挑檐风压分布的影响。 4、对低矮房屋的屋面风压的非高斯特性进行了研究。首先研究了双坡屋 面、平屋面风压的概率分布特性。然后讨论了屋面风压的非高斯特性以及空间
7、 相关性；最后用四种常见的概率分布函数对屋面典型区域的风压系数进行了拟 合，得到了典型低矮房屋的屋面风压的概率分布规律。 5、对屋面风压极值分布规律研究。首先介绍了 6种常见的极值计算方法， 并根据试验数据处理结果的比较以及风压的非高斯特性分析挑选出最准确合理 的风压极值计算方法。在此基础上，对低矮房屋的屋面风压极值分布规律进行 了详细的对比分析。 关键词：低矮房屋，风洞试验，风压系数，非高斯性，极值风压 Tongji University Doctor of Philosophy Abstract II ABSTRACT China is a country with frequent oc
8、currence of storms, particularly along the southeast coast typhoon attacking more frequently. Over half of the losses in wind storms were caused by damage to low-rise buildings. The in-depth study on load distribution characteristics of low-rise building can provide an important reference to wind-re
9、sistant design, and provide reference data for the structure code and standard revision. On the basis of wind-tunnel experiments, the wind load characteristics of Chinese residences, such as the series of gable roof, flat roof, hip roof and three typical chinese architectural gables, were analysed i
10、n this paper. And the Non-Gaussian features and extreme value of wind load on building were further discussed. The research includes the following aspects: 1. The current research results of wind load characteristics on low-rise building were introduced from the wind-tunnel experiments, full-size fi
11、eld measurement and computer simulation aspects. And the national wind load code/standard of low-rise building was described in this paper. 2. The wind tunnel experiments on thirteen typical chinese style low-rise building models were researched. The characteristics of average wind pressure distribu
12、tion and fluctuating wind pressure distribution were disscussed. The effects of several factors on wind pressure distribution were analyzed, such as the turbulence intensity, eaves, parapet etc. The variation of wind pressure coeffient with angle of wind direction was deduced. 3. The wind tunnel exp
13、eriments were developd on three typical gable. Fistly the distribution characteristic of average and fluctuating wind pressure on the gable surface were researched. The effects of turbulence intensity and angle of wind direction were analyzed. Then the effects of gable on the average, fluctuating wi
14、nd pressure distribution on the roof and the wind pressure distribution on eaves were discussed. 4. The Non-Gaussian characteristics of wind pressure on low-rise building were described. Firstly, the probability distribution of wind pressure on gable roof and flat roof was researched. Then the Non-G
15、aussian characteristics and spatial correlation of wind pressure on the roof was analyzed. The wind pressure coefficients of typical area on the roof were fitted with four common probability distribution function. Then the Tongji University Master of Philosophy Abstract III probability distribution
16、of wind pressure on low-rise building was concluded. 5. Study on extreme value distribution of wind pressure. Firstly six common calculation method of extreme value were introduced. Base on the former experiment result and the Non-Gaussian characteristic research results of wind pressure, the calcul
17、ation method which is fitting the experiment data most accurately was selected. Then the wind pressure extreme value distribution on low-rise building was analyzed in detail. Key Words: low-rise building, wind tunnel experiment, wind pressure coeffient, Non-Gaussian characteristic, wind pressure ext
18、reme value 同济大学 博士学位论文 目录 IV 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 低矮房屋的风灾破坏及主要特征 1 1.2 低矮房屋的风洞模型试验 2 1.2.1 建筑外形及屋面形式对风载荷特性的影响 . 3 1.2.2 屋檐构造和覆盖材料对风载荷特性的影响 . 6 1.2.3 房屋开洞对风载荷特性的影响 . 9 1.2.4 周围环境及建筑物之间相互干扰对风荷载特性的影响 11 1.2.5 低矮房屋屋面风压极值及脉动风压的研究 12 1.3 低矮房屋在自然风环境下的全尺寸现场实测 15 1.3.1 屋檐形式对屋面风压分布的影响 15 1.3.2 对开洞低矮房屋净风压的全尺寸现场
19、实测 16 1.3.3 对低矮房屋的脉动压力的全尺寸现场实测 20 1.3.4 专家系统数据库 22 1.4 低矮房屋风载荷的计算机数值模拟研究 22 1.4.1 新技术和新型数学工具在风工程领域的应用 22 1.4.2 标准建筑模型以及绕流场数值模拟 23 1.5 规范情况 24 1.6 当前研究的不足 27 1.7 本文的研究目的和主要工作 27 第 2 章 风洞试验概况及屋面风压分布特征 . 29 2.1 引言 29 2.2 课题背景与风洞试验 29 2.2.1 风洞设备与测量系统 30 2.2.2 大气边界层风场的模拟 31 2.2.3 试验模型 32 2.2.4 试验数据处理 36
20、2.3 试验数据可靠性验证 36 同济大学 博士学位论文 目录 V 2.4 双坡屋面风压分布的基本特征和影响因素分析 37 2.4.1 平均风压系数分布 37 2.4.2 脉动风压系数分布 40 2.4.3 不同屋面类型典型点风压系数的比较 42 2.4.4 湍流度对屋面风压系数的影响 44 2.4.5 屋檐形状对典型部位风压系数的影响 45 2.5 平屋面风压分布的特征 47 2.5.1 平均风压分布 47 2.5.2 脉动风压分布 50 2.6 四坡屋面风压分布特征和风场湍流的影响 52 2.6.1 平均风压分布 54 2.6.2 脉动风压分布 58 2.6.3 典型测点风压的特征 61
21、2.6.4 湍流度的影响 67 2.7 本章小结 71 第 3 章 山墙风压分布规律以及山墙形式对屋面风压分布的影响 . 75 3.1 引言 75 3.2 山墙表面的风压分布特性 76 3.2.1 平均风压分布 76 3.2.2 脉动风压分布 80 3.2.3 风向角对山墙表面风压的影响 82 3.2.4 湍流度对墙面风压的影响 84 3.3 山墙对屋面风压分布特征的影响 86 3.3.1 平面风压分布 86 3.3.2 山墙对屋面的脉动风压的影响 91 3.3.3 山墙对屋檐的影响 94 3.4 本章小结 96 第 4 章 低矮房屋的屋面风压的非高斯特性研究 . 98 4.1 引言 98 4
22、.2 风压的概率分布特性 98 4.2.1 风压的高斯性与非高斯特性的数学描述 98 同济大学 博士学位论文 目录 VI 4.2.2 风压的概率密度分布 . 100 4.3 非高斯特性与风压的空间相关性 107 4.4 屋面风压的概率分布 1 13 4.4.1 双坡屋面 . 115 4.4.2 平屋面 . 121 4.5 本章小结 123 第 5 章 低矮房屋屋面极值风压计算方法及分布特特性研究 . 125 5.1 引言 125 5.2 常用极值估算方法介绍 125 5.3 不同极值估算方法计算结果比较 129 5.3.1 各种极值估算方法的误差比较 . 129 5.3.2 各风向角下的最不利
23、风压系数误差率比较 . 131 5.3.3 两种计算方法下极值分布特征比较 . 134 5.3.4 两种计算方法下最不利极值分布的比较 . 136 5.4 屋面风压极值分布特征 138 5.4.1 最不利风向角下的风压极值分布特征 . 139 5.4.2 双坡屋面系列最不利极值分布特征 . 141 5.4.3 平屋面系列最不利极值分布特征 . 142 5.4.4 四坡屋面系列最不利极值分布特征 . 143 5.5 本章小结 145 第 6 章 结论与展望 . 148 6.1 结论 148 6.2 进一步工作的方向 150 致谢 . 152 参考文献 . 153 附录 A . 160 附录 B
24、183 同济大学 博士学位论文 目录 VII 附录 C . 185 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 190 第 1章 绪论 1 第1章 绪论 1.1 低矮房屋的风灾破坏及主要特征 风灾是自然灾害中影响非常广泛的一种，其中尤以台风的破坏力最大、造 成的损失最为严重，常给人类生命财产带来巨大的损失。如 1991年日本的 9119 号台风，造成 5675 亿日元的经济损失 1 ，2005 年 8 月，肆虐的美国路易斯安娜 州的“卡特里娜”飓风是历史上造成损失最大的飓风之一，共有 1000 多人死 亡，经济损失高达 900多亿美元 2 ；2008年 5月，强热带风暴“纳尔吉斯”席卷 整
25、个缅甸，共造成约 10多万人死亡和失踪。 我国是一个风灾发生较为频繁的国家，东南沿海频遭台风袭击，造成了巨 大的经济损失。1994 年 17 号台风 3 在浙江温州登陆，给该地区造成巨大损失， 倒塌和损坏民屋 80多万间，死亡 1000多人，直接经济损失 108亿人民币。2006 年 7 月强热带风暴 “碧利斯”横扫南方六省，使 2833.5 万人受灾，216 人死 亡，149 人失踪，26.2 万间房屋倒塌，30.7 万间房屋损坏，直接经济损失 200.4 亿元 4 。2008 年 9 月，“黑格比”台风在广东省登陆，致使广东、广西、云 南、海南四省受灾，倒塌房屋四万多间 5 。 风荷载是建
26、筑结构的重要结构设计荷载之一。多次的风灾调查表明，低矮 建筑破坏造成的损失超过总损失的半数，风灾中量大面广的低矮房屋的毁坏、 倒塌及其带来的人员伤亡是造成风灾损失巨大的主要原因 3 。自二十世纪七、 八十年代至今，低矮房屋的风荷载问题受到了风工程工作者和建筑师们的极大 关注。 世界上大部分的结构属于低矮建筑物，包括居室、厂房、商业建筑及公共 建筑等。在我国，通常人们把高度在 1520米以内的 16层的各类建筑称为低 矮房屋。它们在建筑风格、屋盖形式、平面布置上千差万别，建造场地风场条 件也各不相同。 从风灾调查结果可以看出 3 ，低矮房屋的破坏往往是从表面维护体系，尤 其是屋盖体系的破坏开始的
27、。风灾过后房屋受损严重，主要有四种破坏特征： 屋盖受损严重，甚至整个屋盖被风吹走（见图 1. 1(a)）； 侧墙被风吹倒导致房屋倒塌（见图 1. 1(b)）； 屋檐、山墙的顶边、屋盖角部和女儿墙的破坏（见图 1. 1(c)）； 木结构的房屋维护结构，尤其是屋盖和门窗遭到严重破坏（见图 1. 1(d)）。 同济大学 博士学位论文 中国东南沿海地区特色民居的风荷载特性研究 2 (a)屋盖覆盖材料全部刮走 (b)屋盖及墙体全部损坏 (c)屋盖挑檐破坏 (d)门窗及墙体破坏 图 1. 1 风灾破坏主要特征（http:/ 由于低矮房屋的刚度一般比较大，在风荷载作用下发生较大幅度振动的可 能性较小（大跨、
28、柔性屋面除外），因此其结构风致动力响应不是主要问题，改 善建筑物的外形以减小外加风荷载，尤其是屋盖体系所受的风荷载才是解决低 矮房屋抗风问题的最有效途径。要做到这一点，首先必须了解低矮房屋的风荷 载特性，尤其是屋盖体系的风荷载特性。在过去的四十年中，有关低矮房屋风 荷载特性的研究主要借助于三种手段：一是风洞试验，二是全尺寸现场实测， 三是计算机数值模拟（CFD方法）。 1.2 低矮房屋的风洞模型试验 1893年丹麦的 Irminger和 V ogt首次进行了建筑物的风洞试验；20世纪早期 的风洞试验都是在喷气式风洞中进行的，试验风场为均匀场，没有对大气边界 层的特性进行完全的模拟。直到 195
29、8 年丹麦的 Jensen 6 提出，研究气流现象的 正确模型试验应在湍流边界层中进行，并与 Davenport在加拿大西安大略大学建 立了最早的边界层风洞。 到目前为止，风洞试验一直是研究各种建筑物风荷载特性的应用最广泛、第 1章 绪论 3 最成熟的实验手段，并为世界各国制定风荷载规范提供基础数据。应用风洞试 验的研究内容的文献也是最多、最全的。内容涵盖了建筑外形、屋面形式、屋 面构造及其覆盖材料对建筑物表面的风压分布的影响，群体干扰对低矮房屋表 面风压的影响，房屋开洞对建筑物内、外压的影响以及风压极值和准定常理论 应用的研究等。 1.2.1 建筑外形及屋面形式对风载荷特性的影响 低矮房屋的
30、建筑外形和屋面几何形式，包括房屋的高宽比、平面尺寸、屋 盖坡度，屋盖形式等等。这些因素可改变建筑物周围的气流模式，对屋面风压 分布有着重要的影响。 1.2.1.1 高宽比对屋面风压分布的影响 Gerhardt 和 Kramer 等人 7 在对具有较大宽度的平屋面低矮房屋进行风洞试 验时发现：当房屋的高宽比 h/b0.1 时，其屋面的风压分布受房屋相对高度的 影响十分明显；房屋的檐口高度 h 对其屋面尤其是迎风屋面的风压系数也是有 影响的；迎风墙面的平均风压系数受房屋几何尺寸的影响较小，如图 1. 2 所 示。 图 1. 2 房屋宽度较大时屋面相对高度 h/b 对风压分布的影响 71.2.1.2
31、 屋面坡度、屋面形式对屋面风压分布的影响 由于建筑造型、使用功能和排水等方面的需要，低矮房屋常采用坡屋盖的 形式。由于对采光和通风有较高的要求，工业厂房通常采用单坡屋盖、锯齿形 屋盖等。由于造型和大跨度设计的要求，公共建筑较多的采用大型平板（网架） 屋盖或曲线形屋盖。而对于大量的居住建筑而言，采用最多的是双坡和四坡屋 盖以及平屋盖。到目前为止，低矮建筑屋面形式对其表面风压分布的影响是风 工程研究者们关注的焦点之一。到目前为止，有关低矮房屋的风压实测和风洞 试验研究大部分是围绕着各种不同形式的屋面开展的，而其中以双坡和四坡屋 面为最多。 同济大学 博士学位论文 中国东南沿海地区特色民居的风荷载特
32、性研究 4 （1）双坡屋面 Holmes 8 对不同坡度的单层双坡屋面进行了风洞试验。如图 1. 3 所示，在 迎风屋面，气流的分离集中在屋檐的附近，故在此处形成较高的平均负压，在 背风屋面，屋脊线附近由于存在明显的气流分离而形成一个较高的吸力区，远 离屋脊由于气流不再附着而使风压分布趋于均匀，吸力值也比迎风面小。当风 向垂直于屋脊时，迎风面的风压系数随着坡度的增加而减小，并且分布趋于均 匀，如图 1. 4所示，风压系数在坡角从 10增加到 15时背风面有所增大，从 15 增加到 20时略有减小，分布趋于均匀，再增大则无明显地变化。由于坡屋面的 屋檐、屋脊、山墙边缘的附近容易形成局部的较高负压
33、区，所以屋面的局部最 大平均风压与屋面坡角和风向角密切相关。 图 1. 3 10双坡屋面平均风压系数的风洞试验结果 （a）15 o 屋面 （b）20 o 屋面 （c）30 o 屋面 图 1. 4 152030双坡屋面平均风压系数的风洞试验结果 （2）四坡屋面 四坡屋面是低矮房屋中另一种常见的坡屋面形式。根据已有的风灾调查结 果，四坡屋面的低矮房屋在龙卷风或飓风的袭击下所遭受的破坏情况比双破屋 面轻微，这一现象引起了不少研究者的关注。Xu 等人 9 进行了坡角分别为 15、20、30的四坡屋面的风洞模型试验，如图 1. 5 所示，该试验的模型尺 寸、缩尺比、风场条件及测试方法与 Holmes 8
34、 所进行的双坡屋面的试验完全相第 1章 绪论 5 同，并将其试验结果与 Holmes 8 的试验结果进行了对比。从试验结果可以发 现，对于屋面平均风压的分布和大小，除 0风向角下靠近屋面中间部位两者的 情况相似外，其余情况两者有很大的不同。在 45和 90风向角下，双坡屋面的 最大平均风压要大于四坡屋面，这表明屋面前缘、屋脊和坡脊等处由于气流分 离形成了负高压区，并且在这些平均风压高的区域，其脉动风压也往往出现峰 值。 图 1. 6是屋面坡度为 18.4的四坡屋面和双坡屋面最大峰值吸力的比较图， 可以看出双坡屋面在山墙顶端部分产生了很高的负极值，而四坡屋面在对应部 位产生的最大峰值吸力要比双坡
35、屋面小。此外，Xu 还分别对比研究了 15、20 和 30的双坡屋面和四坡屋面的最大峰值吸力的分布。对于 20和 30坡屋面来 说，最大峰值吸力对风向角的变化特别敏感；一旦风向角稍偏离最不利风向 角，峰值吸力会迅速衰减。四坡屋面的屋脊形式能有效地抑制峰值吸力，同双 坡屋面相比，15和 20的四坡屋面上最不利吸力峰值较小，但对于 30坡屋面来 说，两者几乎相同。 图 1. 5 四坡屋面平均风压系数的分布 同济大学 博士学位论文 中国东南沿海地区特色民居的风荷载特性研究 6 图 1. 6 双坡和四坡屋顶最大峰值吸力的比较（18.4，0360） （3）平屋面 Stathopoulos 10 等对平屋
36、面进行了风洞试验研究，结果如图 1. 7 所示。在迎 风屋面边缘由于涡的产生，出现了负高压区，负高压区限于 /H 1的区域（为 到屋面边缘的距离），在其它区域风压系数 Cp 变化较小，尤其是在平屋面的屋 角处由于形成锥形涡和三角翼形涡易产生较大的负压和极值风压。 （a）方形屋面 （b）0 （c）45 图 1. 7 平屋面及平均风压系数等值线 1.2.2 屋檐构造和覆盖材料对风载荷特性的影响 低矮房屋的屋檐构造（如檐口、女儿墙）和屋面材料（如瓦片、屋面隔热保 温层等） 等对屋面的风压分布有着特殊的影响。檐口附近的气流分离会导致檐口 上下表面的风压系数及压力峰值明显提高，其提高的幅度大小与屋面坡角
37、、房 屋高度、风向角等均有密切的关系。 1.2.2.1 屋檐构造对风压分布的影响 Blackmore 11 等人通过试验发现，将平屋面的边缘由直角改为斜角时，可大 大减小屋面的局部面积平均吸力，当屋檐改为 30斜角时，屋面角部构件的平均第 1章 绪论 7 风荷载可减小达 70，而整个屋面的风荷载可减小 30以上，如图 1. 8所示， 这主要是因为屋檐角度的减小抑制了迎风屋面角区附近锥形涡的产生，使这些 部位气流分离后所产生涡旋的分布范围更窄，从而使得因这些涡旋所产生的较 高负压区的分布范围更窄。 低矮房屋的屋檐多采用挑檐或女儿墙的形式，由于挑檐在迎风面上下表面 均有较大风荷载作用，因此该部位在
38、风灾中常常最易受损（见图 1. 9）。 图 1. 8 带挑檐双坡屋面房屋风洞试验原型 （a）挑檐上表面 （b）挑檐下表面 图 1. 9 风压系数随风向角变化规律 对挑檐的风荷载特性不少研究者都给予了特别的关注。国外许多学者做了 大量的风洞试验 1216 ，对挑檐表面风压分布及其对屋面表面风压的影响进行了 研究并且给规范提出了建议值。针对小角度（ 10）双坡屋面的挑檐所进行的 风荷载试验其结论不能直接适用于较大屋面坡角的情况，Stathopous 和 Luchian 17 等人专门对较大屋面坡角（1045）的双坡屋面的挑檐进行了风 压分布试验，测试了在不同风向角下挑檐的局部和整体的风压分布。数据
39、显示 当真正的同步压力被记录下来时，其总升力系数有明显的减小，这说明将挑檐 上下表面的最大风压进行简单的叠加来确定挑檐的最不利风压力是偏于保守 的。 Kareem 等人 18 对女儿墙屋面风压的影响做了研究。研究结果表明：对平屋 盖来说，女儿墙的设置对减小迎风屋面边缘和角部的局部风吸力非常有效。这同济大学 博士学位论文 中国东南沿海地区特色民居的风荷载特性研究 8 是因为女儿墙的存在抬高了气流分离剪切层和锥形涡的发生位置，使其不再附 着在屋面的边缘。女儿墙对屋面风压分布的影响与房屋的几何尺寸、女儿墙的 相对高度等因素有关，根据 Kind 19-20 等人进行的风洞试验，在斜风向作用下， 靠近迎
40、风屋面角上的最大吸力随女儿墙高度的增加而单调递减。但是，鉴于女 儿墙本身也会引起吸力峰值分布范围的扩大，屋面某些部位的面积平均风压反 而会因女儿墙的设置而增大。Surry 和 Lin 21 等人对具有锯齿形、方形和圆形等 不同边界形状的女儿墙进行了风洞试验，结果发现，与普通的女儿墙相比，这 些几何形状改变后的女儿墙均能大大减小迎风屋面角部和边缘的峰值吸力。其 中，一种孔隙率为 50的多孔女儿墙最为有效，它可使屋面角部较高的吸力下 降 70，并使得屋面风压分布变得非常均匀。 1.2.2.2 屋面覆盖材料对屋面风荷载的影响 在遭受台风、龙卷风等强风袭击时，屋面覆盖材料（如瓦片、保温隔热层 等） 脱
41、落和损坏虽然只是一个局部问题，但在很多情况下却可以导致整个屋盖系 统的破坏。Hazelwood 22 是较早开展屋面覆盖材料风荷载分布的研究者之一， 他对屋面瓦的上、下表面的风压分布进行了详细的试验，分析了导致屋面瓦失 效的力学机理，指出强风引起的升力是导致松铺屋面单元移位和脱落的主要原 因。此外，Peterka 23 对屋面瓦周围的空气流动情况和风压分布进行了研究， Kind、Savage 和 Wa r d l a w 24 等人对屋面隔热板进行了风洞试验，并测算了引起 屋面松铺隔热板移动脱落的临界风速。Kramer 和 Gerhardt 等人 25 专门研究了松 散性屋面系统的风压特征。G
42、erhardt 等人 26 还研究了屋面铺设物的透风性与其 上、下表面风压之间的相互关系，并提出了估算其失效风速的理论方法。 Amano，Fujii 和 Tazaki 27 等人对屋面隔热板下增设架空层后的风荷载特性 进行了研究，其典型结果如图 1. 10所示。Bieukiewicz和 Sun 28 等人在对松铺屋 面系统的风荷载试验中，发现屋面铺设物下留一定的间隔高度对铺设物的表面 风压有明显的影响，即使留出的间隔高度很小也能大大降低铺设物表面的平均 和峰值吸力（见图 1. 11）。 第 1章 绪论 9 图 1. 10 空气层和透气孔对屋面隔热板风压分布的影响 图 1. 11 松铺屋面板的风
43、吸力与间隔高度和板厚之比 H/T 的关系 1.2.3 房屋开洞对风载荷特性的影响 低矮房屋外表面开洞对房屋内外风压的分布及大小均有明显的影响。风灾 调查的结果也显示许多房屋在遭遇强风破坏时，不单单是外部风荷载过大所 致。在正常情况下，房屋内部压力一般较小，且不受外部气流的影响，约为 25100Pa，然而当房屋的门窗在突遇强风而遭致破坏时，房屋的内部风压会有 明显的增强，当房屋外表面的脉动负压与房屋内部的正压共同作用时，对某些 结构构件，尤其是屋面覆盖材料单元及其连接构件而言受力非常不利。 平均内部压力的理论估算方法目前主要是基于简化的平均稳态压力假设给 出的，在房屋开有洞口的情况下，内部压力是
44、参照洞口处的外部压力给出的。 但是有研究表明，这种稳态假定方法并不完善，特别是在当房屋的开洞面积相 对房屋内部的体积较大时，会产生 Helmholtz 共振，使房屋的内压放大。 Holmes 29 ,Liu 等人 3031 ，Vichery 等人 32 对房屋迎风墙面开有单个洞口时的内 压脉动动力特性进行了研究。Harris 33 则对迎风墙面和背风墙面开有分布性孔洞 的情形提出了一种新的线性化理论。 同济大学 博士学位论文 中国东南沿海地区特色民居的风荷载特性研究 10 平均内压的稳态解可以根据标准开洞的平面方程得到，假定紊流经过洞口 时 2( ) / Di QCApp （1. 1） 式中：
45、 D C 为交换系数，A为开孔面积 在单面开洞的情况下，平均内压将等于平均的外压，在双面开洞的情况 下，假定流入和流出相等，则式（1. 1）可变为 2( ) 2( ) WWi i AppApp （1. 2） 式中：下标 W和 分别表示迎风面和背风面。 如果面积 A W 和 A 相等，则内压可以简单地由洞口的平均外部压力地得 到： 1 2 W p pp （-） （1. 3） 用稳态解的方法来估算房屋的平均内部压力，并和试验值进行比较。 Woods和 Blackmore 34 对低矮房屋在不同开洞条件下的内压变化进行了较为 细致的多参数对比风洞试验。风洞试验采用的是一单层刚性的立方体模型，共 设置
46、了五种不同的开洞情况：单面中间开洞（背风面为实墙面）、单面中间开洞 （背风面为多孔性墙面）、单面角上开洞（背风面为实墙面）、双面中间开洞、 双面角上开洞。试验立方体模型测点布置图如图 1. 12 所示。该试验较好地揭示 了当房屋单面开洞和双面开洞，以及洞口的大小及位置变化和风向角的变化对 房屋的平均内压和峰值内压的影响。 图 1. 12 立方体模型测点布置图 试验结果表明，除了在洞口位于气流分离和附着过渡区的特定风向角外， 对于单面开洞，稳态理论用于估算内压与实测结果较为符合；对于双面开洞的 情况（见图 1. 13），稳态理论的计算值与实测值不太吻合，通常实测值小于理 论值。对于单面开洞的情况
47、，即使洞口面积达到整个墙面的 25，其内部压力第 1章 绪论 11 的分布也是符合 Holmes和 Liu 等人的在开洞情况下房屋内部的压力分布均匀的 假定。但是，对于双面开洞且洞口面积相对较大时，这一假定不再成立，当开 洞面积大于等于 9时，内压分布不再均匀。最大的正压出现在背风面开洞墙上 的顶部角上，同时较小的正压则出现在相对的底部角上，这意味着模型内部形 成了较强的循环气流。最小正压出现在模型的底面上，通常进行单点内部测压 时，测点常位于此处，可见在这种情况下，采用单点内部测压将导致内部压力 的严重低估。在特定风向角下强烈的内部气流可导致内部压力系数最大增加到 Cp0.95。 （a）角上
48、开洞且风向角为 45 （b）中间开洞且风向角为 30 图 1. 13 双面开洞下的风压分布 1.2.4 周围环境及建筑物之间相互干扰对风荷载特性的影响 大量的低矮房屋通常是呈规则或不规则状成片布置的。由于高度比较低， 周围的风场属于高湍流度的流场，建筑物相互之间的气流干扰是不容忽视的。 因此对建筑群体间的相互干扰进行风洞试验研究也成为一个必要课题。目前大 量有关低矮房屋风压特性的风洞试验研究都只是只考虑单体的，这主要是因为 一方面单体房屋本身风压特性的影响因素就极为复杂，同时考虑建筑物群体相 互干扰的风洞试验通常在模拟大气边界层的风洞中进行，由于几何缩尺比的关 系，模拟大气边界层的低矮房屋模型
49、风洞试验较难进行。迄今为止，Katayama 和 Nishida 35 等人对规则排列的建筑物群的相互影响进行了研究；Cheng-Hsin Chang 36 等人研究了建筑物之间不同间距对于低矮建筑物表面风压的影响（见图 1. 14）。 同济大学 博士学位论文 中国东南沿海地区特色民居的风荷载特性研究 12 （a）城市街道峡谷排列模型图 （b）风洞模型立面图 图 1. 14 试验模型布置图 试验结果表明，周围建筑物的布置对于建筑物表面压力分布的影响非常的 显著。根据建筑间的宽度与建筑物高度之比 B/H，建筑间的气流可以分为掠流 （skinning flow， B/H=01.2）、尾流干扰流（wake interference flow， B/H=1.25.0）、孤立的粗糙流（isolated roughness flow，B
