汪之松，江 鹏，武彦君，刘兴龙，董志超

(1.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

地表粗糙度对于近地面的空气流动影响非常大，通常用四类地貌来描述不同的地表粗糙度对普通大气边界层风场的影响。然而有研究表明，大气边界层风属于低速风，而在极端气候条件下产生的包括台风、龙卷风、下击暴流风等均具有不同的风场特性[1]。由于下击暴流风在近地面会引起极高的风速且具有竖向风风场，因此对下击暴流的相关研究显得尤为重要。针对下击暴流相关研究来说，国内外学者的研究着重于微地形对风场特性方面，Holmes[2]、Letchford等[3]以及Wood等[4]各自采用冲击射流模型研究了不同地形对雷暴冲击风剖面的影响。Sengupta等[5-9]通过数值模拟研究了雷暴冲击风在不同地形上的风场特征，以及地形、地貌对雷暴冲击风风场的影响。Sengupta等[10]利用圆孔射流研究了雷暴冲击风的出流风场特性，测得了雷暴冲击风作用下的各种风场特征。李春祥等[11]采用数值模拟的方法，运用 Deodatis 的均匀调制非平稳随机场模拟下击暴流非平稳脉动风速时程。邹鑫等[12]采用静止型冲击射流装置和大涡模拟分别对雷暴冲击风风场进行了物理试验和数值模拟，考察径向风速和竖向风速的分布特征。以上研究主要以地形对风场特性的影响为主，而对于建筑结构风荷载特性的研究相对较少，尤其高层建筑的风荷载特性研究很少。Sengupta等[13]基于冲击射流模型测试了雷暴冲击风作用下小立方体表面的压力分布情况。Chay等[14]采用倒置的冲击射流装置，进行了静止型和运动型两种冲击射流试验，研究了雷暴冲击风作用下小立方体块表面的风压分布。Lin等[15]利用热线测速仪观测了雷暴冲击风的平均风速剖面和湍流特征。赵杨等[16]通过物理试验研究了雷暴冲击风产生的风速突变气流对结构表面风压和结构空气动力学参数的影响。邹鑫等[17]通过物理试验研究了稳态冲击风作用下高层建筑风荷载相关特性。以上关于风荷载特性的研究主要通过相关物理试验研究建筑表面的风荷载特性，但均未考虑粗糙度地貌的影响。

国内外关于空气动力学粗糙度研究较多，但绝大多数学者侧重研究大气边界层风场的粗糙度影响。李宏海[18]考虑城市内高低不同建筑的真实情况，研究粗糙元变化带来的差异。李宏海通过布置粗糙元来考虑空气动力学粗糙度对下击暴流风场发育的影响，但只讨论了单一地貌下高层建筑风荷载特性，并未考虑不同粗糙度地貌对下击暴流作用下高层建筑风荷载特性的影响。综合已有的风洞试验及数值模拟研究，试验采用Lettau[19]的理论模型布置粗糙元，通过模拟不同空气动力学粗糙度地貌来研究不同粗糙地貌对高层建筑风荷载特性的影响。本文采用静止型冲击射流物理风洞试验模拟下击暴流风场，进行高层建筑刚性模型测压试验，考察了粗糙地貌以及不同地貌下不同径向距离对高层建筑风荷载的影响，对试验结果进行统计分析，为实际下击暴流作用下高层建筑抗风设计提供一定的参考依据。

1 风洞试验概况

本文采用静止型冲击射流装置模拟下击暴流风场，进行各层建筑刚性模型测压试验。该试验装置简单且便于操作，而且采用冲击射流模型得到的模拟结果与实测数据吻合较好。故本文选用冲击射流模型进行风洞试验，试验装置如图1所示。

冲击射流喷口直径为Djet=600 mm，喷口距离底板Hjet=1.2 m，几何缩尺比1∶1 000，喷口射流速度为Vjet=20 m/s。射流风速沿径向分布较为均匀，能够产生均匀的冲击风。建筑模型为刚性模型，采用有机玻璃制作，其几何尺寸为50 mm(长)×50 mm(宽)×100 mm(高)。由于建筑模型尺寸小，不便四面均布置测压孔，故只在模型单侧面布置测压孔，侧面测点分布如图2所示。通过模型旋转四个角度，分四次测得风场中建筑四个表面的风压数据。风压采样频率为315.25 Hz，每个测点采样10 000步，采样时间32 s。

图1 冲击射流试验装置Fig.1 Impinging jet experimental device

图2 测点布置(mm)Fig.2 Arrangement of measuring points (mm)

试验考虑了径向位置、粗糙度因素对高层建筑表面风压的影响。在考虑不同粗糙度的径向位置对高层建筑表面风压影响的试验中，高层建筑迎风面距喷口中心距离分别为r=1.0Djet、1.25Djet、1.5Djet、1.75Djet、2.0Djet。风荷载试验设置3种地貌工况，分别为地貌I(光滑地面)、地貌II、地貌III，粗糙度逐渐增大，粗糙元为木质正立方体，边长为10 mm，对应建筑高度为10 m。风荷载试验考虑五个径向位置、三种地貌，共设置15种子工况。工况如图3所示，工况参数见表1。

风场工况粗糙元的布置，按Lettau提出的统计经验公式，求得场地粗糙度的合理近似值

(1)

式中：h为粗糙元高度；Ar为顺风向粗糙元的迎风面面积；At为单位粗糙元的占地面积。通过设置不同间距的粗糙元，改变At以得到不同的粗糙度地貌工况。由于现阶段国内规范没有相关规定，故各地貌粗糙度的取值参考欧洲规范1关于z0的规定，具体可见表2。

图3 试验工况简图Fig.3 Schematic diagram of test condition

表1 风荷载试验地貌工况参数表Tab.1 Landform parameters of wind loads test

表2 欧洲规范1Tab.2 Eurocode 1

2 试验结果与分析

2.1 风速剖面比较

图4给出了地貌I(光滑地面)与地貌III在r=1.0Djet、1.5Djet、2.0Djet位置处随高度变化的径向风速分布曲线，由图可知：径向风速在约r=1.0Djet左右位置处达到极值。然后随径向距离增加而逐渐减小。这与以往相关文献[20-21]中下击暴流的平均风速分布规律及极值风速位置比较吻合。图5给出了地貌I(光滑地面)、地貌II与地貌III在r=1.0Djet径向位置处无量纲水平风速竖向风剖面与国外学者物理试验以及实测结果的对比，由图可见，风场测试结果与国外学者的研究结论较为吻合，因此本风洞试验可提供较可靠的风场数据。

图4 各径向位置平均风剖面Fig.4 Radial development of the mean velocity profile

图5 各模型竖向风剖面比较Fig.5 Comparison of vertical wind profile of analytical models

2.2 建筑表面风压总体分布特性

建筑表面风压分布通过压力系数来考察，建筑表面点i平均压力系数定义为

(2)

脉动风压系数主要反映了建筑表面周围漩涡运动的强弱程度，其表达式如式(3)所示

(3)

其中P(i,tj)表示测点编号i时刻tj压力。n为单个测点采集数据个数，ρ表示空气密度。UH为参考高度处的风速，采用喷口风速。

图6分别给出测点A43和A33的风压数据时程图。可知，风场基本处于稳定状态，高层建筑表面风压数据稳定。

图7给出了地貌I(光滑地面)下径向距离r=1.0Djet时建筑表面平均风压系数与脉动分压系数云图。

由平均风压系数云图可以看出，迎风面呈现“下大上小”的趋势，迎风面均为正风压，正风压极值区域主要出现在下部区域，正风压系数极值处于0.85～0.95范围内；背风面为负风压，负风压绝对值呈“上大下小”的趋势，负风压极值位于上部区域，负风压系数极值为-0.6左右；侧面风压距迎风面较近一侧的上下角部较大，负风压系数极值为-0.75左右。

由脉动风压系数云图可以看出，迎风面与背风面的脉动风压系数相对较小，侧面脉动系数较大，脉动风压系数反映的是建筑表面受到附近小涡旋的影响，受影响较大区域多为角部区域。

图8给出了不同粗糙地貌下的高层建筑表面风压系数结果。从下至上分为10层，对于每一层而言，测点编号1～20为沿A-B-C-D建筑四个表面逆时针编号，由于平均风压系数变化规律基本一致，为了在图中表达更加清晰，这里仅给出其中5层，用以说明此分布规律。迎风面编号1～5，背风面11～15，依次类推。

(a1)测点A43

(b1)测点A33

各粗糙地貌下高层建筑平均风压系数呈现如下规律：迎风面平均风压均为正压，呈现“下大上小”的趋势，最大值集中在15～35 m高度范围，75 m高度处正风压明显减小，顶部边缘处风压最小；背风面平均风压均为负压，负压绝对值呈现“上大下小”的趋势，负风压系数分布集中在-0.2～-0.6；侧面平均风压均为负压，负压系数绝对值处于-0.6～-0.8范围内，负压最大值集中于临近迎风面的角部区域。

各粗糙地貌下高层建筑脉动风压系数呈现如下规律：迎风面与背风面脉动风压系数较小，侧面脉动风压系数较大。

2.3 粗糙度对风压系数的影响

上文给出了各粗糙度地貌下高层建筑平均风压系数和脉动风压系数的比较。限于篇幅，仅以高度z=0.045 m为例，图9和图10给出了z=0.045 m高度处高层建筑表面平均风压系数和脉动风压系数分布图。总体来看平均风压系数在迎风面大部分区域的风压系数大于0.5，侧面大部分区域的平均风压系数位于-0.6～-0.8的范围，背风面大部分区域平均风压系数位于-0.4～-0.6的范围；而脉动风压系数迎风面和背风面均方根风压系数较为稳定，在0.1～0.15之间，侧面的脉动风压系数在0.17～0.25之间。

(a) A面平均风压系数云图(b) A面脉动风压系数云图(c) C面平均风压系数云图(d) C面脉动风压系数云图(e) B面平均风压系数云图(f) B面脉动风压系数云图

由图9、图10可以看出，由于粗糙元的存在增大了近地面风场的湍流度，从而改变了风场对于钝体建筑物的绕流特性。且随着粗糙度的增加，极值风速所在高度有所抬升，导致z=0.045 m高度处迎风面风压系数随着粗糙度的增加而增大，背风面风压系数绝对值(吸力)则随着粗糙度的增加而略有减小，建筑物侧面的平均风压系数受粗糙度的影响较小。而对于脉动风压系数则呈现相反的规律，即迎风面和背风面随着粗糙度的增加影响较小，而建筑物侧面脉动风压随着粗糙度的增加而增大。其他高度z=0.015 m、0.035 m及0.075 m具有类似的规律。

(a)地貌I(光滑地面)平均风压系数

(b)地貌I(光滑地面)脉动风压系数

(c)地貌II平均风压系数

(d)地貌II脉动风压系数

(e)地貌III平均风压系数

(f)地貌III脉动风压系数

图9 z=0.045 m高度处建筑表面压力系数曲线Fig.9 Wind pressure coefficient at z=0.045 m height

图10 z=0.045 m高度测点脉动风压系数Fig.10 RMS pressure coefficient of z=0.045 m height

图11、图12、图13分别给出了高层建筑处于各径向位置时不同粗糙度下迎风面中线与背风面中线的风压系数对比图。

由图11～图13对比可知，对于迎风面：当径向距离r=1.0Djet时，粗糙地貌对风压系数的影响较小；从地貌I(光滑地面)到地貌II，此时粗糙度变化相对较小，风压系数差异较小；而从地貌II到地貌III，粗糙度显著增大，近壁面z/H<0.4范围内衰减明显增大，风压极值的高度逐渐提升。对于背风面：风压系数程线性分布，负风压绝对值上大下小，从地貌I(光滑地面)到地貌II，此时粗糙度变化相对较小，风压系数差异较小；而从地貌II到地貌III，粗糙度显著增大，近壁面的衰减明显增大。

图14、图15、图16分别给出了高层建筑处于各径向位置时不同粗糙度下侧面B及侧面D中线测点的平均风压系数对比图。

由图16～图18可知，高层建筑B、D两侧面平均风压系数基本呈现对称性分布，随着径向距离的增大，风压系数逐渐衰减，在r=1.0Djet～1.5Djet范围内衰减较慢，而在r=1.5Djet～2.0Djet衰减较快。

2.4 径向距离对不同粗糙地貌下风压系数的影响

图17、图18、图19给出了各粗糙地貌下不同径向位置高层建筑迎风面中线与背风面中线测点的风压系数对比图，以研究不同径向位置对风压系数的影响。

迎风面的风压系数分布呈现“鼻子”型。对比发现，径向距离对迎风面风压系数的衰减影响较大，随着径向距离的增大，风压系数逐渐减小：

(1)径向距离为r=1.0Djet到径向距离r=1.25Djet，对于地貌I(光滑地面)及地貌II，迎风面风压系数上部区域衰减较明显，中下部区域衰减不明显；对于地貌III，上部及下部区域衰减明显，中部区域衰减不明显。在z/H<0.25范围内，地貌I(光滑地面)及地貌II衰减较小，在0.05以内，地貌III衰减较大，在0.1左右。在z/H>0.65范围内，各地貌粗糙度下的风压系数衰减均达到0.2；

(a)迎风面A中线

(b)背风面C中线

(a)迎风面A中线

(b)背风面C中线

(a)迎风面A中线

(b)背风面C中线

(a)侧面B中线

(b)侧面D中线

(a)侧面B中线

(b)侧面D中线

(a)侧面B中线

(b)侧面D中线

(2)从径向距离r=1.25Djet到径向距离r=1.5Djet、1.75Djet、2.0Djet处，迎风面风压系数上部区域衰减较小，中下部区域衰减较大。随着径向距离的增大，各粗糙地貌下下的风压系数衰减幅度较均匀。

背风面风压系数近地面较小，高度升高负风压增大，基本呈线性分布。对比发现，径向距离对背风面风压系数的衰减影响较大，随着径向距离的增大，风压系数逐渐减小：

(1)从径向距离r=1.0Djet到径向距离r=1.25Djet、1.5Djet，风压系数衰减的幅度较大，地貌I(光滑地面)r=1.25Djet～1.5Djet衰减幅度最大，地貌II及地貌III在r=1Djet～1.25Djet衰减幅度最大；

(2)从径向距离r=1.5Djet到径向距离r=1.75Djet、2.0Djet，风压系数衰减的幅度相对较小，背风面风压系数各粗糙地貌下的衰减幅度较均匀。

图20、图21、图22给出了各粗糙地貌下不同径向位置高层建筑B、D两侧面中线测点的风压系数对比图，以研究不同径向位置的粗糙地貌对风压系数的影响。

(a)迎风面A中线

(b)背风面C中线

(a)迎风面A中线

(b)背风面C中线

(a)迎风面A中线

(b)背风面C中线

(a)侧面B中线

(b)侧面D中线

(a)侧面B中线

(b)侧面D中线

(a)侧面B中线

(b)侧面D中线

由图20～图22对比可知，高层建筑B、D两侧面平均风压系数基本呈现对称性分布，随着径向距离的增大，风压系数逐渐衰减，负风压减小，在r=1.0Djet～1.5Djet范围内衰减较慢，而在r=1.5Djet～2.0Djet衰减较快。在一定高度范围内，随着径向距离的增大，风压分布由上下均匀分布向中部区域大上下区域小的趋势发展。

由于下击暴流风场特性与传统大气边界层风场相比，存在显著差异。所以二者风荷载特性也有显著差别，传统边界层风最大风压分布约在高层建筑的3/4建筑高度附近，而下击暴流的最大风压出现约在1/4建筑高度附近。气象观测表明，雷暴风(下击暴流)往往是非台风地区极值风速出现的主要原因，是造成大量工程结构风致破坏的主要根源，而包括高层建筑在内的常规工程结构，在抗风设计时一般仅考虑了规范给定的边界层风荷载。在雷暴多发地区，对于比较重要的工程结构，为提高结构设计的安全性与可靠性，应考虑下击暴流这一极端风荷载所带来的不利影响。在指导高层建筑设计上，在下击暴流多发地，应考虑不同粗糙度对高层建筑下击暴流风荷载的影响，应适当提高荷载规范给出的参考值。除了常规的抗风验算外，还应进行不同粗糙度下击暴流抗风验算。

3 结 论

基于冲击射流模型物理风洞试验获取下击暴流风场中高层建筑表面风荷载数据，分别考虑了不同粗糙度地貌以及不同径向距离对高层建筑表面风压的影响，得到以下结论：

(1)各粗糙地貌下高层建筑风压系数呈现如下规律：迎风面平均风压均为正压，呈现“下大上小”的趋势，顶部边缘处风压最小；背风面平均风压均为负压，负压绝对值呈现“上大下小”的趋势；侧面平均风压均为负压，负压最大值集中在临近迎风面的角部区域。迎风面与背风面脉动风压系数较小，侧面脉动风压系数较大。

(2)考虑不同粗糙地貌的影响：对比平均风压系数结果，随着粗糙度的增大，迎风面上部区域受粗糙度影响较小，但风压系数有增大的趋势，迎风面中下部平均风压系数衰减幅度越来越大，风压极值的高度逐渐提升，背风面负风压绝对值随之减小，侧面风压系数受粗糙度影响变化不明显；对比脉动风压结果，随着粗糙度的增大，侧面脉动风压系数随之增大，而迎风面和背风面的脉动风压系数受粗糙度影响变化不明显。

(3)考虑不同径向位置的影响：当径向距离较小时，水平风速衰减不明显，高层建筑迎风面风压系数下部区域衰减较小，迎风面上部区域衰减较大；随着径向距离增大，水平风速衰减明显加快，高层建筑迎风面风压系数中部及下部区域衰减较大，背风面风压系数的衰减受径向距离的影响较大，随着径向距离的增大风压系数逐渐减小，呈线性衰减趋势，侧面风压系数随着径向距离的增大逐渐衰减。

(4)对下击暴流作用下结构抗风设计的价值体现在：对处在不同的粗糙度地貌中的高层建筑，粗糙度越大，迎风面极值风压的高度升高，极值风压的绝对值减小，背风面极值风压的绝对值也会减小，侧面风压受粗糙度影响较小。