陈苗苗

摘要：我国山区面积占全国总面积的2/3，伴随着城市化进程的加快，出现了山地建筑开发设计的热潮。本文以温州市林宋组团林里片区地形为例，对本地块做了地形模拟风洞试验，选取5个点进行实测，再通过与我国和美国的荷载规范计算值进行对比，总结本地块的风压高度系数修正系数。

关键词：山地建筑;风压高度系数;温州林里山区;规范

一、引言

山地建筑在结构设计中风压高度系数该如何修正，直接影响建筑的安全及造价，合理的选取风压高度系数修正系数，将尤为重要，本文提供了温州林里片区地形模型风洞试验所采用的技术参数及试验结果，将试验数据与规范计算数值进行对比，以及由试验结果换算成风压高度系数修正系数的计算方法。

二、正文

风压高度变化系数是从某一高度的已知风压（如高度为10米的基本分压），推算另一任意高度风压的系数。风压高度变化系数随反映风压随不同场地、地貌和高度变化规律的系数。以规定离地面高度的风压为依据，为不同高度风压与规定离地面高度风压的比值。

对于山区建筑，我国建筑结构荷载规范（GB50009-2012）采用风压高度变化系数修正系数衡量山区地形的风速加速效应。中国规范关于风压高度变化系数修正系数的规定具有以下几点缺陷：首先，规范对于山顶的修正系数计算采用线性函数，而大量实测及试验结果均表明，修正系数随高度的变化复杂，线性函数难以准确描述该变化规律;其次，山坡至山顶间的风速分布也不是线性的，使用线性插值并不能合理地反映出山顶的风速变化;最后，规范给出的计算公式适用于理想的二维山体，而对于实际更为常见的复杂山体，该计算公式适用范围有限。

美国荷载规范ASCE7-10也给出了山体地形中风速修正的相关规定。美国规范规定，当建筑物、其它场所条件和结构位置遇到如下特定条件：在整体地形上有突变的孤山、山脊和悬崖时，需考虑在任意地貌类别下风速的增大效应。而这种因地形引起的风加速效应是通过考虑地形修正因素η来实现。美国荷载规范相较于我国规范给出的修正系数计算公式不再是线性形式而是反函数形式，考虑的地貌因素也更多，同时增加了计算三维轴对称小山的修正系数，但对更加复杂的山地情况，仍缺乏相應规定。

温州林里片区地形连绵起伏，为能给建筑设计提供合理的风压高度变化系数修正系数及加速比，对本地块做了地形模拟风洞试验。根据实际地形，选取了5个测点。1#测点的海拔高度为 150m，位于坡脚，且正前方1.2km 范围内有海拔 200m 的山体遮挡;2#测点海拔 165m，位于侧坡山脊线，地势变化较大;3#测点海拔 225m，位于侧坡山脊线，地势变化平缓;4#测点海拔 205m，位于半坡处;5#测点海拔 280m，位于山顶处。在 B 类背景来流下，分别开展两个主导风向的风洞试验，采集上述 5 个测点不同高度风速时程。

工况一为东偏南13°风向，迎风山体平均坡度为6.7°，山体较平缓。如图1所示，为工况一中1～5#测点的顺风向平均风速剖面。需要注意的是，图中各测点实测风速均为阻塞比修正后的数值。从图中可以看出，受地形的影响，各测点位置的风速剖面与背景流场的风速剖面差异明显，不再呈现指数规律的增大趋势，在山顶处甚至出现随高度增加风速略微降低的现象;由于地势的升高，各测点近地面平均风速不同程度增大;随着距离模型表面的高度增大，地形对风速的影响逐渐减小。本项目中，各测点的离地最大高度设定为1000mm（即实际高度为500m），并假设该高度为梯度高度，梯度高度以上平均风速保持不变。

为量化山区地形对顺风向平均风速的加速效应，可引入加速比这一无量纲参数。加速比的计算式为：S（z）=U（z）/U0（z）（1）式中 U（z）表示山体地面以上 z 高度处的平均风速，U0（z）表示平地地面以上 z 高度处的平均风速。当 S>1，表示地形对风速具有加速影响;当 S<1，则地形对风速具有减速影响。根据背景流场风速和测点实测结果，结合加速比计算公式，计算得到各测点不同高度的加速比，结果如表2所示，表中同时列出了我国建筑结构荷载规范和美国荷载规范的相应值加以对比。

从表中可以看出：（1）加速比试验值沿高度的变化趋势与中国、美国规范给出的相应值差异较大，总体而言，实测值均较美国规范值小（除 3#测点 15m 高度处的加速比），而中国规范值与试验值的大小关系复杂;（2）1#测点由于正前方山峰的遮挡，试验加速比在 60m 高度以上值略微小于 1.0，表明具有减速效应;而两国规范无法计入实际地形的减速效应，因此规范中加速比沿整个竖向剖面均大于 1.0，尤其在 60m-150m 高度范围内试验值与规范值差异显著;（3）2#测点在近地面处的加速比与美国规范值接近，略大于中国规范值，但随着高度的增加，试验值逐渐小于两国规范值，5#测点的试验结果与此类似;（4）3#测点在近地面处的加速比略大于两国规范值，随着高度的增加，试验值小于两国规范值;（5）4#在整个高度范围内均小于两国规范值。

根据工况一加速比计算结果，结合加速比与风压高度变化系数修正系数的平方关系，计算得到工况一风向角下风压高度变化系数修正系数在80m高度以内的建议取值，如表3所示。表中数值即为公式wk=ηwko中的风压高度变化系数的地形修正系数，供实际设计参考。

三、结论

（1）通过制作温州世和生态城林里地块的大比例地形模型，进行地形风洞试验并测量了1个风向角下5个地块的风速剖面，得到了个测点的风速比（即加速比，见表 2），在此基础上计算得到了各地块在80m高度范围内的风压高度变化系数的地形修正系数，可用于相应地区的建筑结构风荷载取值参考，各地块的风压高度变化系数的地形修正系数取值详见表 3。

（2）通过以上数据，可以看出各侧点的实测风速比小于我国建筑结构荷载规范和美国荷载规范计算的风速比，风压高度变化系数的地形修正系数η沿高度逐渐减小。建筑物所在的位置以山体表面开始计算，层数越高，风压高度变化系数受地形的影响越小。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准，《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012 中国建筑工业出版社2012

[2]美国ASCE7-10《建筑物和其他结构最小设计荷载》

[3]张相庭.工程抗风设计计算手册[M].北京：中国建筑工程出版社，1998.