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第八章 低层建筑
8.1简介
本章的目的是讨论低层建筑，低层建筑常被定义成屋顶距离地面高度小于15m的结构，对于一些主要大型屋顶结构如体育场馆、拱形屋顶将在第10章讨论，独立式屋顶和檐篷将在第14章讨论。
以下因素使低层建筑的风荷载评估变得和较高的建筑物、其他较大的建筑物一样困难：
（1）它们通常浸没在地球上的空气动力学粗糙层内表面，湍流强度高，干扰和遮蔽效果很重要，但难以量化。
（2）由于几何形状的变化而导致的变化的屋顶荷载，对低层建筑来说都是至关重要的。低压建筑表面上的最大风荷载通常是屋顶上的吸力，并且许多结构失效都是从那里发起的。
（3）低层建筑通常具有单个内部空间，并且内部压力可能非常显着，尤其是当在迎风墙中发生主导开口时。因此必须评估内部压力峰值的大小及其与外部压力峰值的相关性。
然而，对于较小的建筑物，动态共振效应通常可以忽略。暴风中的大部分结构性破坏都发生在低层建筑上，特别是对那些非工程的，缺乏维护的家庭住宅。
以下部分将讨论历史对低层建筑风荷载的研究，风压的一般特征和模型尺度标准，以及对20世纪70年代，80年代和1990年进行的许多研究结果的总结。
对风荷载的几个综合评述 低层建筑由Holmes（1983），Stathopoulos（1984,1995），Krishna（1995）和Surry（1999）制作。
8.2历史
8.2.1早期风洞研究
一些最早的风洞应用是在研究低层建筑上的风压。两项最早的调查是Irminger（1894）在哥本哈根和丹麦，以及Kernot（1893）在澳大利亚墨尔本进行的。Irminger使用了一个被工厂烟囱的吸力驱动的小型风洞，并测量了包括一个房屋在内的许多模型的压力。他证明了屋顶吸力的重要性，当时这个概念知之甚少。Kernot使用了现在被称为开放式喷射风洞的技术（参见第7.2.1节）以及旋转臂装置，并且测量了各种力的建筑形状。屋顶间距，护栏和相邻建筑物的影响都是用此方法检查。
在接下来的三十年中，在英国国家物理实验室（N.P.L.）、德国的Gottingen实验室（D.L.R）、美国国家标准局、美国中央航空动力学研究进行了许多单独的风洞研究，这些早期研究虽然都是在稳定的风压流动中的测量结果，但彼此之间出现了一些分歧。这很小可能是由于在不同风洞中不同程度的湍流或其他的影响（第4章讨论了影响湍流对钝体上的平均流量和压力的影响），比如湍流的堵塞。
在丹麦，Irminger与Nokkentved（1930年）一起对低层建筑进行了进一步的风洞研究。这些测试再次在稳定，均匀的流动条件下进行，但包括对具有多孔壁的模型的一些创新工作，以及内部和外部压力的测量。类似但不太广泛的测量由Richardson和Miller（1932）在澳大利亚进行。
1936年，美国土木工程师学会（1936年）调查了钢结构建筑上的风荷载并获得了可用的数据，该调查包括对圆形和倾斜的屋顶的考虑。这些数据主要是早期在平稳流场中获得的各种早期风洞测量数据。
1930年，在德国的Gottingen实验室的Flachsbart以他在的格子框架和桥梁桁架上大量的风洞测量而闻名。然而鲜为人知的是他在在平滑和边界层流动中比较的低层建筑的风压方面所做的工作。不幸的是这项工作在当时尚未公布，这可能是第一个边界层风洞研究。然而，它已被重新发现，并由Simiu和Scanlan（1996）报道。
Bailey和Vincent（1943）也在英国的国家物理实验室中认识到边界层流动的重要性。如此他们能够在低层棚屋上解释风洞与全面压力测量之间的差异方面取得一些进展。
然而，直到20世纪50年代，在丹麦理工大学Jensen（1958）全面的解释了风压的全尺度和风洞模型测量的之间的差异。图8.1再现了他的一些测量结果，这些成果完全确定了使用湍流边界层流来获得压力的重要性，以此来获得和满量程值一致的风压系数。这项工作认识到了无量纲的高宽比h/z，后来被命名为Jensen数（见第4.4.5节），Jensen和Franck（1965）随后在小型边界层风洞中对一系列建筑形状进行了大量的风洞测量。
Jensen和Franck的工作是20世纪70年代和80年代对低层建筑风荷载的一系列通用风洞研究的前奏，包括Davenport等人（1977）对工业建筑的风荷载研究，以及Holmes的房屋（1983，1994）。这些研究的结果将在后面的章节中讨论。
Lee和Soliman（1977）以及Hussain和Lee（1980）对湍流边界层中大型钝体组的影响做出了重要贡献，代表了大型低层建筑群。根据建筑物间距建立了三种类型的流动：滚动流动（近距离），尾流干扰流动（中间距）和隔离粗糙度流动（远距离）。
8.2.2全面研究
二十世纪的最后三十年对于低层建筑的风荷载进行了大量全面研究，值得注意的是在这些研究中，优势在于电子仪器的发展，以及基于计算机的统计分析技术，并提供了大量进行风洞建模技术的数据。
在20世纪70年代早期，英国的建筑研究机构开始对一座特别建造的实验建筑进行全面测量，该建筑代表了英格兰艾尔斯伯里的一幢两层低层建筑。该建筑具有独特的屋顶间距特征，可在5到45度之间调节（图8.2）。
在艾尔斯伯里实验中获得的结果强调了风压的高度波动性，以及在屋檐和屋脊附近以及靠近墙角的分离流动区域中的高压峰（Eaton和Mayne，1975；Eaton等人1975）不幸的是，实验已经停止，实验大楼在艾尔斯伯里工厂仅用了两年就拆除了。然而，艾尔斯伯里数据中风洞研究人员的兴趣持续到20世纪80年代，当时国际艾尔斯伯里比较实验正在建立。世界各地的17个风洞实验室使用各种技术对上风地形和接近流动条件进行建模，测试了艾尔斯伯里建筑的相同1/100比例模型。这个独特的实验表明，测得的压力系数存在显着差异主要归因于用于获得参考静态和动态压力的不同技术，以及在全尺寸场地的逆风地形中对冲模型（Sille等，1989，1992）。
20世纪80年代后期，在美国德克萨斯州的拉伯克和英国的Silsoe建立了两个新的低层建筑全面实验，拉伯克实验即德克萨斯技术现场实验，由一个4m高的小钢棚组成，规划尺寸为9.1和13.7米，该建筑有一个近乎平坦的屋顶（图8.3），具有安装在转盘上的独特能力，因此它相当于控制建筑物的方向的平均风向。用靠近屋顶和墙壁上的压力接头安装的高响应压力传感器测量压力，在实验过程中，换能器在不同时间移动到不同位置。在顺风向上，建筑物的50米高的桅杆上风处有几级风速计，可以很好地确定接近的风力特性。逆风地形非常平坦而开阔，参考静压是从距离测试建筑物中心23米的地下箱中获得的（Levitan和Mehta，1992a和1992b）。
德克萨斯理工大学的实验为各种风向产生了大量的风压数据。内部和外部压力，墙上有无开口，都被测量了进去。在迎风角的非常高的极端压力测量了“四分之一”的屋顶，直接吹向角落，与墙壁成45度角，这些比在小型（1/100）规模风洞模型上的等效位置测量的要大得多。然而，内部压力显示出与风洞模型测量值相似的特征，并通过理论模型预测。
Silsoe结构建筑是一个更大的钢门式框架结构，长24米，跨度12.9米，屋檐4米，屋顶倾斜10度，该建筑位于开阔的乡村。楼上还有70个压力分接点在屋顶和墙壁上，建筑物在中央门架上配备了12个应变计位置，以便能够进行结构响应测量（Robertson，1992）。
该建筑可以安装弯曲和锋利的屋檐。结果发现弯曲的屋檐在迎风墙的下风处产生的平均负压低于由锋利的屋檐产生的平均负压。当应用正确的柱固定性时，通过结构分析计算机程序可以很好地预测门架中的应变测量结果。还测量了应变的光谱密度，当建筑物的端壁中有开口时，这些显示了Helmholtz共振（第6.2.3节）对内部压力的影响。通常，这些测量证明了对低层建筑物的风荷载的准稳态方法的正确性（第4.6.2节）。
8.3低层建筑风荷载的一般特征
如第8.2.2节所述，对低层建筑的风压进行全面测量显示了这些结构的风压，平均风荷载面积和荷载效应或响应的高度波动性。随时间的波动可归因于两个来源（另见第4.6.1节）：
（1）上风湍流速度波动引起的压力波动（见第3章）。在城市情况下，湍流可能来自逆风建筑物的尾流。
（2）在尖角，屋檐和山脊附近的分离流动区域中，由局部涡旋脱落和其他不稳定流动现象产生的不稳定压力（见第4章）。
这两种现象可能相互作用，使情况进一步复杂化。
应该注意的是，如图8.4中建筑物上的单个点所示，除了随着时间的变化，还存在空间的变化，即相同的压力或响应随时间的变化可能不会同时发生在建筑物上彼此分开的点。
8.3.1压力系数
第4.5.1节给出了钝体压力系数的基本定义，第4.6.4节定义了均方根波动（标准偏差）压力系数。用于站点或天气风暴的建筑物一般的时变压力系数如下公式：
其中是静态参考压力（通常在建筑物附近的方便位置测量的大气压力，但不受建筑物周围流动的影响），是空气密度，是在适当的定义参考高度处测量的平均速度（平均时间内），如在大气边界层中，平均风速随高度变化（第3.2节）。在低层建筑的情况下，这通常被认为是在屋檐高度，或者在屋檐水平屋顶的中间高度和屋顶的最高层，至于静压，这必须远离建筑物的直接影响。图8.4显示了低层建筑物上的典型变化，以及压力系数的四个显着值：，平均或时间平均压力系数；（=），根平均值（r.m.s.）波动值或标准偏差，表示平均偏离平均值；（或），给定时间段内压力系数的最大值；（或），给定时间段内压力系数的最小值。
8.3.2压力系数的依赖性
在第4.2.3节中的钝体空气动力学的一般背景下，讨论了压力系数对其他无量纲量的依赖性，例如雷诺数和詹森数。这种依赖性适用于低层建筑的风荷载。
对于锋利边缘的物体，并且在其上通常固定流动分离点，流动模式和压力系数对粘性效应和因此雷诺数相对不敏感。这意味着，如果实现了大气边界层流动中湍流特性的充分再现，并且该模型在几何上是正确的，则可以使用风洞试验来预测全尺寸建筑物上的压力和力系数。然而，德克萨斯技术现场实验的全面研究表明，对于某些风向，某些分离流动区域的压力峰值不会在小尺度模型的风洞试验中再现，并且表明了一些雷诺数依赖性。
如第8.2.1节所述，Martin Jensen在对数定律（第3.2.1和4.4.5节）中确定了Jensen数h/z0，即建筑物高度与空气动力学粗糙度长度的比值来作为最关键的参数，以此确定低层建筑的平均压力系数。通过平均速度剖面与高度的影响，Jensen数明显直接影响建筑物的平均压力分布。然而，在粗糙地面上的完全发展的边界层中，诸如强度（第3.3.1节）和光谱（第3.3.4节）之类的湍流量也应该以接近地面的比率z/z0进行缩放。湍流特性对平均压力系数有间接影响（见第4.4.2节），这可能是Jensen（1958）观察到的一些差异的原因，如图8.1所示。在风洞试验中，如果大气边界层中的湍流内表面层已经在风洞的边界层中被正确模拟，则只有在相等的h/z0情况下才能实现湍流强度相似性。许多研究人员倾向于将湍流强度和湍流长度比例等参数视为独立的无量纲数量（参见第4.2.3节），但不幸的是，在风洞试验中很难独立地改变这些参数。
与结构设计最相关的低层建筑的波动和峰值外部压力高度依赖于进场流中的湍流特性，尤其是湍流强度。因此，诸如框架构件中的弯矩峰值载荷效应，也取决于逆风湍流。对于“正确的”模拟边界层，其中地面附近的湍流量为z/z0，如前一段所述，峰值荷载效应可以减少Jensen数的变化（例如Holmes和Carpenter，1990）。
最后，还出现了在下击暴流（第1.3.5节）中，压力和荷载效应对低层建筑的依赖性问题。如第3.2.5节所述，这些风的边界层并不强烈依赖于地面的表面粗糙度，因此Jensen数可能不是一个比较重要的参数。还需要进一步研究以确定下降气流中的无量纲参数，这些参数与这些类型风暴中建筑物的风压有关。
8.3.3流动模式和平均压力分布
图8.5显示了具有低倾斜屋顶的建筑物的流动的主要特征，其具有围绕第4.1节中描述的二维非流线形体的许多流动特征。流动在迎风墙的顶部分离并重新连接在屋顶上进一步顺风的区域，形成分离区或“泡沫”。然而，这个泡沫仅作为平均时间存在。分离区由自由剪切层界定，该剪切层是高速梯度和高湍流的区域。该层间歇地卷起形成漩涡，因为它们顺风，它们可能在屋顶表面产生高负压峰值。接近流动中的湍流的影响是使涡流更靠近前缘的部分卷起，并且到达重新附接区域的距离更短。
低层建筑典型屋顶高度的湍流纵向强度为平滑或低湍流流动的20%或更高，分离区长度更短。具有高剪切层曲率的小分离区域与低压相关，即高初始负压，但是顺风压力恢复的更快。
对于垂直于山脊或山墙端的风，在空气动力学平面上，屋顶间距高达约10度。当平均风向平行于脊线时，对于任何屋顶间距，屋顶也被视为空气动力学平面。对于垂直于脊线的风和10至20度之间的屋顶间距，在脊处发生第二流动分离，在脊的两侧产生高负压区域。在山脊的下风处，流动的第二次重新附着发生伴随着压力的恢复。在大于约20度的屋顶坡度处，在逆风屋顶面上出现正平均压力，并且在脊的下风处发生完全分离的流而没有重新附接，从而在顺风屋顶坡上产生相对均匀的负平均压力。
应该注意的是，上述说明仅适用于高度比下风深度（h/d）比小于约0.5的低层建筑物。随着这个比例的增加，屋顶压力通常变得更加小。这种影响可以在图8.6中看到，图8.6显示了各种屋顶坡度和h/d比率沿低层建筑物中心线的平均压力分布；横跨风的水平尺寸（进入图8.7中的纸张）大约是沿风尺寸的两倍。对于
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