顧 明，余先鋒，全 涌

（同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海200092）

強風作用下，建筑結(jié)構(gòu)的風荷載不僅取決于結(jié)構(gòu)外表面的風壓分布，內(nèi)壓的作用也不容忽視.氣流流經(jīng)建筑物表面的孔隙、主開洞及其引起的柔性結(jié)構(gòu)變形均可導致結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的變化，其中建筑物存在主開洞時的脈動內(nèi)壓變化尤為重要.強風中由于風致飛擲物的撞擊，門窗突然破壞，氣流涌入室內(nèi)，導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部脈動內(nèi)壓增大，屋蓋、山墻等在內(nèi)外壓的共同作用下發(fā)生破壞的情況時有發(fā)生［1－2］.

迄今，人們對結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的認識還不夠，也未對內(nèi)壓作用引起足夠的重視.工程師們在結(jié)構(gòu)設計時往往忽略或只粗略地考慮了風致內(nèi)壓的作用，這給結(jié)構(gòu)安全帶來了極大的隱患.本文從內(nèi)壓控制方程、風致內(nèi)壓的影響因素、研究方法以及各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的描述等方面對風致內(nèi)壓作了全面的回顧與評述，以期人們對內(nèi)壓有一個較為深刻的認識，最后指出了目前風致內(nèi)壓研究中存在的一些問題，以及進一步研究的建議與方法.

1 內(nèi)壓控制方程

建筑結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的動力問題分為突然開洞時的瞬態(tài)內(nèi)壓響應和已存在開洞時由脈動外壓引起的內(nèi)壓穩(wěn)態(tài)響應.目前各國學者已經(jīng)達成共識，即采用2階常微分方程來描述突然開洞結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓響應.Homles［3］首次采用類似于Helmholtz聲學共振器原理導出了2階非線性微分方程，以此來描述帶有主開洞建筑物的風致脈動內(nèi)壓

式中：γ，ρ，pa分別為洞口周邊的空氣比熱容比、密度與壓強；A0為開洞面積；V0為結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積；le為洞口氣流的有效長度為洞口氣流的實際長度，一般指墻體厚度；a0為洞口的名義面積；α與洞口形狀有關，對于圓形開洞α＝0.89，方形開洞α＝0.86，邊長之比為2∶1的矩形開洞α＝0.65，邊長之比為10∶1的矩形開洞α＝0.21；c為孔口流量收縮系數(shù)，文獻［5］指出，對于深開洞le／reff＞1.0，c＝1.0，對于深開洞le／reff＜1.0，c＝0.6；reff＝為開洞的有效半徑；Cpi＝pi／q為內(nèi)壓系數(shù)；為外壓系數(shù)為參考動壓；Uh為屋脊高度處的風速.

Liu和Saathoff［6］認為氣流在開洞中會形成一個收縮段，進而采用流體動力學中的非定常等熵伯努利方程導出了一個更為嚴格的內(nèi)壓控制方程.他們還進行了參數(shù)對比分析，得知該方程比Homles［3］方程具有更大的適應性，它可適用于任意大小的壓強變化.不過Liu 和Saathoff［6］定 義而Vickery［7］指出目前所被接受的氣塞有效長度le應為其中，v0為氣流在收縮段的速度，v2為氣流在開洞中的空間平均速度，位置1處于建筑物外，位置2位于收縮段，位置3處于建筑物內(nèi)但遠離孔口.

Vickery［4，7］，Vickery和Bloxham［8］均認為孔口氣流具有很高的非定常性，孔口附近不存在收縮流動區(qū)域，而更適合用一個能量損失系數(shù)CL來量化氣流與孔口的摩擦損失，進而采用非定?？卓诹髁糠匠虒С隽讼嗨频膬?nèi)壓控制方程.

Sharma和Richards［5，9］首次運用CFD（計算流體動力學）研究了建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的瞬態(tài)響應，并將CFD 計算結(jié)果與風洞試驗作了對比，驗證了CFD 計算結(jié)果的正確性.從CFD 導出的氣流速度矢量圖中可以看到孔口靜脈式收縮確實存在.他們還進一步指出，內(nèi)壓的瞬態(tài)振動衰減率表明內(nèi)壓控制方程中除了非線性阻尼損失以外，還存在額外的一個線性阻尼項，它來源于孔口附近黏性剪應力，進而他們修正了內(nèi)壓控制方程.

為從理論上研究背景孔隙（例如通風孔、墻壁小裂縫等）對內(nèi)壓響應的影響，余世策等［10］在忽略背景孔隙處的氣體慣性效應與背風面的風壓脈動等假設條件下，利用伯努利方程推導了考慮背景孔隙的內(nèi)壓控制方程，進一步完善了內(nèi)壓響應理論.

Oh等［11］指出，當建筑物開洞較小時，墻厚的作用將變得明顯，此時有必要考慮實墻的剪應力效應.由于摩擦而產(chǎn)生的壓力降可由“管道—摩擦方程”來表示.于是他們進一步修正了內(nèi)壓控制方程，并指出對于多開洞或背景孔隙結(jié)構(gòu)，可對每一個開洞或背景孔隙建立內(nèi)壓控制方程，于是可得一個內(nèi)壓控制方程組，但必須補充一個質(zhì)量守恒方程才能進行內(nèi)壓響應求解.

以上內(nèi)壓控制方程只是針對存在單一主開洞且無內(nèi)部分區(qū)的剛性建筑物而言的.而實際建筑物存在多個分區(qū)，且在大風中，建筑物可能會出現(xiàn)多個主開洞，這時結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的空間相關性大為降低，不能僅用一個內(nèi)壓值來描述結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的變化，有待進一步開展結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的基礎理論研究，以期建立數(shù)學模型來預測此時的內(nèi)壓響應及其對結(jié)構(gòu)的作用.

2 風致內(nèi)壓的影響因素

影響風致內(nèi)壓的因素有很多，諸如主開洞及孔隙、結(jié)構(gòu)柔度、Helmholtz共振效應、干擾效應以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)等，其中對建筑物主開洞的大小、位置及孔隙率等的研究較多［12－14］，而對結(jié)構(gòu)柔度、Helmholtz共振、干擾效應及結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)的研究相對較少.

2.1 結(jié)構(gòu)柔度對內(nèi)壓的影響

以上內(nèi)壓控制方程都是針對剛性房屋提出的，當考慮結(jié)構(gòu)的柔度后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積將在內(nèi)外壓的作用下發(fā)生變化，從而內(nèi)壓控制方程也會發(fā)生一定的變化.

Sharma和Richards［15］提出了迎風面開洞的柔性結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓控制方程，并指出當結(jié)構(gòu)屋蓋或墻的自振頻率遠大于突然開孔時的Helmholtz頻率時，在內(nèi)壓作用下，結(jié)構(gòu)將以準靜態(tài)方式響應，但它沒有考慮背景孔隙和屋面外壓的影響.

Sharma［16］再次發(fā)展了迎風面開洞的柔性結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓控制方程，當結(jié)構(gòu)以準靜態(tài)方式響應于內(nèi)外壓聯(lián)合作用時，在考慮了柔性結(jié)構(gòu)的外壓效應后，重新修正了內(nèi)壓控制方程，它不同于Vickery［4］，Sharma和Richards［15］所得的結(jié)果.他進一步研究了無阻尼Helmholtz共振頻率，可知當結(jié)構(gòu)柔度增加時，Helmholtz共振頻率減小了.另外，結(jié)構(gòu)的柔度還增加了內(nèi)壓系統(tǒng)的阻尼.

低矮建筑物的自振頻率一般較高，故在內(nèi)壓作用下，屋蓋與墻的響應一般以準靜態(tài)方式出現(xiàn).這一點和柔性結(jié)構(gòu)是有明顯區(qū)別的.

2.2 Helmholtz共振對內(nèi)壓的影響

導致主開洞建筑物的內(nèi)壓發(fā)生脈動的原因有很多，來流風中的湍流、尾流與分離流區(qū)中的湍流以及Helmholtz共振均能引起結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的脈動.Sharma和Richards［17］指出，如果其Helmholtz頻率落在了自由湍流功率譜中的較大能量區(qū)，且內(nèi)壓系統(tǒng)的阻尼不大時，便會發(fā)生共振現(xiàn)象，這時在Helmholtz頻率附近的脈動內(nèi)壓會顯著放大，出現(xiàn)很高的脈動內(nèi)壓峰值，從而導致構(gòu)件的疲勞破壞等.

當風垂直吹向建筑物的開洞時，共振激發(fā)是自由流中的湍流所致.在切向流下，共振激發(fā)受到橫穿孔口的漩渦影響，它將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空氣大幅壓縮，而內(nèi)部空氣壓縮后，其壓強增大，氣流將會反向而排出，接著一個新的漩渦又開始形成，如此循環(huán).如果洞口的漩渦脫落頻率與Helmholtz頻率一致，將會出現(xiàn)共振現(xiàn)象.

在斜風向下，建筑物的屋蓋表面會形成“錐形渦”，若此處或附近存在主開洞時，Helmholtz共振極有可能發(fā)生.這時，內(nèi)壓控制方程中的激勵CF（t）將由開洞處的時變外壓系數(shù)Cpe（t）與代表“渦脫動力”的額外激勵Ceddy（t）組成.而激勵項Ceddy（t）受到切向流下與Helmholtz共振相關的諸多變量的影響，例如：Strouhal數(shù)，開洞寬度與墻面邊界層厚度的比值，相對于開洞墻面的風向角θ，迎風墻面邊緣到開洞處的距離d以及開洞位置是否位于分離流區(qū)等等.

Sharma和Richards［17］僅通過風洞試驗研究了斜風下內(nèi)壓的Helmholtz共振對內(nèi)壓的影響，提出了內(nèi)壓控制方程中額外激勵項Ceddy（t）的存在，并說明了影響Ceddy（t）的諸多因素，但未詳細研究這些因素對它的影響，也未在理論上給出Ceddy（t）的表達式.

2.3 干擾效應對內(nèi)壓的影響

Liu和Rhee［18］通過風洞試驗研究了干擾效應對建筑物內(nèi)壓的影響.他們對一個帶有主開洞的平屋頂建筑的縮尺模型進行了風洞試驗，并在試驗模型的前方不同位置放置圓柱體施擾物，在層流（湍流度1%）與湍流（湍流度10%）2種氣流條件下研究了干擾效應對受擾建筑物的脈動內(nèi)壓影響.實驗結(jié)果表明：①施擾建筑與受擾建筑的橫向距離變化對脈動內(nèi)壓的影響非常顯著；②在層流均勻風條件下，由于結(jié)構(gòu)自身的干擾效應，背風面開洞處的脈動內(nèi)壓要比迎風面開洞處的大；③同樣是層流均勻風條件，當受擾建筑的前方出現(xiàn)干擾建筑時，若受擾建筑的開洞面積較大，從脈動內(nèi)壓功率譜上可以觀察到雙峰值，其對應的頻率為漩渦脫落頻率與Helmholtz共振頻率，若調(diào)整干擾物的橫向位置，漩渦脫落頻率會發(fā)生移動，當漩渦脫落頻率與Helmholtz頻率相近時，將會引起強烈的“雙共振”現(xiàn)象.若建筑物開洞面積較小時，則只能出現(xiàn)對應于漩渦脫落頻率的單峰值.

干擾效應不僅對結(jié)構(gòu)外壓有較大的影響，對內(nèi)壓的影響也很顯著，不容忽視.Liu和Rhee［18］只通過風洞試驗研究了圓柱施擾建筑對受擾建筑的影響，而不同類型的施擾建筑實質(zhì)上表示不同類型的干擾漩渦，其他類型施擾建筑（如低矮建筑等）對不同類型的受擾建筑（如大跨屋蓋結(jié)構(gòu)等）的內(nèi)壓干擾也有待進一步研究.

2.4 內(nèi)部分區(qū)對內(nèi)壓的影響

以上內(nèi)壓控制方程只是針對結(jié)構(gòu)內(nèi)部無分區(qū)且只存在單一主開洞的建筑物，然而現(xiàn)實中的大多數(shù)建筑物均存在多個房間及多個開洞，因此有必要研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)對內(nèi)壓的響應.

Saathoff和Liu［19］指出，在強風條件下，由于突然開洞，絕大多數(shù)建筑物的各個房間的內(nèi)壓不盡相同.對于多分區(qū)多開洞的建筑物，可對每一開洞建立相應的內(nèi)壓控制方程，這樣對于建筑物中的任一房間可獲得一系列內(nèi)壓控制方程來計算其時變內(nèi)壓.他們還運用上述方法分析了單一分區(qū)、兩分區(qū)及四分區(qū)建筑物的各房間的時變內(nèi)壓.結(jié)果表明，由于迎風墻面突然開洞而導致的峰值內(nèi)壓與Helmholtz共振頻率將隨開洞面積的增大、有效內(nèi)部體積的減小而增大.

Sharma［20］進一步研究了建筑物在存在兩分區(qū)且外墻帶有1 個主開洞時，隔墻上的門是否打開2種情況下的內(nèi)壓響應.

當隔墻上的門關閉時，內(nèi)壓響應可利用單一分區(qū)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓控制方程來求解，只是此時的內(nèi)部體積V0需要進行折減.研究表明，與相同尺寸的無隔墻建筑物相比，帶有不透風隔墻與主開洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)壓系統(tǒng)的阻尼減小了，但Helmholtz共振頻率卻增大，總體而言，帶有不透風隔墻與主開洞的房屋脈動內(nèi)壓要高于相同尺寸的帶有主開洞但無隔墻房屋.

當隔墻上的門敞開時，每個開洞都可被模擬為一個Helmholtz共振器，如圖1所示.2個子分區(qū)的內(nèi)壓響應可由外開洞與內(nèi)開洞處的氣塞位移x1，x2來表示.通過理論分析與風洞試驗表明，當建筑物存在1個帶有開洞的隔墻時，2個子房間的內(nèi)壓均表現(xiàn)出2個共振模態(tài)，其中在低頻共振模態(tài)處，無外開洞的分區(qū)2的脈動內(nèi)壓要高于分區(qū)1.

圖1 帶有內(nèi)外開洞的建筑物［20］Fig.1 Model of a building with an external and an internal opening

考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)后，雖然結(jié)構(gòu)更加符合實際情況，但以上研究仍未考慮當結(jié)構(gòu)存在內(nèi)部分區(qū)時，結(jié)構(gòu)柔度與背景孔隙對內(nèi)壓的影響.

3 風致內(nèi)壓的研究方法

風致內(nèi)壓動力問題是一個復雜的流體動力學問題，其影響因素也很多，很難從理論上進行精確分析，必須依靠風洞試驗、現(xiàn)場實測以及CFD 模擬等手段來進行研究.

3.1 內(nèi)壓的風洞試驗

樓文娟等［21］對2005年前的內(nèi)壓風洞試驗的發(fā)展已作了一個較為全面的回顧與評述.

最近，Ginger等［13－14，22］通過風洞試驗研究了各種主開洞與內(nèi)部體積對內(nèi)壓響應的影響.研究表明：①結(jié)構(gòu)平均內(nèi)壓基本等于主開洞處的平均外壓；②脈動內(nèi)壓與峰值內(nèi)壓均受到結(jié)構(gòu)的開洞面積與內(nèi)部體積的顯著影響，脈動內(nèi)壓還受到來流風速、開洞處的慣性系數(shù)與流量系數(shù)的影響；③內(nèi)壓功率譜在接近Helmholtz頻率處表現(xiàn)出峰值.隨著結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積的增大，內(nèi)壓功率譜上表現(xiàn)出2階頻率峰值.

Oh等［11］通過6個低矮建筑模型，研究了更大范圍內(nèi)的背景孔隙與主開洞比值下的內(nèi)壓響應.由試驗得到：①當背景孔隙與開洞面積的比值較大時，采用內(nèi)壓控制方程組可較準確地預測內(nèi)壓的均方根值；②當結(jié)構(gòu)僅有背景孔隙時，由于背景孔隙的阻尼效應，脈動外壓被大大削弱了；③對于所有的開洞情況，城市郊區(qū)地貌的內(nèi)壓均方根值與峰值均高于開敞農(nóng)村地貌.

Kopp等［23］研究了1個低矮房屋在10種不同工況（包括墻面不同的開洞面積與位置、閣樓與居住空間之間的開洞等）下的內(nèi)壓響應.研究指出：①增大開洞面積，將增大Helmholtz共振，因此也增大了峰值內(nèi)壓，尤其是當風垂直吹向開洞的情況；②屋蓋峰值外壓與內(nèi)壓有很大的相關性；③閣樓與居住層之間的天花板可用來減小屋面板上的風荷載，天花板上的凈壓要略大于居住空間的內(nèi)壓.

3.2 內(nèi)壓的現(xiàn)場實測

Robertson等［24］對2個現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雨篷屋蓋結(jié)構(gòu)（silsoe dutch barn；drayton dutch barn）的內(nèi)外表面風壓進行了現(xiàn)場實測.結(jié)果表明，屋蓋結(jié)構(gòu)上的風荷載變化很大，這主要取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)部所包含的阻塞類型.

Fahrtash和Liu［25］對3幢內(nèi)部體積與開洞面積均不同的建筑物內(nèi)壓進行了現(xiàn)場實測，驗證了前人推導的內(nèi)壓控制方程的正確性.從實測的內(nèi)壓功率譜可以看出Helmholtz頻率處的共振能量較小，即弱共振，這表明了內(nèi)壓脈動時存在較大的阻尼.由此可知：對于一般建筑物，盡管建筑物上的大開洞可導致較大的內(nèi)壓脈動，但開洞、墻與屋蓋提供了足夠的阻尼而阻止了Helmholtz共振的發(fā)生.

Robertson［26］對Silsoe門式剛架結(jié)構(gòu)進行了陣風荷載現(xiàn)場實測.研究表明，當存在1 個主開洞時，應變譜與內(nèi)壓譜表現(xiàn)出高度的一致，給出的動力放大因子可以考慮較高的峰值應力.給出的陣風持續(xù)時間可方便用于預測無開洞時的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的峰值應力.在強風下所觀察到的“向上抬舉”現(xiàn)象，這是由于Helmholtz共振效應引起的.

Yeatts和Mehta［27］描述了WERFL（風工程研究實測實驗室）對風致內(nèi)壓的實測研究.結(jié)果表明：①當無主開洞時，平均內(nèi)壓系數(shù)的范圍為±0.25；②當開孔率為1%，2%，5%時，內(nèi)壓系數(shù)平均值變化不大，其中迎風開洞為2%時，瞬態(tài)內(nèi)壓系數(shù)峰值最高；③對于突然開洞的測量表明，內(nèi)壓并未表現(xiàn)任何的顯著內(nèi)壓超載，而隨后的穩(wěn)態(tài)內(nèi)壓脈動產(chǎn)生了更大的峰值內(nèi)壓.

Kato等［28］對位于東京的1 棟120 m 的高層建筑的樓頂上空的風向與風速、墻面上的風壓、大氣壓以及風致內(nèi)壓進行了現(xiàn)場實測，并將實測結(jié)果與縮尺比為1∶300的模型風洞試驗結(jié)果進行了對比.得到如下結(jié)論：①內(nèi)壓系數(shù)約為－0.26，且在整個大樓的高度上表現(xiàn)得相對一致；②內(nèi)墻與門對平均內(nèi)壓系數(shù)的測量影響不大，同一層不同位置的平均內(nèi)壓測量值基本相同；③從風洞試驗得到平均風壓系數(shù)，再通過質(zhì)量守恒定律計算得到的平均內(nèi)壓系數(shù)近似為－0.26，這與實測值相當吻合.

Ginger和Letchford［29］對WERFL 低矮建筑物進行了現(xiàn)場實測研究，得到了屋蓋表面的外壓與內(nèi)部不同測點的內(nèi)壓.研究結(jié)果表明：①在確定迎風墻面風荷載時，準定常理論是適用的，但對于氣流分離與再附區(qū)域，準定常理論不再適用；②當建筑物處于名義封閉狀態(tài)時，內(nèi)壓與外壓不相關，高于特征頻率fc的內(nèi)壓脈動得到削弱，這將會導致內(nèi)壓陣風因子小于外壓陣風因子；③當建筑物存在一個2%的迎風面主開洞時，內(nèi)壓隨洞口附近外壓的變化而變化，內(nèi)壓的空間相關性很好.內(nèi)壓與大部分外壓卻不太相關，但屋蓋迎風邊緣的外部負壓與內(nèi)部正壓相關性好，從而導致了較大的屋蓋凈壓.

Ginger［30］對TTU（Texas Tech University）實測房屋在名義封閉與大開洞2種情況下的風致內(nèi)壓進行了實測，并與理論分析結(jié)果進行了比較.研究指出：①結(jié)構(gòu)內(nèi)壓主要受外壓分布、開洞位置及大小控制，脈動內(nèi)壓還受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積與覆層柔度的影響；②名義封閉建筑物的平均與脈動內(nèi)壓系數(shù)要比外壓系數(shù)小，且隨著迎風與背風開洞面積比的增大而增大，高于特征頻率的脈動內(nèi)壓將被大大削弱，從而導致一個較小的內(nèi)壓陣風因子；③當建筑物存在一個主開洞時，內(nèi)壓將與迎風墻面的外壓同步脈動.迎風墻面的主開洞導致了屋蓋、邊墻及背風墻的凈正壓減小，凈負壓增大.與洞口處的脈動外壓相比，Helmholtz頻率附近的內(nèi)壓能量增大.開洞面積的增大將減小阻尼，但同時也增大了共振的可能性，這也增大了建筑物所有區(qū)域在Helmholtz頻率附近的凈壓能量.

通過內(nèi)壓的現(xiàn)場實測，不僅可以驗證上述內(nèi)壓控制方程及所取參數(shù)的正確性，更能與風洞試驗和CFD計算結(jié)果進行對比，指出通過風洞試驗和CFD模擬內(nèi)壓中存在的問題及改進方法和可行性.現(xiàn)場實測是采用風洞試驗和CFD 方法研究結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的基礎.

3.3 內(nèi)壓的CFD 模擬

近年來隨著計算機的發(fā)展，CFD 逐漸應用于結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的研究中.采用CFD 模擬研究風致內(nèi)壓，不僅可以對內(nèi)壓響應進行3維求解，還能研究孔口附近的氣流特性.

Sharma［9］首次采用CFD 模擬了建筑物在突然開洞時的內(nèi)壓瞬態(tài)響應與孔口氣流特性，并與風洞試驗結(jié)果進行了對比，證明了CFD 方法的有效性.Sharma 指出：①CFD 方法能正確計算結(jié)構(gòu)的Helmholtz頻率，從而可通過Helmholtz頻率來研究各種氣流條件與各種類型孔口的流量特性；②CFD方法還能有效地預測內(nèi)壓的衰減率；③通過CFD 可方便觀察到孔口中氣流流速的特性，孔口中確實形成了1個氣流靜脈收縮段.

盧旦和樓文娟［31］利用CFD 模擬了建筑物突然開洞瞬時的流場變化，獲得風致內(nèi)壓的Helmholtz頻率和孔口氣流的等效線性阻尼，并與風洞試驗結(jié)果對比，再次驗證了CFD 方法能夠準確模擬突然開孔結(jié)構(gòu)在孔口處的氣體流動狀態(tài).他們還利用孔口氣流振蕩曲線，采用參數(shù)擬合方法進一步獲得了內(nèi)壓傳播方程中的各特征參數(shù).

盧旦［32］再次利用CFD 穩(wěn)態(tài)計算中的k—ε湍流模型和非穩(wěn)態(tài)計算中的大渦模擬方法分別對開孔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的平均風壓和脈動風壓進行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明，采用穩(wěn)態(tài)計算方法可很好地模擬結(jié)構(gòu)表面的平均風壓，而采用大渦模擬方法進行脈動內(nèi)壓計算時，只是低頻區(qū)的計算結(jié)果才與風洞試驗吻合.

4 各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的描述

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的規(guī)定已經(jīng)得到了很大的完善，但各國規(guī)范均未提及建筑物在突然開洞情況下的內(nèi)壓系數(shù)取值，并且它們對內(nèi)壓的取值往往偏于危險［17，23，29，33］.

澳大利亞／新西蘭風荷載規(guī)范（AS／NZS 1170.2：2002）［34］對建筑物名義封閉與帶有主開洞2種情況下的內(nèi)壓系數(shù)作了詳細描述，其中當存在主開洞時，內(nèi)壓系數(shù)如表1所示.表中Cpe為主開洞處的外壓系數(shù).

表1 結(jié)構(gòu)內(nèi)壓系數(shù)［34］Tab.1 Internal pressure coefficients for buildings

ISO 風荷載規(guī)范［35］也分別對名義封閉與帶有主開洞的建筑物內(nèi)壓進行了詳細描述.其中對于名義封閉的建筑物的內(nèi)壓取值與AS／NZS 1170.2∶2002［34］一致，帶有開洞的建筑物內(nèi)壓系數(shù)取值與AS／NZS 1170.2∶2002［34］略有不同.

歐洲風荷載規(guī)范［36］對建筑物墻面有無主開洞2種情況的內(nèi)壓分別進行了描述.當建筑物的某墻面開洞面積為其他墻面的開洞面積的2 倍時，Cpi＝0.75Cpe；當某墻面的開洞面積至少3 倍于其他墻面開洞面積時，Cpi＝0.9Cpe；當某墻面的開洞面積為其他墻面開洞面積的2～3倍時，可采用線性插值來計算內(nèi)壓系數(shù).而當建筑物處于名義封閉時，內(nèi)壓系數(shù)可由圖2來確定.圖中，h，d分別為建筑物的高度與深度；μ為孔隙率.

圖2 無主開洞的建筑物內(nèi)壓系數(shù)［36］Fig.2 Internal pressure coefficients for buildings without dominant openings

英國風荷載規(guī)范［37］對名義封閉、帶有主開洞、開敞的建筑物內(nèi)壓系數(shù)進行了詳細描述.對于名義封閉結(jié)構(gòu)，當兩相對的墻面可透風而其他墻面封閉時，若來流風垂直吹向透風墻，內(nèi)壓系數(shù)取值0.2；若來流風垂直吹向封閉墻，內(nèi)壓系數(shù)取值－0.3.對于帶有主開洞的建筑物，內(nèi)壓系數(shù)取值與歐洲風荷載規(guī)范一致.對于開敞結(jié)構(gòu)，則根據(jù)開敞的墻面數(shù)，風向角的不同而取不同的內(nèi)壓值.

美國風荷載規(guī)范［38］以內(nèi)壓系數(shù)與陣風效應因子乘積的形式GCpi給出了封閉、部分開敞以及完全開敞建筑物的內(nèi)壓系數(shù).當完全開敞時，GCpi＝0；當部分開敞時，GCpi＝±0.55；當封閉時，GCpi＝±0.18.

印度風荷載規(guī)范［39］考慮了開洞大小對內(nèi)壓的影響.當開洞面積小于5%時，內(nèi)壓系數(shù)取±0.2；當開孔率為5%～20%時，內(nèi)壓系數(shù)取±0.5；當開孔率大于20%時，內(nèi)壓系數(shù)取0.7；而對于一面墻敞開的各種情形，內(nèi)壓系數(shù)隨結(jié)構(gòu)深寬比的不同而取不同的值.

日本風荷載規(guī)范［40］指出正確計算內(nèi)壓時必須考慮墻面開洞的位置與大小，但只給出了名義封閉建筑物的內(nèi)壓系數(shù)取值0或－0.4.

中國風荷載規(guī)范［41］也只給出了封閉式建筑物的內(nèi)壓系數(shù)，其按外表面風壓的正負情況取值－0.2與0.2.

從各國風荷載規(guī)范對內(nèi)壓的描述中可知，它們還是落后于當前風致內(nèi)壓的研究進展.為了適應工程實踐的需要，需要將現(xiàn)有的內(nèi)壓研究成果體現(xiàn)于風荷載規(guī)范之中，以供結(jié)構(gòu)工程師在設計時使用.

5 結(jié)語及展望

近年來，盡管國內(nèi)外對建筑結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的研究取得了一定的成果，通過風洞試驗、現(xiàn)場實測以及CFD數(shù)值模擬較為全面地研究了主開洞大小、位置、來流風速等因素對內(nèi)壓的影響；但仍然存在一些重要的基礎和應用問題.為此，提出進一步的研究建議：

（1）建筑物在大風時可能會出現(xiàn)多個主開洞，這時結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的空間相關性大為降低，不能僅用一個內(nèi)壓值來描述結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的變化.因此有必要進一步開展結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的基礎理論研究，以期建立數(shù)學模型來預測此時的內(nèi)壓及其對結(jié)構(gòu)的作用.

（2）目前已經(jīng)建立起來的內(nèi)壓控制方程及相應的Helmholtz頻率已得到了風洞試驗與CFD 數(shù)值模擬的驗證，但很少與內(nèi)壓的現(xiàn)場實測結(jié)果進行比較.而現(xiàn)場實測是采用風洞試驗和CFD 方法研究結(jié)構(gòu)內(nèi)壓的基礎，因此有必要進一步開展內(nèi)壓的現(xiàn)場實測研究，以此驗證上述內(nèi)壓控制方程及所取參數(shù)的正確性，更能與風洞試驗和CFD 結(jié)果進行對比，指出通過風洞試驗和CFD 模擬內(nèi)壓中存在的問題及改進方法和可行性.

（3）采用CFD 穩(wěn)態(tài)計算方法可很好地模擬結(jié)構(gòu)表面的平均風壓，而CFD 大渦模擬方法只能對低頻區(qū)的脈動內(nèi)壓進行模擬計算［32］，因此有必要進一步開展計算流體動力學湍流模型的研究，以期能準確計算結(jié)構(gòu)脈動內(nèi)壓.

（4）結(jié)構(gòu)柔度、Helmholtz共振、干擾效應以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部分區(qū)等因素對內(nèi)壓影響的研究稍顯不足，有必要進一步展開風洞試驗研究.另外，內(nèi)外壓的相關性問題，如何通過內(nèi)外壓來產(chǎn)生凈壓，二次開洞以及強風中是否開洞的概率問題等等，也亟待解決.

（5）開展氣動彈性模型風洞試驗研究柔性屋蓋在內(nèi)外壓共同作用下的氣動彈性現(xiàn)象和氣固耦合效應；開發(fā)一些適用于實際工程風洞試驗研究中的內(nèi)壓實用計算方法.

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