鄧 揚，李雨航，李愛群,3

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.北京未來城市高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

古木結(jié)構(gòu)是中國建筑文化遺產(chǎn)的重要組成部分，是華夏文明歷史與文化的載體，具有極高的歷史、文化與藝術(shù)價值[1]。其中，應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔（簡稱應(yīng)縣木塔）是中國現(xiàn)存最高、最古老的木塔，因其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)造成為中國乃至世界古代木構(gòu)建筑的典范[2]；然而，由于受到自然老化、地震及其風(fēng)荷載等作用的影響，使得木塔產(chǎn)生了不同程度的病害，特別是木塔二層西南角柱傾斜嚴(yán)重，若傾斜持續(xù)發(fā)展，會有極大的倒塌風(fēng)險[2-3]。中國文化遺產(chǎn)研究院的現(xiàn)場監(jiān)測與檢測發(fā)現(xiàn)，木塔塔址主導(dǎo)風(fēng)向為西南方向，與木塔傾斜方向具有一定相關(guān)性[3]。風(fēng)荷載的持續(xù)作用會使木塔的傾斜進(jìn)一步發(fā)展，有效控制或緩解其在風(fēng)作用下的傾斜損傷已刻不容緩[4]。

已有學(xué)者針對這一問題做出了一些有益的探索，王世仁[5]提出了落架大修方案，王瑞珠等[6]提出了介入式保護(hù)方案并進(jìn)行了評估，Zhang等[7]開展了二層緊急加固的有限元計算?？偟膩砜矗鲜龇椒ǖ幕舅枷刖窃鰪娔舅Y(jié)構(gòu)自身抵抗外界水平荷載的抗力。除此之外，作者提出一種緩解木塔風(fēng)致傾斜損傷的新思路：在木塔周圍進(jìn)行人工植林，進(jìn)而改變木塔周圍的風(fēng)場，減小作用在木塔結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載，實現(xiàn)緩解木塔風(fēng)致傾斜損傷的目的。

人工建設(shè)防護(hù)林以減少風(fēng)速從而實現(xiàn)防風(fēng)固沙的方法已經(jīng)應(yīng)用于中國“三北”防護(hù)林體系工程建設(shè)中，該方法有效改善了大空間尺度區(qū)域的風(fēng)場環(huán)境[8]。Rui等[9]通過合理布置樹林有效改變了建筑物周圍風(fēng)場，在建筑物周圍關(guān)鍵區(qū)域減小風(fēng)速。國內(nèi)外學(xué)者針對人工植林改善現(xiàn)代建筑周圍風(fēng)場環(huán)境的問題開展了研究，其核心思想是利用建筑群與周圍環(huán)境的風(fēng)場干擾效應(yīng)[10]，主要研究方法包括現(xiàn)場實測[11]、計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬[9,12]與風(fēng)洞試驗。其中，風(fēng)洞試驗是風(fēng)工程中準(zhǔn)確且成熟的方法，可以彌補實測與CFD技術(shù)的缺點，如天氣影響[13]、湍流模擬參數(shù)[14-15]與樹木模擬方法[16-18]等。近年來，Cheng等[19]對不同樹木布置方式下的風(fēng)場分布規(guī)律開展了風(fēng)洞試驗研究，Ma等[20]采用風(fēng)洞試驗研究了遮擋物與風(fēng)場之間的關(guān)系。

然而，對于應(yīng)縣木塔這類“獨一無二”的高聳古木塔結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有人工植林影響建筑風(fēng)場的研究成果仍難以有效支撐緩解木塔風(fēng)致?lián)p傷，主要原因：1）現(xiàn)有研究主要面向現(xiàn)代建筑[9,21]，而針對具有復(fù)雜外形的高聳古木結(jié)構(gòu)的研究較少；2）人工植林風(fēng)洞試驗研究縮尺比大多在1∶200以下[22]，特別是樹木模型尺寸較小，誤差較大，針對大縮尺比的樹木風(fēng)洞試驗?zāi)M方法鮮有介紹?；谏鲜稣J(rèn)識，本文提出利用人工植林減小高聳古木塔的風(fēng)荷載，從而實現(xiàn)緩解其傾斜損傷持續(xù)發(fā)展的新思路。相較于其他方法，本文方法具有成本低、非接觸、可更換與干擾小等優(yōu)勢，不會對木塔造成直接損傷。

本文以應(yīng)縣木塔為研究對象，采用大比例尺（1∶50）的精細(xì)化木塔剛性模型和樹木模型，開展了基于人工植林技術(shù)的木塔風(fēng)洞測壓試驗。研究了大比例尺下，高大喬木樹林的模型制作方法；分析了有無樹木條件下，木塔的風(fēng)壓特性及其分布規(guī)律；采用風(fēng)洞試驗結(jié)果計算了不同的樹木高度、距木塔距離與布置寬度等條件下的風(fēng)荷載層間力與層傾覆彎矩，并分析了基底剪力與彎矩的減小率，在此基礎(chǔ)上給出了植林布置的建議；旨在通過風(fēng)洞試驗掌握木塔在人工植林遮擋下的風(fēng)壓與風(fēng)荷載分布規(guī)律，探索利用人工植林技術(shù)減小木塔風(fēng)荷載的可行性，為應(yīng)縣木塔及類似中式高聳古建筑的保護(hù)提供新思路。

1 風(fēng)洞試驗概況

1.1 應(yīng)縣木塔基本情況

應(yīng)縣木塔如圖1所示。

圖1 應(yīng)縣木塔Fig.1 Yingxian wooden pagoda

圖1中，木塔實際高65.84 m，共9層，包括5個明層、4個平坐層（暗層）和屋頂[2-3]。明層與平坐層豎向交替建造，木塔底面面闊30 m，呈正八邊形。由于服役過程中受到多種荷載作用，木塔第2層明層內(nèi)外柱均已產(chǎn)生了一定的傾斜，如圖2所示。

圖2 木塔第2層明層內(nèi)外柱傾斜Fig.2 Column inclination on the second floor of wooden pagoda

1.2 試驗風(fēng)場

應(yīng)縣木塔周邊房屋較矮且較為稀少，所在區(qū)域?qū)貰類地貌，地面粗糙度指數(shù)為0.15[23]；在模型高度為0.2 m處（即實際高度10 m高處）的風(fēng)速取值為10 m/s。風(fēng)洞測壓試驗在長沙理工大學(xué)大氣邊界風(fēng)洞實驗室高速試驗段開展。該風(fēng)洞實驗室長21 m、寬4 m、高3 m，可試驗風(fēng)速為1～45 m/s，風(fēng)洞試驗示意圖如圖3所示，試驗布置如圖4所示。

圖3 風(fēng)洞試驗室示意圖Fig.3 Diagram of wind tunnel test

圖4 風(fēng)洞試驗布置Fig.4 Wind tunnel test setup

在風(fēng)洞試驗段入口處設(shè)置劈尖，并在試驗段設(shè)置粗糙元（圖4（a）），使風(fēng)速與湍流度剖面達(dá)到規(guī)范要求。在風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤試驗區(qū)中心處測得風(fēng)場平均風(fēng)速與湍流度如圖5所示。圖5中，風(fēng)速和湍流度剖面與理論值吻合良好，滿足試驗需求[24]。風(fēng)洞試驗參考點高度為1 m（相當(dāng)于實際50 m高度）。von-Karman譜是風(fēng)工程中最常用的風(fēng)譜驗證方法之一[25-26]，因此，將參考點的脈動風(fēng)速功率譜密度與von-Karman譜進(jìn)行對比，如圖6所示[27]。從圖6中可以看出，吻合較為良好，滿足要求。

圖5 平均風(fēng)速與湍流度剖面Fig.5 Profile of mean wind speed and turbulence intensity

圖6 1 m高處的風(fēng)速功率譜密度與von-Karman譜對比[27]Fig.6 Comparison between velocity spectra at 1 m height and von-Karman spectra[27]

1.3 試驗?zāi)Ｐ图皽y點布置

由于應(yīng)縣木塔高寬比較小，結(jié)構(gòu)主體順風(fēng)向與橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)較小，且本文主要目的是驗證人工植林減少木塔風(fēng)荷載的可行性，故采用剛性測壓模型進(jìn)行研究?；陲L(fēng)洞試驗室條件，試驗?zāi)Ｐ蛶缀慰s尺比為1∶50，模型高度為1.32 m，采用松木制作。試驗縮尺模型精細(xì)地復(fù)刻了木塔外形結(jié)構(gòu)特征，包括副階廊柱、欄桿、斗拱、屋檐及寶頂。經(jīng)計算，模型在風(fēng)洞試驗中的最大阻塞比為4.5%，滿足規(guī)范5%的限值[24,28]。

因木塔平面為正八邊形，且測壓閥數(shù)量有限，選取木塔5個面（編號①～⑤）布置測壓點，如圖7所示。因本文重點關(guān)注植林樹木對于木塔風(fēng)荷載與風(fēng)壓的減緩程度，以及不同植林排布的影響，且木塔平面中心對稱，因此風(fēng)向角僅選取0°，即來流風(fēng)向與①號面正交。植林樹木均布置在木塔迎風(fēng)面處。

圖7 木塔模型方位與風(fēng)向示意圖Fig.7 Schematic diagram of model orientation and wind direction

木塔模型中共布設(shè)了510對壓力傳感器，其中，①號面的壓力測點布置如圖8所示，其余面測點位置與數(shù)量與①號面類似，區(qū)別在于：①號面第1層墻面（明層）處中心測點（A2、A3、A6與A7）因門框突出而安裝在門框上，其他測點面直接安裝在墻面上。根據(jù)木塔外形特征，將每一個測點面沿高度方向分為11個測點區(qū)域，分別為：第1層墻面（A區(qū)域）、第1層副階屋檐（B區(qū)域）、第2層平坐層屋檐（C區(qū)域）、第2層門窗（D區(qū)域）、第3層平坐層屋檐（E區(qū)域）、第3層門窗（F區(qū)域）、第4層平坐層屋檐（G區(qū)域）、第4層門窗（H區(qū)域）、第5層平坐層屋檐（I區(qū)域）、第5層門窗（J區(qū)域）、屋頂屋檐（K區(qū)域）。

圖8 木塔風(fēng)壓測點布置Fig.8 Pressure tap distributions on wooden pagoda

第1層墻面區(qū)域（A區(qū)域）共布置12個測點，第2層至第5層的門窗區(qū)域（D、F、H和J區(qū)域）各布置13個測點，第1層副階屋檐與第2層至第5層平坐層屋檐區(qū)域（B、C、E、G和I區(qū)域）各布置6個測點，屋頂屋檐區(qū)域（K區(qū)域）布置8個測點，每個測點面共有102個風(fēng)壓測點。需要說明的是，圖8中，測點編號規(guī)則為“測點面編號+區(qū)域號+測點編號”。

1.4 樹木模型

國內(nèi)外已有學(xué)者提出了面向風(fēng)洞試驗的樹木模型模擬制作方法，Hesp等[11]采用木質(zhì)銷栓與麻繩制作成樹木，Queck等[29]采用圓柱形線框模擬灌木，沈煉等[22]采用塑料樹木模型模擬街道行道樹。然而，因本文選取的縮尺比較大，同時，為因地制宜，樹木種類建議選擇高大落葉喬木，如圖9（a）所示，這使得樹木模型外形尺寸較大，現(xiàn)有方法難以滿足本文風(fēng)洞試驗的需求。

圖9 樹木原型與模型Fig.9 Prototype and model of plants

為此，本文采用一種基于遮蔽率的簡化樹木模擬方法。根據(jù)樹木整體遮蔽率、實際樹冠寬度及木板自身特性（抗風(fēng)性與自重等），采用邊長為6 mm的正方形桐木條模擬樹干部分；選取尺寸為120 mm × 20 mm ×1 mm的木板模擬樹冠部分，并沿高度每100 mm正交粘貼，如圖9（b）所示。樹木整體遮蔽率約為20%，這與無樹葉的樹木遮蔽率相近[30]，同時也可模擬最不利的情況。

1.5 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)場的風(fēng)速與湍流強度通過眼鏡蛇探針進(jìn)行測試，風(fēng)壓測試采用美國PSI DTC Initium型電子壓力掃描閥進(jìn)行。各測壓孔均與結(jié)構(gòu)表面垂直，所有連接測壓孔與掃描閥的PVC軟管均取同樣長度，并在輸出數(shù)據(jù)時進(jìn)行畸變修正[31]。根據(jù)來流風(fēng)速與幾何縮尺比，為采集到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采樣頻率選定為200 Hz，采樣時間為60 s，相當(dāng)于原型結(jié)構(gòu)約10 mins。規(guī)定風(fēng)壓數(shù)據(jù)中，正值為風(fēng)壓力，負(fù)值為風(fēng)吸力。使用修正后的風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)，通過式（1）可計算出每個測壓點i的瞬時風(fēng)壓系數(shù)Cpi(t)為：

式中：Pi（t）為t時刻測點i的瞬時風(fēng)壓；ρ為空氣密度，可取1.225 kg/m3；Vref為參考點（高度為1 m）風(fēng)速。

2 樹木布置工況

考慮3種植林布置條件，分別為樹木高度H、樹木距木塔距離D與樹木布置寬度W，如圖10所示。圖10中，樹木的列距與行距采用固定數(shù)值，分別為160與200 mm[32]，樹木布置于木塔的正前方（圖4（c））。樹木布置工見表1。表1中：工況1、2、3和4考慮樹木高度變化，其樹木高度分別為200、300、400及500 mm，相當(dāng)于實際高度10、15、20及25 m；工況5、6和7考慮樹林距木塔距離的變化，其距離木塔分別為600、800及1 000 mm，這里距離指的是木塔中心至第1排樹木的距離；工況3、6及8考慮樹木布置寬度的變化，其布置寬度分別為1 120、1 760及2 400 mm。

表1 樹木布置工況Tab.1 Plant arrangement conditions

圖10 樹木布置工況示意圖Fig.10 Schematic diagram of tree arrangement conditions

3 木塔風(fēng)壓分布

3.1 無樹木

木塔每個測點的風(fēng)壓系數(shù)平均值Cpmean可通過式（1）對瞬時風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行計算。木塔在0°風(fēng)向角作用下的平均風(fēng)壓系數(shù)云圖如圖11[33]所示。從圖11可以看出：①號面除屋頂外均受風(fēng)壓力，最大風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)在木塔迎風(fēng)面中偏上部，其數(shù)值為+0.700；第1～4層平坐層屋檐均受風(fēng)壓力，數(shù)值與明層風(fēng)壓相近，說明來流風(fēng)未發(fā)生分離；在屋頂處，風(fēng)壓力轉(zhuǎn)為風(fēng)吸力，其最大值為-0.710；①號面的風(fēng)壓分布與現(xiàn)代建筑較為相似。在②號面上，繞流木塔的風(fēng)會引起木塔表面風(fēng)壓系數(shù)由正轉(zhuǎn)為負(fù)，且轉(zhuǎn)變速度較快；靠近風(fēng)來流方向為正，遠(yuǎn)離來流方向為負(fù)，所以②號面中心線位置風(fēng)壓系數(shù)接近0；在②號面屋頂處，風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)，最大可達(dá)-1.090。整個③號面均受較大風(fēng)吸力，平均風(fēng)壓系數(shù)超過-0.600，其中最大值出現(xiàn)在A區(qū)域與K區(qū)域，分別為-1.243與-1.220，這是因為A區(qū)域的副階游廊流通截面小，導(dǎo)致風(fēng)速加快，風(fēng)壓增大，同時風(fēng)在K區(qū)域分離產(chǎn)生較大的風(fēng)吸力。在④與⑤號面上，木塔主要受風(fēng)吸力，且風(fēng)壓變化較小，除屋頂外的風(fēng)壓平均值為-0.600；最大風(fēng)吸力出現(xiàn)在屋頂區(qū)域，為-0.959。

圖11 無樹木工況下各面在 0°風(fēng)向角下平均風(fēng)壓系數(shù)等值線[33]Fig.11 Contour plots of mean pressure coefficients of the isolated pagoda at wind direction of 0°[33]

3.2 有樹木

不同樹木工況下木塔風(fēng)壓分布趨勢相似，選取最具代表性的工況3進(jìn)行分析。圖12為木塔在有樹木（工況3）下0°風(fēng)向角的平均風(fēng)壓系數(shù)。

圖12 有樹木工況下（工況3）各面在 0°風(fēng)向角下平均風(fēng)壓系數(shù)等值線Fig.12 Contour plots of mean pressure coefficients of pagoda under the tree blocking (Case3) at wind direction of 0°

由圖12可見：在①號面上，風(fēng)壓系數(shù)絕對值在樹木遮擋區(qū)域內(nèi)有大幅度減小，整體減小幅度可達(dá)55.5%；當(dāng)高于遮擋區(qū)域時，風(fēng)壓系數(shù)逐漸增大，當(dāng)高于500 mm時，有樹木工況木塔風(fēng)壓系數(shù)絕對值略大于無樹木工況下木塔風(fēng)壓系數(shù)，但總的來說，樹木在迎風(fēng)面具有較好的遮擋作用效果。在②號面上，遮擋區(qū)域內(nèi)各工況均呈現(xiàn)風(fēng)吸力，且風(fēng)吸力絕對值較無樹木工況大；樹木越高，風(fēng)吸力越大，但風(fēng)壓系數(shù)絕對值小于0.4。在③號面上，有樹木工況風(fēng)壓系數(shù)絕對值整體小于無樹木工況的風(fēng)壓系數(shù)；當(dāng)木塔高度大于500 mm時，有樹木遮擋下的風(fēng)壓系數(shù)絕對值比無樹木工況小很多，最大可減小15.7%。值得注意的是，盡管樹木高度比木塔低，但樹木依然對屋頂及木塔高層區(qū)域的風(fēng)壓分布產(chǎn)生影響。在④與⑤號面上，有樹木工況下木塔風(fēng)壓系數(shù)絕對值在150 mm高度以下略大于無樹木工況；當(dāng)高度大于150 mm時，木塔風(fēng)壓系數(shù)小于無樹木工況，最大可減小17.7%。

4 風(fēng)荷載作用及影響因素分析

4.1 計算方法

風(fēng)荷載主要包括風(fēng)層間力與層傾覆彎矩，各層累加可得風(fēng)基底剪力與風(fēng)基底傾覆彎矩[31]。風(fēng)層間力與傾覆彎矩可通過模型實際風(fēng)壓與高度進(jìn)行計算，風(fēng)荷載計算區(qū)域與測點劃分區(qū)域相同，如圖8所示。測點的風(fēng)力與風(fēng)傾覆彎矩可通過式（2）與（3）計算：

式中，F(xiàn)ji與Mji分別為在j區(qū)域的第i測點的風(fēng)層間力與風(fēng)傾覆彎矩，Pimean為i測點的平均風(fēng)壓系數(shù)，Ai為i測點的所屬面積，α與β分別為i測點風(fēng)壓力與水平面和豎直面的夾角，hi為測點i的高度。需要注意的是，本文風(fēng)傾覆彎矩為水平風(fēng)壓引起的彎矩，豎向彎矩分量因?qū)Y(jié)構(gòu)傾覆具有減緩作用而忽略。

第j區(qū)域的層間力Fj與層傾覆彎矩Mj分別為：

式中，n為區(qū)域j的風(fēng)壓測點數(shù)量。將各區(qū)域風(fēng)層間力與層傾覆彎矩相加，則可得到風(fēng)荷載基底剪力與基底彎矩。

為評估植林樹木遮擋后的木塔風(fēng)荷載減緩效果，分別定義基底剪力與基底彎矩的減小率分別為：

式中，F(xiàn)與M分別為人工植林的木塔風(fēng)基底剪力與彎矩，F(xiàn)(0)與M(0)為沒有樹木遮擋情況下的基底剪力與基底彎矩。

4.2 影響因素

4.2.1 樹木高度影響

采用式（2）～（5）計算不同樹木高度下木塔風(fēng)層間力與風(fēng)層傾覆彎矩，結(jié)果如圖13所示。由圖13可見，木塔各明層風(fēng)層間力比平坐層層間力大。樹木越高，遮擋區(qū)域越大，區(qū)域內(nèi)風(fēng)層間力越小。如B區(qū)域內(nèi)，層間力從大到小依次為無樹木工況、工況1（樹高200 mm）、工況2（樹高300 mm）、工況3（樹高400 mm）與工況4（樹高500 mm）。當(dāng)超過樹高遮擋范圍時，工況1與2層間力比無樹木遮擋情況下的層間力大，如：工況1在C與D區(qū)域的層間力，但增幅僅為3.5%左右；工況4下的E區(qū)域出現(xiàn)最大層間力減小率，其值可達(dá)37.9%，同時D區(qū)域?qū)娱g力減小率也可達(dá)29.7%，說明樹木高度增加可有效減小木塔風(fēng)荷載，特別是對木塔第2層明層風(fēng)荷載。層傾覆彎矩隨高度增加而增加；同時，因低層高度較小，層傾覆彎矩減小效果不明顯。

圖13 不同樹木高度下風(fēng)荷載的分布Fig.13 Wind load distribution of pagoda with various plant heights

分別采用式（6）與（7）計算基底剪力與彎矩的減小率如圖14所示。由圖14可見：隨著樹木的增高，基底剪力與彎矩減小率有較大幅度增加，最大減小率分別達(dá)到16.9%與10.7%，說明樹木高度的增加可有效減小基底剪力與彎矩，減緩風(fēng)荷載對于木塔的作用。同時，當(dāng)樹木增高時，基底剪力與彎矩減小率會有較大幅度增加，說明當(dāng)采用人工植林技術(shù)減緩風(fēng)荷載時，應(yīng)盡量選取高大樹木；當(dāng)樹木高度低于200 mm時（實際為10 m高），樹木對木塔風(fēng)荷載的影響可忽略。

圖14 不同樹木高度下風(fēng)荷載基底剪力與基底彎矩及減小率Fig.14 Wind base shear force and moment and reduction ratio of pagoda with various plant heights

4.2.2 樹木距木塔距離的影響

不同樹木與木塔距離下木塔的風(fēng)荷載分布情況如圖15所示。由圖15可見，在遮擋高度范圍內(nèi)，當(dāng)樹木距離木塔越近，遮擋效果最好，層間力由小到大分別為工況5（距離600 mm）、工況6（距離800 mm）和工況7（距離1 000 mm）。在區(qū)域D，工況5的層間力比工況7的層間力大6.5%；而在高層區(qū)域上，工況5層間力比工況7小，但整體變化幅度較小。在區(qū)域B，各工況出現(xiàn)最大層間力減小率，分別為30.1%（工況5）、28.6%（工況6）與27.7%（工況7）；層傾覆彎矩與層間力相似，最大層間傾覆彎矩減小率分別為30.1%、28.8%與28.1%，各工況相差較小。

圖15 距木塔不同距離下風(fēng)荷載的分布Fig.15 Wind load distribution of pagoda with various distances from the pagoda

計算不同樹木與木塔距離下的基底剪力與彎矩的減小率如圖16所示。由圖16可見，樹木離木塔越近，基底剪力與彎矩減小率越大，其最大減小率可達(dá)11.3%與7.1%。結(jié)果表明，將樹木布置在離木塔盡量近的區(qū)域，會較好地減小風(fēng)荷載。

圖16 距木塔不同距離下風(fēng)荷載基底剪力與彎矩及減小率Fig.16 Wind base shear force and moment and reduction ratio of pagoda with various distances from the pagoda

4.2.3 樹木布置寬度的影響

不同樹木布置寬度下木塔的風(fēng)荷載分布情況如圖17所示。由圖17可見，在遮擋區(qū)域內(nèi)（A、B與C區(qū)域），層間力由大到小依次為工況6（1 120 mm）、工況3（1 760 mm）與工況8（2 400 mm），但相差較小。值得注意的是，當(dāng)高于遮擋區(qū)域時，工況8的風(fēng)層間力比工況6大，主要原因在于，較寬的樹木布置會使樹木離風(fēng)洞試驗邊界過近，進(jìn)而使得風(fēng)流速增大，造成木塔風(fēng)荷載增加。在區(qū)域B，工況6、3及8出現(xiàn)最大層間力減小率，分別為28.6%、29.7%與30.1%；層傾覆彎矩與層間力相似，由于在遮擋區(qū)域內(nèi)不同工況層間力變化較小，且高度較矮，所以計算出的彎矩差別很小。在高于遮擋區(qū)域高度，特別是在H區(qū)域（第4層明層）與J區(qū)域（第5層明層），工況8傾覆彎矩比工況6與3大，這與層間力趨勢相符。

圖17 不同樹木布置寬度下風(fēng)荷載的分布Fig.17 Wind load distribution of pagoda with various plant widths

不同樹木布置寬度下基底剪力與彎矩計算結(jié)果如圖18所示。由圖18可見，當(dāng)樹木布置寬度增大時，基底剪力與彎矩有所增大，減小率降低。這可能是由于樹木排布過寬導(dǎo)致風(fēng)流速變大，產(chǎn)生了較大風(fēng)壓力。若僅從遮擋區(qū)域內(nèi)的減緩效果來看，樹木排布越寬，減緩風(fēng)荷載效果越好。

圖18 不同樹木布置寬度下風(fēng)荷載基底剪力與彎矩及減小率Fig.18 Wind base shear force and moment and reduction ratio of pagoda with various plant widths

5 結(jié) 論

本文開展了基于人工植林的削減高聳古木塔風(fēng)荷載作用的風(fēng)洞試驗研究，提出了適用于大縮尺比高大喬木的風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ椭谱鞣椒ǎ疾炝四舅砻嬖谟袩o樹木遮擋下的表面風(fēng)壓分布，計算了木塔風(fēng)層間力與層傾覆彎矩，并分析了木塔基底剪力與彎矩的減小率。研究結(jié)論如下：

高聳古木塔風(fēng)壓分布規(guī)律與現(xiàn)代建筑完全不同，除迎風(fēng)面受到風(fēng)壓力外，其余各面與屋頂均受到較大的風(fēng)吸力。采用木條與木板可較好地模擬大縮尺比的高大喬木模型，通過調(diào)整木板數(shù)量與位置改變樹木高度與遮蔽率。

樹木的遮擋作用會很大程度影響木塔所受風(fēng)荷載，最大層間力減小率可達(dá)37.9%。樹木越高，遮擋范圍越大，風(fēng)荷載減小率越大，最大基底剪力與彎矩減小率可達(dá)17.0%與10.8%。而距木塔越近，風(fēng)荷載減少率有小幅增加。

樹木布置寬度越寬，在遮擋區(qū)域內(nèi)，木塔風(fēng)荷載有小幅降低。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，木塔西側(cè)為城市公園，適宜布置植林樹木來減緩來自西南主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)荷載作用。綜合而言，當(dāng)采用人工植林緩解木塔風(fēng)荷載時，應(yīng)選用高度較高的樹木，以盡量寬地寬度布置在距木塔西南側(cè)的較近區(qū)域。

本文開展了高聳古木塔在不同植林樹木高度、距木塔距離與布置寬度下的風(fēng)洞試驗研究，旨在為削減木塔風(fēng)荷載作用提供新的思路。實際植林樹木的單體與整體遮蔽率比風(fēng)洞試驗高，對木塔有更好的遮擋作用。另外，本方法可與結(jié)構(gòu)加固增強相結(jié)合，同時從減小外荷載與增加結(jié)構(gòu)抗力兩方面緩解高聳古木塔的風(fēng)致?lián)p傷。