浅析海岸地形中风场效应对高楼建筑施工的影响

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇浅析海岸地形中风场效应对高楼建筑施工的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：文章分析了海岸地形风力通过土堤后后方风力的变化，以对邻近高层建筑施工提供参考。

关键词：风场；土堤；平均风速；速度上升比

中图分类号：TU-80 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）26-0128-02

空旷的海岸地形在面临强风的吹袭下，各式不同土堤形状结构物如防波堤等，在不同倾角的状况下会造成其周遭流场的不同，相对会产生许多变化，且对其表面承受风力作用及邻近区域的高层建筑物施工皆有重大影响，为此本文针对其进行研讨。

台湾地区电力公司林口电厂更新扩建计划，预定将以林口电厂东北海域填积煤灰所产生之新生地规划为煤仓区，建造10座相同规格的燃煤储存筒仓，每座有效储存容积74 000 m3，净内径尺寸直径46 m，外径约为48 m，高度则为高出既有地表面（EL+10.0m）72 m。

由于该工程案预定施作于空旷的海岸地形场所，且建筑量体属大型建物，施工过程中受风力影响不小。因此利用风场实验成果，藉以作为其施工受风力影响的安全性评估参考。

1 大气风场的技术背景及实验原理

1.1 大气紊流边界层

地球表面接受太阳辐射量的不一致造成压力不平衡仍是形成风的基本因素，一般而言，由地表至1 000 m高度之间的大气运动属于紊流边界层型态。Davenport对在中性大气稳定时，不同地形下的大气紊流边界层高度δ提供下列的建议值：乡村地形：δ=274 m；市郊地形：δ=400 m；都市地形：δ=512 m。

Counihan则建议以600 m做为不考虑地形条件下大气边界层的平均高度。

1.2 实验目的

针对不同斜坡倾角的土堤进行模型试验，分析其在受风力作用下的风场结构与特性，以便提供土堤形状构造物相关工程研究设计或评估其周遭施工受风力影响的安全性等参考。

1.3 实验方法

1.3.1 模拟大气紊流边界层

为使环境风洞内产生理想的模拟大气边界层，采用三角型的涡流产生器（spire）与粗糙元素（roughness element）搭配，藉此模拟出较符合现实流场的平均风速剖面与紊流特性。

1.3.2 模拟风场通过土堤

依照1/300缩尺比制造模型，模型仿真风通过一无限长的土堤模型的风场结构，将模型中心置于风洞试验段10.5 m处，量测土堤的上下游及土堤上的风场结构。

1.3.3 采样点模拟

采样点的配置则在纵轴向自土堤前端起算；于土堤上游斜坡起点、上游斜坡中央点、上游斜坡最高点、土堤中央点、土堤下游斜坡最高点、下游斜坡中央点、下游斜坡终点4处依序设置量测点，并针对四种不同倾斜角土堤进行风速剖面量测。

2 实验结果分析

2.1 平均风速剖面

土堤斜坡倾角共有四种角度，分别为0°、45°、26.57°、14.04°，在此依序以土堤（a）、土堤（b）、土堤（c）、土堤（d）来表示。

由实验结果可知在接近地面处因与地表摩擦效应影响下产生的速度差异，在堤顶处尤其明显。同时由于土堤的作用，堤顶前端接近地表处的风速皆有极显著增大的现象，而在通过堤顶后的下游流场则平均风速减缓。

若以土堤斜坡的倾角加以比较，通过土堤（a）的流场受到较大的影响，各点位置风速剖面的变化幅度颇大，在流场通过堤顶前端时，其上升与加速现象最为明显，而堤顶中点及终端与后方流场则受到前端流线分离的影响，造成近地表的风速急速下降，尤以通过土堤后方流场最为明显。而随着坡度的减缓，流场变动幅度亦相对变小。

在接近地面时，堤顶处的平均风速比其它的风速剖面较高，而堤顶后方流场则明显降低。随着斜坡倾角的减缓，堤顶地面风速有渐小的趋势，变化幅度也随倾角的降低而减缓。

2.2 速度上升比ΔS

气流通过土堤后，在接近堤面附近风场有加速现象，以土堤（a）而言，仅在堤顶前有速度上升现象，其后方会产生速度下降现象。而土堤（b）、（c）、（d）则表现出风场在流经一具倾角的土堤时皆会产生风速增加的情况，同时无论距地表的高度为何，皆有加速效应，而其上升趋势则会随着斜坡角度的下降而减缓。对堤顶处速度上升比较可知，土堤（b）的风速会随着流场位置有明显的增加，显示流场风速在流经此类型倾斜角土堤时会持续增加。土堤（c）（d）则由于倾斜角度较缓，其上升比则较为稳定。

2.3 紊流强度

紊流强度一般可作为紊流场中扰动量大小的指标，亦可看出紊流能量的大小。首先由土堤（a）分析后得知在土堤无斜坡的情况下，坡顶近地面处的紊流强度变化不大。接着由土堤（b）、（c）、（d）分析可知，近地表处紊流强度最大值大多发生在进入土堤斜坡初时与通过坡顶的后方流场，由于斜坡的作用，此时的紊流强度皆较土堤（a）为小，可见倾角对流场的影响。

在分析各土堤堤顶处的紊流强度上可发现，紊流强度的大小主要取决于土堤斜坡的倾角大小。随着斜坡倾斜角度的下降，其近地表处紊流强度会逐渐降低。而在此时通过斜坡进入堤顶的位置会产生最大的紊流强度，可知风场在此扰动最大。

2.4 风压系数

风压系数值可用来作为分析风力作用于结构物表面各点压力相对关系的参考依据，同时比较出在物体表面各不同位置下，接受风力作用形成表面风压情况与此时流场的变化。

不同土堤下游各点的平均风压系数，在进入土堤斜坡处时由于受到风力的直接作用，此时皆为正值，同时受到土堤斜坡角度变化的影响，压力作用大小也随着倾角的下降而减少。接着在风场通过斜坡进入堤顶处后则有了显着的变化。由于土堤造型造成的流场改变，此时在堤顶处前端产生了流线分离现象，因此土堤堤顶处前段的压力急剧下降形成负风压系数，其变化幅度随倾角增大而更加剧烈，而在通过堤顶中心至堤顶后方处则暂时回复稳定，在通过堤顶后则又恢复紊乱，土堤（d）则明显反应出由于倾角较缓，造成流场变化较小，由此可见土堤斜坡倾角对风压的影响。

在不同倾角土堤下游，各点的风压扰动系数更清楚，可知，土堤（a）与土堤（b）的风压扰动量随着流场下游位置的改变而有极大的变动，在通过土堤斜坡进入堤顶处至堤顶中点此段易产生最大的扰动值，而土堤(a)则在通过堤顶后风场再度急遽变动，再次增加其风压扰动量。至于土堤（c）与土堤（d）则由于坡度较缓，其风压扰动量皆保持稳定，变动不大。

2.5 剪应力分析

由于剪应力对结构物影响颇大，实验结果说明土堤（b）、（c）、（d）三者在进入斜坡时的剪应力系数随着斜坡倾角增大而上升，而在通过斜坡进入坡顶后开始产生变化。在堤顶前端部分，剪应力系数由于进入斜坡角度的不同而有所改变，此时以土堤（d）较大，而依倾角的增大而渐渐下降，在堤顶后段则逐渐回复平稳。风场通过堤顶之后，土堤（a）后方由于风场紊乱的关系，地表剪应力系数则突然增大，而其余土堤则稍微下降，无太大改变。

由上述的情况可发现，剪应力系数在进入斜坡时会随着倾角递增而加大，但在堤顶前方段则会因此而稍稍下降减少。同时由土堤（d）亦可看出，此时的风场由于较为稳定，因此剪应力系数保持平稳，在此亦可见倾角对风场的作用。

3 结 论

综上所述，笔者得到以下的一些建议以供本次工程参考：

由不同土堤的风场量测中得知，接近地面处在迎风面堤顶上的速度上升最大。另速度上升比与在具备斜坡的土堤上由会随着倾斜角度的递减而下降，同时表示流场风速在流经此类型倾斜角土堤时则会持续增加；由于本次工程的地型类同土堤（b），因此需特别注意作业人员于正向受风面高空作业时，受风力加速的影响。

近地表处紊流强度最大值大多发生在进入土堤斜坡初时与通过坡顶的后方流场。在分析各土堤堤顶处的紊流强度上则可发现，此时紊流强度的大小主要取决于土堤斜坡的倾角大小，随着斜坡倾斜角度的下降，其近地表处紊流强度会逐渐降低。

土堤斜坡处时的平均风压系数Cp（mean）皆为正值，表示受到正风压，同时压力作用大小会随着倾角的下降而减少。而在土堤堤顶处前段则会因压力急剧下降形成负风压系数，其变化幅度随倾角增大而更加剧烈，在通过堤顶中心至堤顶后方处则回复稳定，通过堤顶后则又恢复紊乱，此现象明显地表示土堤斜坡倾角对风压的影响。

紊流边界层在通过土堤斜坡时的剪应力系数随着斜坡倾角增大而上升，而在通过斜坡进入坡顶后剪应力系数则由于进入斜坡角度的不同而有所改变，而依斜坡倾角的增大而渐渐下降，在堤顶后段则逐渐回复平稳。

参考文献：

[1] 王钦华,石碧青,张乐乐.风向对某超高层建筑等效静风荷载的影响[J].汕头大学学报,2012,(2).