© Written by J.Y. WANG

自然风状态下的大气边界层湍流可以看作是由平均风输运的一些尺度不同的旋涡的叠加；在统计上，可被处理为一平稳的高斯过程，采用达文波特谱或其他脉动风速谱来描述。当大气边界层湍流遇到建筑物后，会不可避免的产生分离、再附、旋涡脱落等现象，使其内部结构遭到破坏，此时的流动过程在统计特性上已明显区别于自然风状态下的大气边界层湍流，且与结构本身的几何特性密切相关，因此称之为特征湍流。

图2.2 大跨度屋盖结构绕流示意图

特征湍流的形成主要与流体的粘性效应有关，当风绕建筑物流动时，与结构表面接触的流体微粒会贴附在结构表面上；由于粘性效应靠近表面的一层流体微粒将减慢流动，形成跗面层；这一过程一直持续到粘性力减弱为零，此时的流体微粒流动速度就等于外层气流的速度。当附面层的外层流速大于内层流速时，就会在附面层内形成较大的逆压梯度，导致附面层分离。分离作用形成了一系列离散旋涡，并脱落到钝体后方的尾流中，这些旋涡使得分离点附近出现非常大的吸力。在一定的来流湍流强度和攻角条件下，自建筑物前缘分离的附面层会再附到建筑物表面，这时附面层下会形成不通气的空腔（分离泡），使得靠近建筑物前缘的附面层下产生负压。

特征湍流对屋盖风荷载的作用可以概括为以下几方面：

（1）屋面风压主要以风吸力为主，并直接导致屋面出现局部风吸力极值。

（2）使屋面的大部分区域处于来流的再附区，由于再附作用是在分离泡破碎后形成的，此时旋涡的组织结构已经被破坏，因此屋盖表面的风压相关性总体较弱。

（3）拟定常假设无法无法适用。目前风荷载作用的估计通常都基于拟定常假设，即建筑物表面的风压与大气边界层来流之间具有完全的相关性，即屋面风压的变化特性与来流的变化特性一致，二者之间的关系可以用Bernoulli方程表示。Kawai（1983）曾对方柱表面的脉动风压功率谱进行过测量，结果如下图所示。可以看出，在迎风面脉动风压的功率谱与大气来流的Karman谱十分接近，说明在迎风面上可以采用拟定常假定；但是在来流平行的侧表面上，脉动风压的功率谱则与根据拟定常假设所确定的功率谱差别较大，而这种差别正是由于来流的分离和再附作用造成的。

图2.3 方柱表面脉动风压功率谱

研究表明，特征湍流是导致建筑物表面出现局部风压极值的主要原因，研究特征湍流的发生、发展过程，对于认识建筑物的风致破坏机理具有十分重要的意义。在这方面，国外的学者已开展了一些研究。Kawai借助热线探头测量低矮屋盖上方的绕流场，得到旋涡中心的平均位置，即旋涡速度场旋转中心的位置，结果证实位于屋盖表面最大风吸位置之上；Bienkiewicz将低矮房屋屋盖拐角区域的风压分布同流场可视化结果进行了比较，认为风压变化梯度最大的位置为屋盖上旋涡的再附处；Kawai和Nishimura同步测的低矮平屋盖表面风压及来流风速时程，基于整个屋盖表面风压脉动相关性得出屋盖上方作用的一对锥形涡在横风向出现同步交替波动，如下图所示，即锥形涡形状不变，但轴线OB、OD同步波动到OA、OC，使得关于屋盖对角线对称点的风压呈反相变化。但是以上的研究对象主要是低矮建筑，对于大跨度屋盖的研究还很少。由于大跨度屋盖表面风压特性不仅与来流特性有关，还会的更多的受到建筑物自身特征湍流的影响。因此研究大跨度屋盖的特征湍流特性，对于完善大跨度屋盖抗风设计具有重要意义。

图2.4 低矮房屋平屋盖上锥形涡的交替波动

由于特征湍流的复杂性，目前还没有形成一套成熟的分类方法，以下只给出几种常见的特征湍流形式。如当来流垂直于平屋盖迎风外边缘时，来流在平屋盖的前缘会发生分离，形成一个明显的柱状涡；当来流同平屋盖外边缘有夹角时，会形成一对锥状涡；及高层建筑在侧面形成的马蹄涡，也称移动式锥形涡等，这些都是特征湍流典型的旋涡形式。