户外沙发抗风性能试验研究

肖丹玲

广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广东广州 510500

摘 要：本文对户外沙发在风力作用下的抗滑移、抗倾覆条件进行了分析，户外沙发在风力作用下发生滑移的条件与自身重量及迎风面积有关，而其抗倾覆能力则与风荷载作用力臂及重心高度有关；对八组户外沙发在风洞中的抗风性能进行了测试，测试结果验证了分析结论的准确性；根据分析与测试结果，本文提出了户外家具设计时应注意的选型、选材、配重和摆放时的摆放方向等因素以供类似户外家具或活动景观参考。

关键词： 户外沙发；风洞；抗风性能；测试；抗滑移；抗倾覆

1引言

户外家具是指在开放或半开放性户外空间中^[1-3]，为方便人们健康、舒适、高效的公共性户外活动而设置的一系列相对于室内家具而言的用具，其主要涵盖了城市公共户外家具、庭院户外休闲家具、商业场所户外家具、便携户外家具等四大类产品。按其安放形式，又可分为：①永久固定型，如木亭等长期放置在户外且重量较重的家具；②可移动型，如大太阳伞、桌椅等既可用于户外又可收纳在室内无须考虑坚固防腐性能的家具；③可携带型，如帐篷、钓鱼凳等重量轻、可折叠、便于携带的家具。

户外沙发属于城市公共户外家具或商业场所户外家具，为可移动型的，由于占地面积较大，通常安置在户外广场、或者高楼周围休闲区域。由于沙发通常质量较轻、体积较大，在风的作用下有可能发生移动甚至倾覆发生危险^[4]。

2抗风性能分析

由于户外沙发为户外可移动型家具，在风力作用下的受力示意图见图1，作用在其上的风荷载为： ，其中： 为风压（Pa）， 为净受风面积（㎡）；按贝努利公式^[5]： ， 为风速（m/s）， 为空气密度，可取为1.25kg/m³，可以得到： ，沙发透风透风率为 ，最大迎风面积为 ，则： 。

图1 户外沙发在风力作用下的受力示意图

户外沙发只能通过与地面之间的摩擦力来抵抗风荷载，当户外沙发承受的风荷载大于其与地面的最大静摩擦力 ，也即 时将发生顺风向的滑移，其中 为最大静摩擦系数， 为重力（N）。

风荷载产生的倾覆力矩为： ，其中： 为风荷载作用力臂（m），当户外沙发承受的风荷载倾覆力矩大于其抗倾覆力矩 ，也即 时将发生顺风向的倾覆，其中 为抗倾覆力臂（m）。

根据上述户外沙发发生滑移与倾覆的条件分析，由于材质相同，试验地面一致，则它们与地面的摩擦系数是相同的，因此：

（1）户外沙发在风力作用下发生滑移的条件仅与自身重量及迎风面积有关：自身重量越小越容易在风力作用下发生滑移，对于自身重量小的户外沙发可以采用增加重量的方式提供其抗滑移能力；迎风面积越小抗滑移能力越强，迎风面为弧形的户外沙发抗滑移能力较迎风面为平面的户外沙发抗滑移能力要好；

（2）抗倾覆能力则与风荷载作用力臂及重心高度有关：对于有靠背的户外沙发，风荷载作用力臂高、自身重心也高，在风荷载作用下越容易发生倾覆。

3试验过程

为了获得户外沙发发生移动、倾覆的临界风速以为沙发配重、摆放位置等提供参考，我们在广东建科CGB-1风洞内进行了8组不同形式户外沙发的抗风性能测试。

本次试验对1#-8#共计8组沙发在风洞中进行抗风性能测试，每组沙发的外观形状见图2。

试验在广东省建筑科学研究院串联双试验段回流式建筑风洞的小试验段内进行，采用均匀流并记录试验风速。

每组沙发的试验过程分为三个阶段，各阶段开始沙发均位于小试验段转盘中心，最大迎风面正对来流方向，每组沙发在风洞中试验的情况见图3：

（1）沙发不配重，逐步稳定调高风速，观察到沙发沿气流方向发生平移时停止加速，记录风速V1；继续调高风速，观察到沙发发生倾覆时停止加速，记录风速V2；第一阶段试验结束。

（2）沙发在不增加迎风面积的情况下配重W1，逐步稳定调高风速，观察到沙发沿气流方向发生平移时停止加速，记录风速V3；继续调高风速，观察到沙发发生倾覆时停止加速，记录风速V4；第二阶段试验结束。

（3）沙发在不增加迎风面积的情况下配重W1+W2，逐步稳定调高风速至V4，观察沙发情况，如未发生倾覆，则第三阶段试验结束；如发生倾覆，则增加配重，直至风速达到25m/s时沙发仍不发生倾覆，第三阶段试验结束。

4试验结果

依次将8组沙发放入风洞中进行试验，试验结果见表1，与第2章计算分析结果基本吻合，从表1可以看出：

1. 3#、8#迎风面为圆柱面，对于抗风性能是较为有利的体型，在25m/s的风速下均未发生滑移或倾覆，2#、6#、7#迎风面为矩形或梯形，对于抗风性能较圆柱面不利；

2. 有靠背（1#、4#、5#）相比无靠背（2#、6#、7#），由于迎风面积较大、风荷载作用力臂较大，更容易发生滑移和倾覆；

3. 在均有靠背的情况下比较4#和5#测试情况，4#由于靠背镂空受风面积相对较小且重心高度较低， 4#在配重22kg的情况下可在25m/s的风速下不倾覆，而5#则在配重50kg的情况下仅能实现在23m/s的风速下不倾覆，4#的抗滑移和抗倾覆性能更优。

表1 户外沙发抗风性能风洞试验结果

5结论

根据对8组户外沙发抗风性能测试结果和户外沙发在风力作用下的抗滑移、倾覆条件进行分析，在进行户外沙发或户外家具设计和摆放时，应考虑以下几方面的因素提供户外沙发或户外家具的抗风性能：

1. 优先选择圆形或椭圆等对于抗风性能有利的体型，优先选择无靠背或者靠背较低的形状、可增大镂空率尤其是靠背的镂空率以减小迎风面积；

2. 摆放时以圆柱面或圆弧面位于迎风一侧，部分气流将沿弧面绕行从而减小风荷载作用力；摆放时以靠背面平行于风向方向可减小迎风面积从而降低风荷载作用力，以靠背面迎风也可减小风荷载作用力臂从而提高抗倾覆性能；

3. 尽量选用比重较大的材质提高自重或者增加与地面的接触面积以增大地面摩擦力从而提高抗滑移性能；

4. 对于体型固定的户外沙发或户外家具，可在下部远离倾覆点位置增加配重，降低重心高度，增加地面摩擦力和抗倾覆力矩从而提高抗滑移和抗倾覆性能。

参考文献：

[1]李卓聿,李梓祺,朱婕.老幼包容性社区户外家具设计研究[J].家具与室内装饰,2019(12):119-121.

[2]王一粟,熊先青,吴心怡,闫焱.基于批量化生产的户外家具结构改良设计研究[J].家具,2019,40(06):50-54.

[3]钟翔.户外家具市场现状及前景分析[J].居舍,2019(22):173.

[4]许俊.户外家具用遮篷的质量标准研究[J].质量与标准化,2016(03):52-54.

[5] GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社.2012.

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