大尺度高低跨柱面屋盖的风压系数分区研究

针对大尺度高低跨柱面屋盖体系风压分布变化梯度较大、跨间相互干扰以及此类屋盖风压分区无相关规范可查阅等问题,在得到各种风向下最不利极值风压的基础上,采用K-means聚类的风压系数快速分区方法将高低跨柱面屋盖表面划分为多个区域,并计算了各区域的分区风压系数。同时,在高低跨柱面屋盖风压系数分区研究过程中,对K-means方法的k值取值范围和最佳k值确定方法进行针对性改进。结果表明,高低跨柱面屋盖的边缘属于风敏感部位,而中间部分风压变化较小,因而在进行大尺度平屋盖抗风设计时,采用聚类方法进行风压分区更为合理。     

半月拱形大跨度屋盖的风荷载干扰效应研究

以某半月拱形大跨度屋盖体育场为背景,采用刚性模型的风洞试验和上、下表面同时测压技术,对该体育场屋盖上、下表面的风荷载进行了研究。通过在屋盖上、下表面布置测点,获得不同风向角时屋盖上、下表面各测点的风压系数。对比分析了在有、无上游建筑物遮挡时屋盖表面的综合风压,以及上游建筑物对该体育场屋盖上、下表面风压的影响。研究结果表明:体育场屋盖的风荷载主要以向上的风吸力为主,屋盖迎风支座处正压较大,最大风压系数达1.4,悬挑处负压较大,最大负风压系数达-2.0。在不同风向角下,上游建筑物对屋盖表面风荷载的干扰效应有所不同,在60°风向角下,干扰效应最为明显。     

台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究

通过刚性模型测压风洞试验研究了台风风场高湍流、强变异性等特征对大跨结构风压分布特性的影响。以某体育场罩棚为原型制作1∶300刚性模型,进行了常规B类风场和台风风场作用下的测压对比试验。基于试验数据,从测点风压和总体升力角度对两类风场作用下体育场罩棚结构的风压分布总体特性进行了分析,重点比较了典型测点在典型风向角下的风压分布规律及相互关系。结果表明：两类风场作用下平均风压的分布规律基本类似,但各风向角下台风风场中的屋盖总体升力比B类风场增大8%~25%;台风风场的高湍流特性导致基于极值负风压求得的各风向角下屋盖总体升力比B类风场大27%~46%,各测点的极值风压均明显高于常规B类风场作用下的对应值,比值约为1.13~1.70,因此对于台风多发地区的大型体育场屋盖设计,必须考虑台风风场高湍流所致的脉动风压增大效应。     

单个周边建筑对工业厂房屋面平均风压的气动干扰效应

工业厂房通常处于工业厂区内,受周边建筑的干扰,其表面风压分布与单个独立厂房不同,相邻建筑会对风荷载产生影响。基于单个厂房与两个串列厂房刚性模型风洞试验,给出了不同工况下屋面的平均风压,分析了屋盖横向、纵向端部与中部测点的平均风压分布规律,对比了不同串列距离条件下受扰厂房与独立厂房屋盖表面平均风压分布,探讨了平均风压系数干扰因子随风向角及干扰距离的变化规律。试验结果表明：不同风向角时,干扰效应截然不同;干扰效应存在临界风向角。临界风向角一般保持在 30°~50°范围内,小于临界风向角时,干扰起放大效应;大于临界风向角时,干扰为遮挡效应。此外,运用最小二乘法拟合了干扰因子设计值实用计算式,为受扰厂房建筑屋盖表面风压的修正提供依据。     

大跨度悬挑曲面屋盖结构风洞试验研究

大跨度悬挑曲面屋盖结构属于风荷载敏感结构,又因其造型独特,风荷载特性复杂,故其抗风设计尤为重要。通过对青岛西站铁路站房进行1/200缩尺比的同步多点刚性模型测压风洞试验,系统分析了大跨度悬挑曲面屋盖在不同风向角下的平均压力系数分布规律及50年重现期极值压力统计值分布规律,并基于此数据分析屋盖体型变化对风压分布的影响。结果表明:屋盖整体呈现负压力;屋盖风压分布受风向角、屋盖体型的影响明显,在不同风向角下,屋盖体型对风压分布的影响程度不同;屋盖的挑檐、边角及屋脊处的平均压力系数绝对值要比其他区域大;站房表面极值压力绝对值最大值达4.4kN/m²,主要分布于站房的挑檐部分,因此在设计时需着重考虑挑檐的抗风设计。     

主塔干扰下的塔楼屋盖表面平均风压数值模拟

为考察有塔柱干扰时,下塔楼屋盖结构的风压系数,以某工程为背景基于Fluent6.3软件分析了不同风向角下结构表面的平均风压,并讨论了屋盖不同区格的风致干扰效应系数及其随风向角的变化规律。结果表明,当来流位于塔柱之间时,由于狭管效应会使得来流加速,从而导致结构表面风压增大,相比无干扰模型最不利风工况下竖向整体风压系数增大约52%。同时受主塔结构干扰,屋盖不同区格风致干扰效应系数分布不均,在屋面板设计时应引起重视。     

雷诺数对柱面屋盖脉动风压非高斯特性与风压极值的影响

基于柱面屋盖的风洞测压试验,研究了不同雷诺数下脉动风压的非高斯特性,并通过改进独立风暴法分析了风压极值分布随雷诺数的变化规律。结果表明,当Re=6. 90×104～2. 48×105时,非高斯风压和风压极值分布具有明显的雷诺数效应。     

复杂体型大跨屋盖风荷载特性研究

结合深圳市民中心风洞试验结果,分析了复杂体型大跨屋盖的平均风压及均方根风压分布特性,结果表明:风吹经屋盖上翘角部时由于流线分离所产生的漩涡,导致屋盖角部的平均风压和极值风压都远大于屋盖中部。同时还给出屋盖表面典型测点的三维功率谱,结果表明:屋盖测点风压的能量基本集中在迎风状态的低频部分,尾流和高频部分的风压能量较小。     

倒角化迎风前缘对平屋盖表面风压特性的影响

通过刚性模型风洞测压试验，针对分离泡和锥形涡作用情况，研究了不同风向下倒角化迎风前缘对平屋盖表面风压幅值和脉动特性的影响。对比分析采用倒角化迎风前缘前后，平屋盖表面风压分布以及角部面积平均风压的变化。通过本征正交分解法，给出了平屋盖表面风压脉动的特征值和特征向量。从时域和频域角度，分析了倒角迎风前缘部位测点的风压特性。结果表明：采用倒角化迎风前缘后，分离泡和锥形涡作用区内风吸力单调递减，但迎风前缘附近风吸力可能增大；分离泡作用下，倒角化迎风前缘将增大屋盖角部面积平均风压均值；锥形涡作用下，其可减小屋盖角部面积平均风压的均值和极值，最大降幅分别为68%和82%；屋盖表面风压脉动区域减小至迎风前缘附近，且风压脉动能量降低，最大降幅出现在锥形涡作用下倒角半径较大的平屋盖表面；在倒角迎风前缘部位，极值风吸力和脉动风压谱峰值可超过其邻近区域；增大倒角半径，该部位的极值风吸力和低频风压脉动能量将有所降低。     

工业厂房屋面脉动风荷载及干扰效应试验研究

随着工业厂房构件的轻型化,厂房屋面受脉动风荷载作用极易发生破坏。通过对某实际厂房刚性模型进行单体与典型干扰工况条件下的风洞测压试验,得到屋面的脉动风压。首先,分析不同工况时的屋盖纵横向端部与中部的测点脉动风压分布规律,对比无干扰工况与干扰工况条件下的屋盖表面脉动风压分布;其次,考察不同干扰距离受扰厂房与无干扰厂房屋盖表面典型测点的功率谱;最后研究屋盖整体升力系数的脉动值、极小值与极大值。结果表明,风向角与干扰距离极大地影响风压脉动值。角部测点与中部测点脉动风压在45°风向角时最大;而纵墙边沿测点的脉动风压系数在90°风向附近最大。干扰距离越小,对脉动值影响越大。处于屋盖表面不同区域的测点功率谱表现出不同形态,干扰对不同位置测点的作用效应不同,对不同频段的能量影响也不同。干扰工况对升力系数最大脉动值与最不利极小值表现为遮挡效应,而对最不利极大值起放大效应。给出不同干扰工况时的屋盖升力系数的脉动值与极值干扰因子,以供工程实际设计参考。     

环状大悬臂挑篷风载特性与风场绕流分析

基于FLUENT软件并引入k-ε湍流模型,对环状大悬臂挑篷屋盖风载和风场进行模拟分析。数值计算分析风向角、屋盖倾角、看台后部通风率、挑篷开洞、有无后挑等参数对挑篷屋盖风压分布的影响;针对屋盖周围气流的绕流特性,分析设置屋盖竖向气动导流板和在挑篷外环边缘附近开洞对降低屋盖负风压的作用。研究结果表明：无论风向角如何变化,水平挑篷屋盖上风压均以吸力为主,较高的吸力分布在迎风的前缘位置;屋盖倾角宜设在 0°~15°范围,过大或过小均不利于结构抗风;增大结构迎风面的通风率有利于减小水平屋盖的平均风压;屋盖是否后挑对水平屋盖上表面的风压影响较小;增设屋盖竖向导流板可减低水平屋盖前缘局部极值风压;在环状挑篷外环边缘附近开洞可较明显减小屋盖风压。     

典型大跨度屋盖结构的风压谱工程简化模型

通过对平屋盖、悬挑屋盖、柱面屋盖、球面屋盖及鞍形屋盖五种典型大跨屋盖的1730组风洞试验工况下18048个风压时程样本的功率谱分析,采用峰值频率和相干指数对大跨屋盖特征湍流特性的风压谱进行表征并建立了简化模型。结果表明,从频谱特性角度,将上述五种形状的大跨度屋盖分为三类,即第Ⅰ类是以平屋盖和鞍形屋盖为代表的具有尖角钝体特性的屋盖,第Ⅱ类是以悬挑屋盖为代表的具有平板流特性的屋盖,第Ⅲ类是以柱面、球面屋盖为代表的具有曲面钝体绕流特性的屋盖;第Ⅰ、Ⅱ类屋盖峰值频率集中在0.1~0.2Hz,相干指数分别集中于2.5和3.5附近;第Ⅲ类屋盖峰值频率集中在0.1Hz以下,相干指数集中在4.0附近。经过统计分析,给出了参数分区值,以供结构抗风设计参考。     

不同地貌下几个典型屋盖的风压特性

在均匀流场、市郊地貌及城市地貌中对包括双坡、球壳及柱壳的几个典型屋盖进行了风洞试验,利用同步多点压力扫描技术得到屋盖的风压数据。将分布于屋盖的局部体型系数与建筑结构荷载规范进行了比较,讨论了不同地貌及风向角对屋盖风压的影响,分析了各风向角下的绝对值最大的负局部体型系数及出现的位置。发现位于双坡屋盖的屋角、屋檐及屋脊区域的风压远大于其它区域的风压,均匀流中这些屋盖的平均风压是市郊地貌屋盖的2至3倍,而市郊地貌屋盖的平均风压又是城市地貌屋盖的2至3倍。     

开合屋盖体育场风荷载特性试验研究

建筑立墙迎风面开孔时内部风压随开口处外压变化显著,使得屋盖所受净压显著增大,其测量值往往大于规范取值。而对于屋盖顶部开孔的建筑,其内部风荷载我国规范没有相应取值。为了进行开合屋盖结构设计和探讨屋盖顶部开孔对屋盖风荷载变化的影响,以1∶300的几何缩尺比制作了一个开合屋顶体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场固定、活动屋盖的上、下表面进行了风洞测压试验,得到了屋盖上、下表面的体型系数、平均风压系数、脉动风压系数和极值风压系数。试验结果表明：活动屋盖的开启,可有效减小固定屋盖和活动屋盖的平均风荷载,引发整个结构承受向下的风荷载;活动屋盖开启将增大固定屋盖和活动屋盖的净脉动风荷载;活动屋盖开启将减小固定屋盖和活动屋盖的极小值风荷载,且固定屋盖上的最大极小值风压系数的位置往屋顶开口方向移动。     

女儿墙对平屋面低矮建筑风荷载特性的影响

对平屋面低矮建筑进行1∶25缩尺刚性模型测压风洞试验,研究了无女儿墙工况和4种不同高度女儿墙的平屋面低矮建筑的风荷载分布规律。无女儿墙的平屋面主要承受风吸力作用,斜风向锥形涡诱导的最不利吸力区域为屋面迎风边缘角部区域,为全风向下最不利区域。女儿墙的存在可明显减小屋面的平均风吸力和极值风吸力,平均风吸力减小幅度可达150%,同时最不利平均风压系数和极小值风压系数的出现位置逐渐远离了屋面角部区域;随着女儿墙高度的增加,极值风吸力进一步减小,极值风压力增大,最大的极大值风压系数出现在尾流区;采取分区的方式给出了不同女儿墙高度的屋面体型系数建议取值。     

贵阳奥体中心主体育场罩篷风洞试验及风荷载体型系数研究

贵阳奥体中心主体育场由东、西两个呈牛角造型的罩篷构成,采用了预应力平面桁架斜交网格结构体系,最大悬挑49m。对其刚性模型进行了风洞试验,给出了平均风压系数、平均风荷载体型系数及风压分布规律并与规范计算值进行了比较,详细讨论了风向角对风压系数和体型系数的影响。结果表明:在大多数风向角下,西罩篷的风荷载要比东罩篷的大,罩篷立面迎风面都是正压,在所有风向角下罩篷上、下表面基本都是负压,负压分布的局部最大值通常出现的迎风罩篷上表面的前缘和下风向罩篷上表面的后缘部分。建议对于有上、下表面围护结构的建筑应分别按内、外风荷载体型系数设计。     

Experimental study of wind loads on gable roofs of low-rise buildings with overhangs

Gable roofs with overhangs (eaves) are the common constructions of low-rise buildings on the southeastern coast of China, and they were vulnerable to typhoons from experience. The wind pressure distributions on gable roofs of low-rise buildings are investigated by a series of wind tunnel tests which consist of 99 test cases with various roof pitches, height-depth ratios and width-depth ratios. The block pressure coefficients and worst negative (block) pressure coefficients on different roof regions of low-rise buildings are proposed for the main structure and building envelope, respectively. The effects of roof pitch, height-depth ratio, and width-depth ratio on the pressure coefficients of each region are analyzed in detail. In addition, the pressure coefficients on the roofs for the main structure and building envelope are fitted according to roof pitch, height-depth ratio and width-depth ratio of the low-rise building. Meanwhile, the rationality of the fitting formulas is verified by comparing the fitting results with the codes of different countries. Lastly, the block pressure coefficients and worst negative pressure coefficients are recommended to guide the design of low-rise buildings in typhoon area and act as references for the future’s modification of wind load codes.     

罩棚式低矮房屋屋面风荷载特性及气动抗风措施研究

采用模型的风洞试验详细研究了矩形和圆形罩棚屋面结构的平均风压和峰值风压分布特征,分析了屋面风致破坏的主要原因,在此基础上实施了7种不同的屋面局部修改方案的对比试验,从中筛选出可以有效消减屋面风荷载的抗风措施。两种平顶矩形和圆形罩棚屋面结构均以负压为主,试验测得两结构屋面的最高平均负压系数分别为-1.83和-0.97,相应最高极值负压系数为-5.41和-3.11,结果远高于GB 50009-2001《建筑荷载规范》推荐的平均风压乘以阵风系数的方法,这显示规范中的阵风系数方法并不适合于计算该类屋面结构的风压值。根据分析结果给出了平顶矩形和圆形罩棚屋面结构风压体型系数取值的建议值,采用斜切角形式的屋檐或在屋面板和侧面围板交界处开贯通透风槽方式可以使屋面风敏感区域的极值负压削减25%~35%。