檐沟对低矮房屋屋面风荷载的影响

为了研究细部构造(檐沟)对低矮房屋屋面风荷载的影响,在同济大学TJ-2风洞试验室对无屋脊硬山屋面、有屋脊硬山屋面、无屋脊出山屋面及有屋脊出山屋面这4种屋面分别做了有檐沟、无檐沟的刚性模型测压试验。试验结果表明:檐沟的存在对于减小屋面各区域的用于主体结构设计的平均风压和用于围护结构设计的极值风压大都有较好的作用,尤其是最不利的极值负风压,其减小的幅度最大达到30%。屋脊、出山和檐沟的共同存在会使屋面各区域的平均风压和极值风压都有不同程度的减小,特别是屋面负压敏感区域的极值负压得到了很大的缓和,减小幅度最大高达60%,从而使屋面各区域的极值负压趋于均匀,且随着它们高度的增加,这种效果更加明显,这对于房屋的抗风设计非常有利。     

强台风下带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性大涡模拟方法适用性研究

该文基于相关现场实测和风洞试验结果,对强台风下带挑檐低矮双坡房屋气动荷载特性进行了大涡模拟(Large-eddy simulation, LES)研究。研究了台风脉动风场人工合成方法、近壁区网格划分策略及壁面边界条件等模拟参数对带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性影响,定量分析利用大涡模拟预测强台风下低矮房屋屋面风压特性的可靠性,并基于大涡模拟全流场信息分析了低矮房屋周边钝体绕流瞬态特征。研究结果表明:基于CDRFG(Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法可以准确模拟具有高湍流度特性的台风风场,并通过先验的网格划分策略可以实现来流湍流自保持性。大涡模拟能够得到与现场实测及风洞试验较一致的平均和脉动风压系数,且极值风压系数在30%误差范围的可靠度达85%以上。迎风挑檐会导致屋面前缘流动分离提前发生,但对迎风前缘屋面风压分布规律影响较小。挑檐下缘形成的分离泡产生较大脉动吸力,挑檐局部净风压系数未显著增大。该文有助于进一步提升强台风下低矮房屋风荷载模拟的有效性,更加深入的掌握低矮房屋的风致破坏机理,为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

屋脊和出山对低矮房屋屋面风荷载的影响

为了研究屋脊和出山对低矮房屋屋面风荷载的影响,在同济大学TJ-2 风洞试验室对无屋脊硬山屋面、有屋脊硬山屋面、无屋脊出山屋面及有屋脊出山屋面这4 种屋面的典型村镇住宅进行了刚性模型测压试验。试验结果表明:屋脊的存在会增大迎风屋面的平均风压和脉动风压,从而一定程度上减小了屋面的整体向上升力;而且随着屋脊的增高,对于硬山屋面这种效果会愈发明显;但屋脊会减小屋角区域的脉动风压,故而对减小屋面的最不利负压有一定的作用。出山的存在对于减小屋面山墙端及屋角区域的平均负压和脉动风压作用显著,因而可以大幅度减小屋面的最不利负压,但出山高度的变化不会引起屋面风压的较大变化。屋脊和出山的共同作用对减小屋面的局部峰值负压最为有效,同时也会减小屋面的升力。从而得出结论:有屋脊出山屋面是对低矮房屋抗风最有利的屋面形式。     

低层双坡屋面建筑三维定常风场的数值模拟

基于计算流体力学软件Fluent6.3,首先,选用基于Reynolds时均的标准k-ε等湍流模型对大气边界层中TTU标模的低层建筑三维定常风流场进行模拟分析,并将数值模拟结果与场地实测数据和TJ-2风洞试验结果进行了比较分析;其次,采用RNGk-ε模型分析了不同风向角下,房屋屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和长宽比对低层双坡房屋屋面风压系数及各表面体型系数的影响。结果表明:数值模拟较好地反映了低层建筑周围风环境的绕流特性和表面风压的分布情况;迎风墙面均受有正压力,其体型系数受房屋几何尺寸的影响较小,房屋的背风面均承受负压力;屋面坡度及檐口高度对屋面风压分布及风压大小均有明显的影响,挑檐长度的影响较小;屋面的平均风压系数分布和大小与风的来流方向有关。该结论为低层房屋的工程抗风设计提供了依据。     

基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

阶梯形平屋顶及其参数对建筑屋面极值风压的影响

针对阶梯形平屋面的设计风压系数在前人研究及风荷载规范中都鲜有提及的现状,设计一系列刚体模型测压风洞实验,考察阶梯形平屋顶中等高度建筑的屋面极值风压特性以及阶梯高度和形状的影响。在验证数据可靠性基础上,重点讨论点极值风压及其最不利位置和风向角并据此确定阶梯形平屋顶风压分区;计算面积平均极值风压并将其与美国规范(ASCE7)进行比较。结果表明,阶梯形平屋顶的高层屋面极值负压最不利值与普通平屋顶并无差别,而低层屋面的极值正压和负压受阶梯参数影响明显。除附属面积较小时的负压超过规范限值外,其他面积平均风压结果与规范吻合较好。这些结果不仅能为阶梯形平屋顶的屋面系统设计提供参考,也为其将来纳入我国规范积累了基本数据。     

基于超越阈值模型的低矮房屋实测风压极值估计方法

台风几乎每年都造成我国低矮房屋的巨大破坏和人员伤亡,了解屋面风压极值,尤其是屋面的角部、边缘及屋脊位置的风压极值分布具有重要意义。采用极值理论下的超越阈值模型来合理估计低矮房屋在台风影响下屋面实测风压极值。推导了描述经验平均超额分布与阈值关系的理论公式,同时以广义Pareto分布作为风压极值的拟合分布。依托同济大学浦东风荷载实测基地,以低矮房屋在2016年台风"马勒卡"作用下屋面风压实测数据为样本,比较不同阈值对估计结果的影响。以标准时距下多次观察极值的平均值作为标准极值,分析了该方法和常用方法的极值估计结果与标准极值之间的误差,其结果表明,该方法的误差在5%以内,尤其对屋面极值风压较大的区域估计结果较为理想。     

海边坡角可调试验房风荷载现场实测研究

在东海边上海浦东国际机场附近建造了一栋坡角可调的低矮房屋及测风塔,以对海边附近的风场特性及低矮建筑屋盖表面风压特性进行研究。该变坡房最大特点是屋盖坡角可以在0～30°之间自由调节,以便分析坡角变化对屋盖表面风压的影响。本文首先分别对0°、10°及20°屋盖坡角下选取的10分钟风压时程信号进行了分析,并与1:30刚性测压风洞试验相应结果进行了对比,表明屋盖表面平均及脉动风压分布与风洞试验结果吻合较好。其次,对风速、风向角的平稳性及其之间的相关性进行了分析,说明风速与风向角之间耦合作用明显,尤其竖向风向角对风速脉动影响较大,时间滞后为0时两者之间相关系数接近-0.5。最后,对屋盖表面风压信号的非高斯特性进行了研究,发现偏度与峰度之间具有较好的线性关系,并给出了0°、10°及20°屋盖坡角下偏度与峰度的线性拟合公式。     

行业标准《屋盖结构风荷载标准》的主要内容

全面介绍了新编行业规范《屋盖结构风荷载标准》的主要内容。针对多种屋盖主体结构的风振响应计算分析和抗风设计,采用平均风压与脉动风振等效静力风压之和表达主体结构的风压标准值,提出了脉动风荷载作用下结构风振响应极值的单目标、多目标等效静力荷载表达方式;采用多目标等效静力风荷载分析方法,给出了平面桁架、张弦梁、网架、球壳、柱壳、鞍形屋盖和悬挑屋盖的风振等效风压系数图表及体型系数图表。采用围护结构风压系数极值表达围护结构的风压标准值,规定了长/短时距的风压极值估计方法,给出了低矮房屋单坡/双坡类屋盖、四坡屋盖、中高层房屋屋盖、开敞屋盖、悬挑罩蓬的风压系数极值图表。《屋盖结构风荷载标准》引入屋盖主体结构风振等效风压系数和围护结构风压系数极值的概念,完善和发展了我国屋盖结构抗风设计的相关规定。     

单个建筑物对平屋面风荷载的干扰效应试验研究

提出采用整体平均风压系数、第1阶振型广义力和屋面各区域最不利极值风压系数的干扰因子分别综合反映干扰效应对平屋面平均风荷载、脉动风荷载和极值风压的影响,采用刚性模型测压风洞试验,对被单个相同形体建筑所干扰的平屋面表面风压进行测量,研究改变建筑物之间的相对位置和风向角,平屋面整体平均风压系数和屋面第1阶振型广义力和最不利极值风压系数干扰因子的变化规律。研究结果表明:屋面整体平均风压系数干扰因子与第1阶振型广义力干扰因子分布规律相似;施扰物在受扰物的迎风上游,遮挡效应引起的缩小效应显著;沿与风向垂直方向,施扰物与受扰物并列布置时,放大干扰效应显著;斜风向条件下的干扰效应比0#x000b0;风向的影响范围大;干扰效应对屋面角部最不利极值风压影响显著,但对屋面中心区域的影响较小。     

低层坡屋面群体建筑表面风压的数值模拟

结合低层民房风荷载及抗风性能的研究,基于Reynolds时均N-S方程,采用由标准k-e湍流模型扩展的RNG k-e模型,对一幢低层双坡屋面单体房屋和由六幢该类房屋组成的群体建筑的周围风场及表面风压进行了数值模拟。数值模拟采用具有良好适应性的四面体单元进行计算区域的网格划分,顶点中心格式的有限容积法进行控制微分方程的离散,SIMPLE压力校正迭代算法实现对非线性离散化方程的求解。在单体计算结果和风洞试验结果有较好吻合的前提下,重点获得了群体效应下低层双坡屋面房屋表面风压的分布规律和特征。     

Wind loads on flat roofs of low-rise buildings with rounded leading edge

Using wind tunnel experiments, wind loads on the flat roofs of low-rise buildings with rounded leading edges were investigated under the effects of separation bubbles and conical vortices. First, pressure distributions on the flat roofs were presented. Second, total uplift forces and overturning moments were calculated by the introduction of area-averaged pressures. Third, eigenvalues and eigenvectors of fluctuating pressure were obtained by proper orthogonal decomposition. Finally, wind pressure characteristics at the rounded edges were examined. The results indicate that after the use of a rounded leading edge, suctions induced by separation bubble and conical vortices increase near the chamfer, decrease beneath the vortices, and stay invariant far from the leading edge. The area involved and the energy of pressure fluctuation decrease, with the largest decrease occurring on a flat roof with a larger fillet radius under conical vortices. In addition, the maximum decreases in peak total uplift forces and overturning moments reach 11% and 62%, respectively, and appear at skewed flows. The maximum suction and low-frequency spectral peak of pressure fluctuations at the rounded leading edge may exceed those at the neighboring region. As the fillet radius increases, the maximum suction and low-frequency pressure fluctuation energy at the chamfer decrease.