平屋盖及双坡屋盖光伏系统风荷载特性试验研究

屋顶光伏系统在强风或极端风气候中破坏的现象时有发生,其风荷载是主要控制荷载之一。为研究平屋盖及双坡屋盖光伏系统的风荷载特性,通过刚性模型测压试验,分析这两种典型屋盖光伏板上、下表面风压及净风压的风压特性,给出全风向角下最不利极值吸力随附属面积的衰减曲线,并与美国加州结构工程协会(SEAOC)制定的平屋盖光伏设计规范以及已有文献建议的光伏板净风压随面积的折减曲线进行了对比。结果表明:平屋盖上光伏板的最不利净风压极值吸力大于双坡屋盖,随附属面积增加而衰减加快;平屋盖上光伏板的净风压与SEAOC规范给出的净风压设计值较为接近;当附属面积较大时,已有研究建议的光伏板设计风荷载取值偏于保守。     

大尺度平屋盖聚类最优风压分区研究

以大尺度平屋盖为研究对象,针对其风压分布变化梯度较大的问题和GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》关于大尺度平屋盖风压分区规定的不完善,围绕大尺度平屋盖风压分区问题,在得到各种风向下风压测点最不利极值风压的基础上,利用最短距离聚类法对风压测点分区,得到不同分区类数下的分区方案,用基于质量系数的聚类有效性评价法确定最佳聚类数及最佳分区方案,并采用面积权重法给出大尺度平屋盖分区风压系数。研究结果表明：大尺度平屋盖聚类最优风压分区类数为3;大尺度平屋盖角部大致在10%屋盖跨度范围内,属于风敏感部位,设计、施工时需特别注意;整个屋面平均风压系数会导致大尺度平屋盖中部偏于保守设计,角部低估了风荷载;在进行大尺度平屋盖抗风设计时,应先确定极值风压分区,并针对不同部位分别进行设计和施工。通过与规范平屋盖分区方式、常用分区方式确定的分区风压系数对比显示,聚类最优风压分区较其他方式确定的分压风压系数结果更为合理。     

大跨度平屋盖表面风荷载体型系数研究

通过平屋盖刚性模型风洞测压试验,基于分离泡作用机理,以顺风向及横风向风压为研究对象,对屋盖表面的风压特征进行分析,进而提出合理的分区体型系数。①基于顺风向平均、脉动风压变化曲线和脉动风压谱,发现分离泡作用下的平屋盖表面可以分为主涡作用区、次级涡作用区以及旋涡脱落区;②提出风压相关长度的概念,计算横风向互相关长度,结果表明在旋涡作用范围内,各相关长度相差无几,超出旋涡区后风压相关长度出现衰减;③基于面积平均压力的概念计算刚性平屋盖表面的分区体型系数。通过面积平均压力的累积概率曲线对准定常理论和我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)中的规定系数-0.6进行验证,发现在分离泡作用下准定常理论是适用的,我国规范在迎风前缘附近的强吸力区和屋盖中后部分别低估和高估了实际体型系数;将本文的体型系数取值与美国规范(ASCE7-98)、加拿大规范(NBC-1995)以及日本规范(AIJ-2004)进行对比,发现本文的体型系数计算结果与美国规范较为接近。     

平屋盖平均风荷载特性分析

首先,结合平屋盖的刚性模型风洞动态测压试验,探讨了风向角、高跨比等因素对其风压分布的影响;其次,对比各国荷载规范中对平屋盖风载体型系数取值的规定;最后,结合风洞试验结果,给出了建筑单体情况下平屋盖的风载体型系数取值建议。     

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。     

不同坡度双坡屋盖表面风压特性研究

通过提取东京工艺大学低矮建筑气动数据库中的风压数据,以点风压和面积平均风压为分析参数,研究了不同坡度双坡屋盖表面的风压特性。首先给出了正风向及斜风向作用下,屋盖表面的平均和脉动风压分布。其次,通过Hermite Model法计算了双坡屋盖表面各区格面积平均风压时程的峰值因子,进而计算得到各区格的风压统计峰值,并据此分析了双坡屋盖的最不利风向和易损位置。以迎风角区域为参考,计算了该区域与屋盖其余部位面积平均风压的相关特性。最后探讨了部分国家规范中双坡屋盖围护结构设计风荷载的相关条文,并针对GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》给出了修订建议。研究结果表明,根据各坡度屋盖风压分布、风压相关性和风压统计峰值的特点,可将双坡屋盖分为3个坡度区间,即0°≤θ≤15°（低坡度）、15°<θ≤30°（中等坡度）和30°<θ≤45°（高坡度）;在多数双坡屋盖表面,吸力统计极值的最大值均发生于斜风向作用下的迎风角区域;考虑最不利风向下不同部位风吸力幅值的差异,可将低坡度的屋盖表面分为角部、长边边缘、短边边缘和中部4个区域,中等坡度和高坡度的屋盖表面可在此基础上进一步细分出屋脊区域以及短边边缘与屋脊交接区域进行风压统计。     

大跨屋盖表面局部体型系数和峰值风压研究

基于大跨平屋盖和马鞍屋盖风洞测压试验,利用面积时程法得到全风向下屋盖最不利局部体型系数,并将计算结果与我国GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》进行对比分析,同时采用Davenport峰值因子法、Hermite矩模型理论,分别计算高斯区、非高斯区峰值因子,得到屋盖表面最不利峰值风压。结果表明:我国GB 50009—2012中关于围护结构局部体型系数的规定不尽合理,在屋盖迎风前缘拐角区域明显低估了风吸力;对于迎风前缘中部区域,规定的局部体型系数过于保守;对于屋盖的中心区域,采用单一系数低估了迎风拐角区域与中心区域交界处的体型系数。为此,基于风洞试验和理论计算结果,参考日本AIJ-2004,对两类屋盖的全风向最不利局部体型系数和峰值风压系数进行了分区界定并给出相应的建议值。     

武汉体育中心体育馆表面风压的风洞试验研究

介绍了武汉体育中心体育馆风洞试验模拟方法和试验结果,讨论了不同风向角下屋盖表面风压的分布,并得出风荷载的分布规律。在考虑了上游有建筑物影响的情况后,分析了周围建筑对屋盖表面风压的干扰效应。围护结构的设计风压分别由我国规范和基于随机振动理论的标准方法计算所得,通过两种方法的比较,得到了若干结论。     

大跨度刚性屋盖数值模拟及女儿墙对风压影响分析

为研究不同围护结构对主体结构及自身承受风荷载的影响,对三种不同围护结构体系的平屋盖刚性模型(普通平屋盖、设女儿墙平屋盖和设悬挑平屋盖模型)的风洞试验进行CFD数值模拟,数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,利用建立的CFD数值模拟模型,对三种不同高度女儿墙的平屋盖刚性模型进行数值模拟分析。对不同围护结构的屋面风压分析表明:悬挑部分对主体屋面前缘风压降低效果明显;女儿墙设置可减小屋面迎风前缘与角部区域的负值风压,屋盖后部出现了局部正压。对不同高度女儿墙模型数值模拟表明:女儿墙高度主要影响屋面1/3范围内的风压、角部区域风压及屋面风压梯度,女儿墙越高,女儿墙承受风压越大,在实际工程中应考虑风压对女儿墙的不利影响。     

建筑围护结构风荷载效应的国内外标准对比

针对建筑围护结构,研究了中国GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、日本标准AIJ-2004、美国标准ASCE/SEI 7-10和澳大利亚/新西兰标准AS/NZS 1170.2∶2011等荷载标准中有关抗风设计的规定,深入探讨基本风压、地面粗糙度分类、体型系数、风载设计值和风载效应等方面内容,并以中低层建筑中常见的几种情况为实例进行风载效应的对比分析。研究表明:GB 50009—2012对围护结构表面风压的规定,在考虑建筑高宽比、风压分区方式、面积折减等方面有待改进。GB 50009—2012在屋面和墙面的风压计算中没有分出角部区域,边缘和角部区域的风荷载体型系数取值偏小。     

《屋盖围护结构风荷载标准》的制订依据及相关规定

为配合新编行业标准JGJ/T 481—2019《屋盖结构风荷载标准》的推广、应用,对屋盖围护结构风荷载的制订依据及相关规定进行了介绍。在对比国内外规范风荷载条文规定的基础上,以围护结构风荷载全风向最小值和最大值作为确定其标准值的依据,引入围护结构风压系数极值表达围护结构的风压标准值;根据风压系数时程样本的不同数量规定了风压系数极值的估计方法,对比了各国规范中封闭式低矮双坡屋盖的风压系数极值。新编标准以风荷载理论为依据制订了屋盖围护结构风荷载条文,完善和发展了我国标准的相关规定,提供了相对简单、合理的风压系数极值计算方法。     

双曲冷却塔结构规范风荷载标准值对比

以参数分析为基础,对中、英、德双曲冷却塔结构设计规范风荷载标准值的取值原则和计算思路进行了对比,研究了基本风速、风剖面、内外表面静风风压环向分布、脉动效应系数、干扰效应系数等参数的取值和相互影响,并介绍了中、英、德双曲冷却塔设计规范与其荷载规范相关条款的差异;以3座不同高度的双曲冷却塔为例,对比分析了中、英、德规范的脉动效应系数取值,并对1座双曲冷却塔分别采用中、英、德规范计算等效风荷载标准值及其荷载效应。结果表明:受设计基本风压剖面和脉动效应系数控制,中、德规范的荷载标准值剖面较为接近,但明显小于英国规范;受荷载标准值剖面和环向压力分布影响,塔筒中下部区域子午向拉力和环向弯矩的极值分别对应于英、德规范,而喉部位置英国规范得到的子午向拉力和环向弯矩的极值分别为中、德规范的1.4倍和1.1倍。     

常熟市展览中心风荷载试验研究

介绍了常熟市展览中心模型风洞试验概况和主要试验成果。在无周边建筑和有周边建筑的情况下,分别测得了不规则屋盖和围护结构的风洞模型试验数据,分析了各测点在各个风向角下对应的平均风压系数变化规律,对类似形状的屋盖结构具有参考意义。     

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。     

Net pressures on the roof of a low-rise building with wall openings

This paper deals with an investigation of the characteristics of net pressures on two significant roof areas of a low-rise building with two different dominant wall openings. Wind tunnel boundary layer studies were conducted on a corner and a gable-end roof area of a 1:50 geometric scale model of the Texas Tech University (TTU) test building with a corner and a central wall opening. Mean and peak pressure coefficients, RMS values for the pressure coefficient fluctuations about their mean, as well as roof external pressure—internal pressure correlation coefficients were obtained for the entire 360° wind azimuth range. Frequency domain studies were also conducted for a few selected point roof pressure situations from which the frequency-dependent roof external pressure—internal pressure phase difference functions, root coherence functions and the spectral density functions were obtained. The results show that the mean, RMS and peak net pressure coefficients are particularly enhanced relative to the coefficients for the roof external pressure in the ±50° wind range. Zero-time-lag correlation coefficients of up to −0.64 were obtained in agreement with results from past studies, while root coherence values of up to 0.7 were also recorded. It is demonstrated that the provisions of both the Australian/New Zealand wind loading code—the AS/NZS1170.2:2002, and the American wind loading code—the ASCE7-02, are sometimes non-conservative in the prediction of mean and peak net roof pressure coefficients. These are believed to be due to non-conservative internal pressure coefficients allowed for in these codes.     

双拱大跨屋盖结构风载的数值模拟研究

双拱大跨度网架屋盖结构由于体表为复杂曲面,其风荷载的确定不能仅参考我国建筑结构荷载规范中对风荷载的相关规定,风荷载的确定需要借助于其他手段。CFD数值模拟风洞是近年来发展起来的一种风荷载研究手段,基于ANSYS-CFX 12流体动力学软件,利用雷诺应力（RSM）湍流模型对一双拱大跨度屋盖结构上平均风载体型系数进行数值模...     

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。     

复杂体型大跨屋盖结构的风荷载分布

以某航站楼为例,结合平屋面分析复杂体型的屋面对风压分布的影响;结合规范值探讨幕墙外表面的附着物和周围建筑对其体型系数的影响。得出的主要结论:屋面受风最不利的位置在由柱状涡或锥形涡控制的迎风区域;屋面形状对风压影响很大,凸出部分负风压较大,凹进部分负风压很小;悬挑屋面在迎风时产生“上吸下顶”的叠加作用,其他风向为“上吸下吸”的抵消作用;幕墙外表面的附着物和周围U形排列的房屋都会增加幕墙的正风压。     

广东科学中心风洞试验研究

广东科学中心屋面结构形式独特,现行规范无可供参考的体型系数,风振计算也无直接引用的方法。通过风洞模拟试验,得出了该屋面各区域的风压分布和最高最低风压峰值等参数。为确定风振系数,进行结构设计提供了依据。