超强台风作用下低矮建筑屋盖风压非高斯特性研究

在强风作用下,低矮建筑屋盖表面风压会呈现明显的非高斯特性,在计算极值风压时会产生较大误差。通过上海东海岸边的现场实测试验,对台风"梅花"作用下足尺低矮房屋屋盖表面风压的风压时程、概率密度分布、偏度与峰度以及峰值因子进行了研究,并将部分实测成果与1∶30刚性模型风洞试验结果进行对比分析。结果表明:部分区域低矮建筑屋盖表面风压时程带有大幅度的间歇脉冲,其概率密度表现为明显的非高斯分布;在风向接近的工况下,实测和风洞试验得到的偏度、峰度等值线图在趋势上基本接近,但数值上存在一定差异;经过对比发现,偏度与峰度之间的关系在实测和风洞试验中基本一致,并且受风向变化的影响较小;另外,通过现有峰值因子取值的分析,得到了99.38%保证率下非高斯风压的峰值因子,发现实际应用中峰值因子的取值偏小,应适当提高我国荷载规范对于低矮建筑峰值因子的取值。     

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。     

杭州亚运轮滑馆复合曲面屋盖围护结构风荷载研究

杭州亚运轮滑馆屋盖是由多个曲面叠合而成的复杂大跨屋盖结构.采用风洞试验方法测得了屋盖表面各测点的风压时程;对测点风压时程的概率密度分布特点进行对比分析,发现多数测点具有明显的非高斯特性.如对这些测点采用常规的峰值因子法计算围护结构的极值风压,将会明显低估其负压值.引入偏度与峰度概念,提出了一种简便但更有效的方法用以判定高斯和非高斯测点.对于非高斯测点,采用Gumbel拟合法计算其极值风压.结果表明,相比于峰值因子法,该方法不仅准确有效,完全达到期望的保证率,而且流程简单,便于工程应用.     

杭州亚运轮滑馆复合曲面屋盖围护结构风荷载研究北大核心CSCD

杭州亚运轮滑馆屋盖是由多个曲面叠合而成的复杂大跨屋盖结构.采用风洞试验方法测得了屋盖表面各测点的风压时程;对测点风压时程的概率密度分布特点进行对比分析,发现多数测点具有明显的非高斯特性.如对这些测点采用常规的峰值因子法计算围护结构的极值风压,将会明显低估其负压值.引入偏度与峰度概念,提出了一种简便但更有效的方法用以判定高斯和非高斯测点.对于非高斯测点,采用Gumbel拟合法计算其极值风压.结果表明,相比于峰值因子法,该方法不仅准确有效,完全达到期望的保证率,而且流程简单,便于工程应用.     

屋盖倾角对悬挑曲面屋盖风压特性的影响

以体育馆的悬挑曲面屋盖为研究对象,基于风洞试验测试了三种不同倾角屋盖的风压特性,对比分析了屋盖倾角对风压分布及平均、极小风压系数的影响。结果表明:屋盖倾角变化对其平均和极小风压系数的影响显著,尤其是受锥形涡或分离、再附流影响的屋盖局部区域,但风压变化规律受测点的相对位置、屋盖跨度、初始倾角等影响;三种不同倾角屋盖的最不利风压系数极值均位于屋盖角区前端,屋盖倾角渐次增大后的模型M2、M3,其最不利平均风压系数极值较模型M1分别增大7.1%、13.8%,最不利负风压系数极值较模型M1分别增大15.0%、11.0%;受锥形涡分离再附主导影响的屋盖角区,随屋盖倾角增大,其迎风边缘与再附区的风压系数整体上变化趋势一致,即最不利平均风压系数逐渐增大,最不利负风压系数先增大而后少许减小;受分离流或再附流主导影响的其他屋盖区域,其最不利平均、负风压系数随屋盖倾角变化的规律性较差,需分区单独分析。     

湍流边界层中低矮建筑绕流大涡模拟

通过对平板湍流边界层进行大涡模拟,采用拟周期边界条件维持湍流边界层厚度稳定,提取速度和压力时程作为低矮建筑绕流模拟之脉动入流边界条件,研究脉动入流下的低矮建筑绕流特性。研究结果表明：入流边界特性对网格变化适应性良好,其平均速度剖面、湍流强度、流速频谱特性基本符合空旷地貌风场特性;脉动入流下,建筑表面的平均风压系数、脉动风压系数的计算结果与风洞试验结果基本吻合。受雷诺数及湍流强度的影响,流动分离区负压与试验值存在一定差别;屋盖上分离区风压时程具有非高斯概率特性,尤以气流分离较剧烈的屋盖迎风边缘及屋盖两侧风压的非高斯特性明显,该特征与风洞试验基本一致;受非高斯特性的影响,建议峰值因子g取4.5~5.5。     

某可开合大跨屋盖风压特性试验研究

对一座可实现连续开启的大跨结构开合屋盖进行了4种开启状态下的风洞测压试验,详细研究了屋盖的风压特性。结果表明:屋盖完全开启会增大整体活动屋盖向上的平均风荷载,使其表面负风压区发生偏移,有效地降低固定屋盖的平均风压;整体屋盖测点风压非高斯特性随着屋盖完全开启趋于集中;三参数伽马和高斯分布能很好地描述开合屋盖表面风压概率特性;Sadek-Simiu法计算的峰值因子能更为安全地估计具有非高斯特性测点的极值风压;屋盖开启会增大活动屋盖凸起部位极值负风压,减弱固定屋盖极小值风压。     

低矮建筑双坡屋盖易损区极值风压特性试验研究

采用缩尺比为1∶20风洞试验刚性模型,以风向角及坡角为变量,针对双坡低矮建筑屋面易损区极值风压特性展开风洞试验研究。基于风压时程概率密度、偏度及峰度,对低矮建筑屋面风压高斯区与非高斯区划分进行了研究。采用Wang法、Quan法及峰值因子法对比分析了屋面风压极值估计误差,并研究了低矮建筑屋面迎风屋檐、屋脊及角部局部区域的分区阵风系数变化规律。结果表明:屋面坡角影响屋面风压高斯与非高斯分布明显。Wang法较适用于低矮建筑屋面风压极值估计。风向角对45°坡角屋面局部风压阵风系数影响较明显。9. 6°,30°坡角房屋局部区域阵风系数规范取值明显小于试验值。     

沿海地区索结构体育馆风洞试验与群风效应研究

针对两类屋面型式(上凸型和下凹型)、四种屋盖结构(单层马鞍形索网、轮辐式双层索网、索穹顶、弦支穹顶),设计制作了缩尺比分别为1∶250、1∶200两个试验模型,在B类地貌下开展了60组模型风洞试验,探究了全风向角下两类屋盖结构的风压峰值分布规律,分析了不同风向角、邻近建筑对目标建筑物风压特性的影响规律。结果表明：全风向角下来流方向无邻近建筑影响时,两类屋盖迎风面区域的负风压峰值最大,分别较上凸型和下凹型屋盖中间区域的负风压峰值高约3.0、1.5倍;屋盖中间区域风压峰值分布均匀,以承载负风压为主,仅下凹型屋盖中部出现正风压;风向角对屋盖风压分布的影响主要体现邻近建筑物的干扰上,其对屋盖平均和脉动风压系数的影响以来流方向无邻近建筑时最大、来流方向有邻近建筑时次之、尾流方向有邻近建筑物时最小;屋盖迎风面测点风压概率分布具有明显的非高斯特征,存在极大负压值,而屋盖中间和尾流区域的测点风压具有典型的正态分布特征。     

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。     

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.     

扰流板减小低矮房屋屋面风压试验研究

近年来,我国台风灾害频繁,在历次风灾中,大量村镇低矮房屋倒塌破坏是造成生命财产损失的重要原因。在强风中,屋面是低矮房屋最薄弱部分往往最先发生破坏。目前,提高屋面抗风能力的方法主要是增加屋面本身强度和整体性,但其经济成本较高且抗风效果并不理想。针对上述问题,文中提出一种气动抗风方法,在双坡房屋屋面增设扰流板,通过改变房屋气动性能来降低屋面风压,并围绕这一方法开展了风洞试验研究工作。试验结果表明：扰流板可以有效减小双坡房屋屋面风压,尤其对屋面局部极值风压减小效果显著,最大减小幅度可达49%。山墙处扰流板对屋面风压影响最大,其次是屋檐处的扰流板,屋脊处扰流板对屋面风压无显著影响。相对于扰流板宽度与高度,扰流板角度是对屋面风压影响最为明显的几何因素,屋檐处扰流板角度建议值为0?~30?,山墙处扰流板为10?~30?。综合考虑经济与构造措施等因素,扰流板高度建议值为挑檐高度的1/70~1/12,宽度为房屋长度的1/20。最后,根据实验结果给出了安装扰流板结构屋面风压折减系数和相关的设计建议。     

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.     

Effect of building length on wind loads on low-rise buildings with a steep roof pitch

A wind tunnel model study was carried out on long, low-rise buildings with a steep roof pitch to determine the effect of the length-to-span aspect ratio on the external wind pressure distributions. The study showed a significant increase in the magnitude of the negative pressure coefficients on the leeward roof and wall, with an increase in aspect ratio, for oblique approach winds. These large suction pressures also generate large design wind load effects on the frames near the gable-end. The 1989 edition of the Australian standard for wind loads, AS 1170.2-1989 was found to underestimate the wind loads on steep pitch gable-roof buildings of aspect ratio greater than 3, on areas near the windward gable-end, and hence the critical bending moments in the supporting structural frames. The current Australian/New Zealand wind load standard, AS/NZS 1170.2-2002 specifies increased negative pressure coefficients on the leeward half of high pitch roof buildings, and critical bending moments in the supporting frames calculated from these distributions agree quite well with values obtained from the wind tunnel study. However, other major standards severely underestimate the critical bending moments, and the effective pressure coefficients producing those bending moments, especially on the leeward roof slope.     

低矮房屋屋面细部构造的风荷载特性研究

通过刚性模型测压试验研究了低矮房屋屋面细部构造的风荷载特性。通过对不同高度和细部构造是否同时存在时屋脊、出山及檐沟风压系数及阻力系数的研究发现：在来流斜风向吹向细部构造的外表面（屋脊为迎风面）时,内侧表面（屋脊为背风面）端部负压变化剧烈,幅值很大,造成朝向屋面（屋脊为朝向背风面）的最不利极值净风压系数很大,其中出山最大,达到18.0左右,屋脊次之,为10.5左右,檐沟最小,为7.0左右;而背离屋面（屋脊为朝向迎风面）方向的极值净风压则相对平稳。在同一竖直平面上,出山位置较低的测点比较高的测点最不利极值净负压系数要大5左右,檐沟则是大0.8左右;屋脊和出山在另外2个细部构造存在时,最不利极值净风压系数会减小很多,分别从10.5和18.0减小到只有7.5和6.0,檐沟减幅较小,从7减小到6。出山和檐沟的最不利阻力系数的幅值随着高度的增加会加大,当屋脊和檐沟存在后出山的最不利阻力系数的幅值会有所减小,但另外2个细部构造是否存在对屋脊和檐沟的阻力系数影响较小。     

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。     

低层双齿大棚屋面风致积雪分布研究

为研究低层双齿大棚屋面的风致积雪分布规律,基于FLUENT软件中的Mixture多相流模型,建立了风雪两相流场模型。为验证风雪两相流场的准确性并选择合适的湍流模型,采用k-w,SST k-w和k-kl-w湍流模型分别对立方体周围积雪分布进行数值分析,并将数值分析结果与试验结果进行对比以验证数值方法的正确性,进而详细研究了风速、风向角、屋面坡度比和结构双齿长宽比对低层双齿大棚屋面风致积雪分布的影响。结果表明:风雪两相流模型和k-kl-w湍流模型建立的风雪两相流流场可以较好地反映低层双齿大棚屋面的积雪分布情况; 大棚屋面积雪厚度随着风速和屋面坡度比增大而减小,且屋面坡度比的影响程度较风速与风向角的影响小; 大棚屋面积雪受侵蚀和堆积区域位置随风向角变化而变化; 大棚结构长宽比对屋面积雪分布的影响较小; 低层三齿大棚屋面和低层四齿大棚屋面的屋面积雪分布系数可参考低层双齿大棚屋面; 提出的低层双齿大棚屋面积雪不均匀分布系数可为低层双齿大棚屋面的冬季防雪灾设计提供参考。     

新型抗风耗能装置在低矮房屋中布置方式的风洞试验研究

针对低矮房屋受台风作用极易损坏的问题,提出一种在低矮房屋上安装新型抗风耗能装置的防护方法。为寻求新型耗能装置的最优布置方式,使耗能装置效用最大化,针对将装置安装在双坡屋盖边缘、屋脊以及联合导流板工作等6种安装工况,通过风洞试验,研究抗风装置系统对屋面峰值风压和平均风压的影响,并对6种工况进行数值模拟分析,数值模拟结果与风洞试验一致。进行了耗能装置几何参数的优化研究,探讨了叶尖速比、叶轮根部安装角和叶根对叶尖扭角对耗能系数的影响。研究表明:安装耗能装置能有效预防屋面受风损坏;在迎风侧屋檐上部,结合导流板与抗风装置联合工作的方式能显著降低负风压对屋面结构的不利影响,这种安装方式在任一风向角下都显著降低了屋面平均风压系数极值(包括迎、背风面),降低幅度可达40%。     

外形几何参数对低矮建筑双坡屋盖升力系数极值的影响

对一系列低矮建筑双坡屋盖的刚性模型测压风洞试验数据进行了处理,研究了屋盖升力系数极值的特征,讨论了最不利屋盖升力系数随建筑外形几何参数的变化规律。研究结果表明,屋盖坡角的变化对最不利屋盖升力系数有重要影响：对高宽比相同的低矮建筑,屋面最大升力系数随屋盖坡角增大而减小,且建筑的厚宽比越大,这种趋势越剧烈;最不利屋盖升力系数随着建筑高宽比的增大而增大,但这种增大的趋势随着屋盖坡角的增大而减小。基于这些数据,用多参数最小二乘法将最不利屋盖升力系数拟合成了屋盖坡角、建筑高宽比和厚宽比的函数形式,并对拟合函数进行了误差分析。所得结论及拟合公式可为低矮建筑的结构设计及相关荷载规范的制订和修改提供参考。     

檐口形状对低矮房屋屋面风压分布的影响

基于计算流体动力学（CFD）和剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型,对带不同尺寸檐口低矮房屋的屋盖风压进行了数值模拟计算.首先,对TTU建筑模型屋盖体型系数进行数值计算,并与其他文献的结果进行对比吻合较好,验证了本文计算方法和湍流模型参数选取的合理性.然后,基于此方法研究不同尺寸檐口对低矮房屋屋面体型系数分布情况,总结出檐口尺寸对屋盖体型系数变化的规律,优化其抗风性能,研究结果可为该类建筑的工程抗风设计提供参考.