背风墙面开孔的低矮房屋风致内压响应研究

风灾中原本封闭的结构被破坏后将变成开孔结构,结构内压突然增大,将会加剧对结构的破坏。当前对风致内压的研究主要关注结构迎风面开孔的情况,而忽略了背风墙面开孔时的内压响应。从理论上推导了背风墙面开孔结构风致内压响应的计算方法,依据同济大学浦东实测基地低矮房屋在台风作用下的实测数据,对比了实测和理论计算得到的内压体系自振频率和内压响应,验证了该计算方法的准确性。最后对背风墙面合理开孔面积进行研究,建立了一套能够改善屋盖在强风中受力的开孔方法,并验证了该方法对于调控屋盖所受合力具有显著的效果。     

屋盖开孔的近地空间建筑的平均风压特征

对开孔位置和开孔率不同的7个屋盖开孔近地空间建筑进行了缩尺刚性模型测压试验,分析了屋盖升力系数,屋盖中线测点和立墙测点的点体型系数,以及屋盖的块局部体型系数分布规律,并与当前规范取值进行比较,结果表明:屋盖中心开孔减小了屋盖向上的净平均风吸力,屋盖轴线测点最大正体型系数可达+0.32,中心开孔屋盖设计时应充分考虑正风压作用;屋盖角部开孔时的正风压较中心开孔工况大,对结构受力不利;中国规范对于屋盖中心开孔工况的角部块Ra的局部体型系数取值偏于不安全;屋盖角部开孔后局部块受风的压力作用显著,会导致屋盖的进一步破坏;屋盖中心开孔增大了迎风面立墙正风压86%以上,减小了侧墙和背风面立墙的吸力,使得在全封闭状态下承受风吸力的背风面墙转而承受风压作用。     

台风致窗户破坏时大跨度屋面风振响应研究

通过大跨度屋盖建筑刚性模型风洞试验和气动弹性模型风洞试验,得到屋面节点风压时程和加速度时程。采用试验所得的脉动风压时程数据利用有限元法对屋面进行风振瞬态响应分析得到了屋面位移和加速度响应,并与气动弹性模型风洞试验结果相比较,验证瞬态分析的正确性。详细阐述了台风致窗户破坏时大跨度屋盖结构的风振响应机理和特点,计算并比较了四周封闭和突然开孔两种情况的荷载风振系数和位移风振系数。这些结论为大跨度屋盖结构的抗风设计提供了指导和参考。     

突然开孔时孔口气流动力特性参数的数值模拟

建筑物突然开孔时瞬态内压响应的规律可以用一个二阶非线性常微分方程来描述,由于开孔形状和孔边物理特征的复杂性,采用风洞试验获取方程中各项系数的方法往往比较困难。首先利用计算流体动力学的方法,模拟建筑物突然开孔瞬时的流场变化,获得风致内压的Helmholtz频率和孔口气流的等效线性阻尼。再由这两个参数计算得到的内压增益并与风洞试验结果相比较,二者结果吻合较好,表明数值计算能够准确地模拟突然开孔结构孔口处的气体流动状态。其次,利用孔口气流振荡曲线,采用参数拟合的方法进一步获得了内压传播方程中的各特征参数。     

内外压作用下平板网架结构风致响应影响参数分析

在均匀风场中对平屋面结构进行内外压同步测量风洞试验。由内压功率谱分析认为,该试验须严格遵守内压相似定律以获得正确的Helmholtz共振频率。在此基础上将平屋面结构设计成典型平板网架结构,并进行内外压作用下屋盖风致响应分析,研究开洞面积、背景孔隙、风向角及结构阻尼比等参数对屋盖竖向位移响应影响。结果表明,增大开洞面积及减小背景孔隙,屋盖竖向位移均方根值呈增大趋势;结构阻尼比对屋面竖向位移影响极小;迎风开洞时屋盖竖向位移远大于其它风向;脉动内压对屋盖位移响应贡献主要体现于背景分量。     

“四肢伸展型”大跨屋盖风致响应分析

本文基于刚性模型风洞测压试验结果,对深圳机场T3航站楼这一“四肢伸展型”大跨屋盖结构采用平稳激励下随机振动模态叠加法（CQC法）进行计算,分析了结构风致响应,并讨论了等效静力风荷载的分布特性。计算结果表明,“四肢伸展型”大跨屋盖各部分之间的气动干扰效应非常强烈且相当复杂,将增大整体结构上的风荷载;抗风设计时,不仅要注意屋盖边缘悬臂处的位移,还要关注结构中部的节点位移;风致响应以静力响应为主,但动力响应中,共振响应一般大于背景响应。以上分析可为类似大跨屋盖结构的抗风设计提供一定的参考。     

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。     

突然开孔结构风致瞬态内压极值研究

基于经典内压控制方程,对特定开孔时刻下的瞬态内压峰值响应进行了详细研究,分析孔口开启时间对结构瞬态内压峰值的影响。提出突然开孔结构瞬态内压极值的估算方法,并与精确算法进行对比。结果表明:门窗开启时刻的外压值越大,瞬态内压峰值越大,但两者最大值之间存在着一定的时差;瞬态内压极值与外压达极值时的瞬态内压峰值之间的比值可用放大因子G=1.17来描述;提出的极值计算方法能有效地估算突然开孔结构瞬态内压极值。     

紊流风场中开孔结构的孔口阻尼特性研究

利用伯努利方程导出了孔口粘滞阻尼比的表达式，并通过能量耗散原理得到了孔口阻尼比与开孔屋盖系统模态阻尼比的关系。设计制作了具有不同开孔率的两个平屋面气动弹性模型，进行了突然开孔后屋面风振稳态响应的风洞试验，利用经验模式分解(EMD)、随机减量技术(RDT)以及希尔伯特变换(HT)成功地提取了开孔屋盖系统第一模态的阻尼比，并与理论结果进行了比较，最终得出在紊流风场中孔口阻尼以粘滞阻尼为主的结论。论文最后根据粘滞阻尼的特性给出了开孔率的准确定义，并导出了临界开孔率的公式，为建筑抗风设计提供了重要的参考依据。     

大型客运码头风荷载特性和风环境分析

采用刚性模型测压风洞试验与CFD数值模拟相结合的方法,对大型客运码头风荷载特性和风环境进行了分析。结果表明,CFD数值模拟得到的码头屋盖风荷载分布与试验结果相吻合,能够用于模拟复杂建筑群的绕流;客运码头建筑物的布置形式对其屋盖风荷载影响较大,降低屋盖下方附属建筑物的高度,可以有效缓解气流在屋盖前缘的分离,减小作用于其上的风荷载。码头风环境分析结果表明,建筑物对气流的干扰作用是引起风加速的主要原因,算例客运码头的风环境问题较为突出。     

开孔结构风致内压脉动的频域法分析

提出了估算开孔结构风致内压脉动的频域分析方法,并实施了风洞试验进行验证。针对结构迎风面开孔的不利状况,根据伯努利方程导出内压响应动力微分方程,再采用能量法将非线性阻尼线性化,结合随机振动理论及迭代算法得到风致内压脉动量,通过数值算例分析了开孔结构内压频响特性及开孔率、开孔数量与开孔位置对风致内压脉动的影响。设计制作了迎风墙面具有不同开孔的刚性模型对结构内部进行风洞测压试验,试验结果与理论结果较为吻合。理论与试验研究结果均表明,对于结构单一开孔,空腔-孔口动力系统的频响特性及孔口外压谱决定了内压的脉动量,而多处开孔时各孔口风压的相关性也成为影响内压脉动的重要因素。     

开孔双空腔结构风致内压动力特性的研究

该文推导了开孔双空腔结构内压动力响应的方程组,得到了共振频率和等效阻尼比。对不同空腔开孔面积比和内部容积比下模型各空腔的内压动力响应进行了风洞试验。研究结果表明:两空腔结构模型进行风洞试验时空腔的内部容积,应按照原型和实验风速比平方的关系进行调整以准确模拟原型的内压脉动。含有外墙开孔的空腔(前腔)内压脉动均方根小于不含外墙开孔的空腔(后腔)。内外压均方根比会随着空腔开孔面积比的增加而增大。另外,空腔开孔面积比的增加还会导致系统共振频率升高,等效阻尼比降低。而空腔容积比的增加会使一阶共振频率升高,二阶共振频率降低,并趋向单一空腔时的Helmholtz频率。     

测压管道系统频响函数及对风效应的影响

利用管道测压试验,确定不同长度测压管的频率响应函数。在此基础上,研究不考虑管道系统修正时,测压管道长度对平屋面风压系数和结构风振响应均方根和极值的影响规律。研究结果表明：短管对脉动风压有放大效应,长管则呈现缩小效应;当管道长度较大时,风压信号衰减十分显著,尤其在高频位置;管道长度对风振响应的影响小于屋面风压系数,误差影响规律差别较大;测压管道长度对风压系数和风振响应计算误差的影响呈现振荡特性,100cm左右管道长度引起的误差相对较小,对于大多数管道长度,均需要进行风压管道修正。     

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。     

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。     

Experimental and numerical study of composite lightweight structural insulated panel with expanded polystyrene core against windborne debris impacts

Natural disasters such as cyclone, hurricane, tornado and typhoon cause tremendous loss around the world. The windborne debris usually imposes high speed localized impact on the building envelope, which may harm people inside the building and create dominant openings. A dominant opening in the building envelope might cause internal pressure increasing and result in substantial damage to the building structures, such as roof lifting up or even collapse. To withstand the impact of such extreme event, the penetration resistant capacity of wall or roof panels to windborne debris impact should meet the requirements specified in the wind loading codes, e.g., the Australian Wind Loading Code (AS/NZS 1170.2:2011). In this study, a composite Structural Insulated Panel (SIP) with Extended Polystyrene (EPS) core sandwiched by flat metal skins that is commonly used in building industry was investigated. To study the structural response and penetration resistant capacity of the composite panel against windborne debris impacts, a series of laboratory tests were carried out by using a pneumatic cannon testing system. The effects of various specimen configurations, impact locations and debris impact velocities on their performance were investigated. The failure modes under various projectile impact scenarios were observed and compared by using two high-speed cameras. The dynamic responses were examined quantitatively in terms of the opening size, residual velocity of projectile, deformation and strain time histories on the back skin measured in the tests. The penetration resistance capacity of the panels subjected to windborne debris impact were examined and analyzed. In addition, numerical models were developed in LS-DYNA to simulate the response and damage of the composite SIP under windborne debris impact. Laboratory tested panels were first modeled. The test data was used to calibrate the accuracy of the numerical model. The validated numerical model was then used to conduct more numerical simulations to obtain more results such as energy absorption, impact force and vulnerability curve of the SIP against windborne debris impact.