龙卷风作用下两类屋面风荷载特性对比研究

为研究龙卷风风场中央的两类屋面低矮建筑风荷载特性,文中以计算流体动力学手段建立Ward型龙卷风发生装置,采用Realizable k-ε湍流模型实现对两类屋面模型的数值模拟研究。对比分析3种典型屋面坡角（15°、30°和45°）下两类屋面低矮建筑物风荷载特性。研究结果表明,建筑物位于龙卷风中心时,龙卷风作用下两类屋面均受负压,且风压呈中心对称分布;随着屋面坡角的增加,双坡屋面建筑物所受最大负风压系数由-0.49增大至-1.04,四坡屋面风压随坡角增加而增大现象不明显,最大负风压系数稳定在约-0.49;同时两类屋面建筑物顶部中央的漩涡分离,转移至两侧屋檐处,屋面的漩涡数量减少。龙卷风作用下两种屋盖对比研究中得出结论,相较双坡屋面四坡屋面在3种坡度下均可有效减低风荷载。     

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。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压幅值特性研究

采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对4个不同深宽比的高层建筑模型进行测压试验,分析了各模型8个不同径向位置处的风压幅值特性,并与大气边界层风作用下的建筑表面风压系数进行了对比。结果表明：雷暴冲击风作用下,建筑迎风面为正压,侧面和背风面均为负压;迎风面平均和脉动风压受模型深宽比影响较小,侧面和背风面受深宽比影响较大;随着径向距离的增加,迎风面平均风压系数逐渐减小,脉动风压系数先增大后减小,侧面平均风压系数绝对值以及脉动风压系数先增大后减小,背风面平均和脉动风压系数变化较为平缓;各模型迎风面风压系数沿高度呈“鼻子”状分布,最大风压出现在0.25H(H为模型高度);与大气边界层风作用下建筑表面风压幅值相比,雷暴冲击风作用下高层建筑模型的迎风面中下部区域以及侧面前缘部位风压系数较大,考虑雷暴冲击风作用的高层建筑设计时,应对这些区域的风荷载取值进行适当放大。     

多漩涡龙卷风作用下建筑表面风压系数的研究

为研究多漩涡龙卷风场结构特征,以圆柱体作为龙卷风场的计算流域以及改变风的入射角度,利用Fluent14.5软件并采用湍流模型模拟出4种典型漩涡比值S为0.28,0.5,1及2的龙卷风场,并对双坡屋面建筑物的表面风压系数进行了模拟。模拟结果表明:S等于0.28时,形成一个稳定上升的单涡龙卷风结构;当S为0.5和1时,龙卷风涡核少部分上升气流转为下降气流,涡核半径随之扩大,涡结构从上往下分离;S为2时,龙卷风涡核大部分气流转为下降气流并逐渐触地,导致涡核分离,最终形成多个漩涡的龙卷风;另一方面研究发现,随着漩涡比值的增加,龙卷风作用下的建筑物表面风压系数绝对值随之减小。     

考虑风场干扰的喇叭形悬挑钢结构设计风荷载

为获得喇叭形悬挑钢结构的设计风荷载值,考虑临近建筑的风场干扰效应进行了数值风洞模拟。文章通过建立完整的风环境模型,采用非线性k-ε-EARSM湍流模型开展了数值风洞模拟,研究了流场特征、风压系数和不同风向角下建筑表面的风压及风荷载合力的变化规律。研究表明:在最不利风向角的迎风面上,结构悬挑部位内表面的风压系数在2.0左右,且结构受到明显的竖向升力作用;在其他风向角下,受周边建筑风场干扰影响,结构内外表面风压大都呈现相互抵消趋势。计算结果为风压系数,结合相关规范,为设计提供参考意见。     

双坡低矮建筑风压系数的概率统计特性分析

基于低矮建筑表面风压测量风洞试验数据,分析了低矮建筑各部位风压系数的概率统计特征。分析结果显示,在迎风墙、屋盖上风区和侧墙上风区以及斜风时屋盖某些关键测点上,风压系数的偏度系数和峰度系数都严重偏离高斯过程对应值,表现出很强的非高斯性;在背风墙、屋盖下风区和侧墙下风区,尽管风压系数的偏度系数接近高斯过程对应值,但峰度系数仍然偏大,风压系数仍然是非高斯性的。将利用峰值因子法得到的模型各测点上的最不利正、负风压系数与直接观察法得到的结果进行了对比,结果表明,峰值因子法低估了墙面上的最不利正、负风压系数,低估了屋盖上的最不利负风压系数,但高估了屋盖上的正风压系数,估计误差率在-37%～+120%之间。     

Rankine涡平移模型下低层房屋龙卷风荷载的分析

应用Rankine涡运动理论,结合我国的龙卷风灾,探讨气流速度和压力沿平面的分布规律,分析建筑风荷载,表明了龙卷风各水平面左侧旋涡压强沿径向按递减,递增、递减变化,对建筑物风压力、风吸力、扭转的实用计算进行了探讨,可供建筑结构抗风设计参考.     

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。     

龙卷风作用核电常规岛主厂房随机响应及结构体系可靠度

在基于实际龙卷风观测记录的基础上,推导了极值Ⅲ型龙卷风强度概率分布函数并建立了龙卷风随机荷载模型。以核电常规岛主厂房钢框架结构为计算模型,采用谱随机有限元法,在厂房位于龙卷风中心、厂房位于龙卷风上游最大风速半径处及厂房位于龙卷风下游最大风速半径处三种工况,考虑龙卷风荷载和结构抗力参数的不确定性,对结构进行随机响应和可靠度分析。分析结果表明:厂房位于龙卷风中心时,龙卷风荷载对厂房产生明显的扭转效应,结构顶点位移对规范限值的超越概率为三种工况中最大;当厂房位于龙卷风最大风速半径处,龙卷风对结构主要产生指向龙卷风中心的侧向推动作用,顶点位移的超越概率较小;龙卷风位于厂房中心处为三种工况中的荷载最不利位置。针对不同的位移限值,绘制了结构在龙卷风荷载最不利工况下的易损性曲线。     

典型低矮建筑表面风压数值模拟研究

风灾害导致建筑结构损毁所造成的损失十分巨大,而现行建筑荷载规范在此方面所能提供的条款内容有限,结构抗风设计缺乏足够的规范性指导。采用CFD数值风洞方法,研究低矮建筑标准模型表面风压在不同风向角的分布特性以及压力系数变化特性,为此类建筑的抗风设计提供参考。     

龙卷风风场模型及风荷载研究

为研究龙卷风对建筑结构的作用特征,在综合分析龙卷风袭击建筑物时高速风冲击作用和突然气压降作用的基础上,提出了封闭结构龙卷风荷载的计算方法。从柱面坐标下的流体力学控制方程组出发,发展了考虑气压降的三维龙卷风风场模型。采用计算流体动力学(CFD)方法对某大跨穹顶结构周围风场进行数值模拟,得到了结构的压力系数,同时计算得到了该结构的龙卷风荷载时程,利用时程分析方法对结构进行龙卷风作用下的风致动力响应分析,得到了结构在龙卷风作用下的位移时程。研究结果表明：龙卷风的袭击过程持续时间短,120m跨穹顶结构在F3级龙卷风作用下,整个袭击过程仅持续约15s;龙卷风的作用剧烈,穹顶结构的位移最大值达到2.73m,远大于规范限值的1/250跨度（0.48m）。     

某高层多塔连体结构风荷载体型系数研究

以珠海某高层多塔连体结构工程为例，研究高位连接复杂多塔结构表面的风压特征与体型系数分布，为此类结构的抗风设计提供计算依据，保障结构安全。采用CFD方法对高层多塔连体结构及周围干扰建筑进行数值风洞模拟，分析不同风向角工况下结构主表面及局部构造处的体形系数，并与物理风洞试验结果以及规范值进行比较。结构迎风面的体型系数一般呈现中间大两边小的分布，多塔楼之间存在互相干扰作用；裙房处可能存在体型系数绝对值较大的情况，斜向气流在相邻表面易形成较大风压；相比于物理风洞试验结果，数值风洞模拟的结果与荷载规范值更为接近，且分布相对更为均匀；不规则高位连接体凹面处会产生较大的体型系数，但对整体结构的体型系数影响有限。在抗风设计过程中，多塔楼间的干扰作用及不规则高位连接体的影响应予以考虑。     

倒伞形挑篷群体风荷载试验研究

以某实际结构工程为背景,在同济大学的TJ-3大气边界层风洞中对26个倒伞形挑篷群体结构进行了测压试验,得到了挑篷群上的平均风压系数、脉动风压系数、典型风向角下的分块体型系数和倾覆力矩系数,讨论了挑篷上表面、下表面和净风压的风压分布特性和最不利风向,并分析了挑篷间的相互气动干扰效应.结果表明,挑篷上的风荷载主要以向上的合...     

大跨度封闭式柱面屋盖脉动风荷载非高斯分布试验研究

在大气边界层风洞中对一大跨度封闭式柱面屋盖结构进行刚性模型同步测压试验,获得了结构表面测点在36个风向角下的风压数据,根据测试结果对结构脉动风荷载非高斯分布规律及其形成机理进行了分析。通过对结构表面测点脉动风荷载概率密度分布曲线与标准高斯分布曲线对比分析,发现结构表面受特征湍流影响显著部位,其测点脉动风荷载非高斯分布特性比较突出;通过对测点间脉动风荷载相关性分析,发现特征湍流影响显著部位,大尺度漩涡不满足独立同分布,相关性较强,风压信号表现为非高斯特性。以试验研究为基础,通过测点脉动风荷载测试信号的斜度值和峰态值累积概率分布曲线,得到累积概率为80%对应的斜度值和峰态值,并以此为标准,划分了该柱面屋盖表面高斯与非高斯区域,发现不同风向角下,在迎风前缘来流撞击位置以及结构边角附近为非高斯区域,气流平稳位置为高斯区域。     

平屋盖围护构件设计风荷载研究

GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中未给出复杂体型且重要建筑物的风荷载局部体型系数,此类建筑物的风荷载需通过风洞试验确定。基于此,提出了基于风洞试验的围护构件设计风荷载计算方法,将规范中阵风系数与局部体型系数的乘积修改为局部体型系数与脉动风压系数极值之和的形式,称为风压系数极值。提出的围护构件设计风荷载计算方法不仅适用于迎风面围护构件设计风荷载的计算,也适用于气流分离区围护构件设计风荷载的计算。在脉动风压系数极值的计算中,考虑了气流分离区非正态风压时程的特性,采用非正态峰值因子的简化计算式,可简便确定非正态风压时程的峰值因子。以平屋盖围护构件设计风荷载的确定过程为例,对比了我国规范方法与文中方法的异同,提出了平屋盖围护构件风压系数极值的设计建议值。结果表明,采用文中提出的围护构件设计风荷载计算方法,基于风洞试验数据可确定气流分离区围护构件的设计风荷载,采用日本风荷载规范的屋盖风荷载分区方法是合理的;采用风洞试验得到的局部体型系数,套用GB 50009-2012规范方法确定气流分离区围护构件的设计风荷载,可能严重低估风荷载取值。     

漏斗结构平移模型下房屋龙卷风荷载的分析

基于龙卷风的漏斗结构模型以及Rankine涡平移模型的理论,对房屋进行漏斗结构平移模型下的龙卷风荷载分析,得出较Rankine涡平面模型更为真宴的房屋龙卷风荷载,对房屋的风吸力及扭转荷载作用力进行了分析,得出风吸力的大小随龙卷凤的高度而变化,对低矮房屋的作用力最大。     

复杂双塔对大跨中庭屋盖风荷载影响的试验研究

采用风洞试验方法,对一体型复杂的双塔-中庭连体高层建筑中的大跨中庭屋盖的风荷载进行了研究,获得了正向风作用时两侧屋面的平均与极值风压等值线图、体型系数随高度变化曲线,以及最不利斜向风作用下的风压分布图,并与荷载规范中仅考虑单体建筑受正向风作用时的取值进行了比较.结果显示,双塔的相互错位及一侧弧面设计,使得屋盖在特定斜向风作用下的平均与极值风压比正向风时更为不利,其中斜风时的平均和极值正风压峰值达到正向风时的近1.5倍,而负风压峰值则分别达到后者的约2～2.5倍和3～4倍;考虑不利风向时,屋盖除屋脊附近以外的各区域正体型系数及全区域负体型系数绝对值均明显大于规范值,而屋盖中下部位的极值正风压及大部分区域的极值负风压值普遍超出规范值1倍以上.这表明此类屋盖的风荷载若直接按规范取值可能使结构设计趋于不安全.     

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。     

山村低矮双坡屋面建筑风致响应比较研究

根据调查分析,建立单层双坡屋面建筑和两层双坡屋顶建筑的数值模型,模拟在主导风向下建筑风荷载的影响。通过与现有建筑结构规范的比较,得出了低矮房屋的风压分布系数的最大正负压系数,并指出屋顶负压区分布面积较大,为工程设计提     

实尺TTU建筑风荷载的数值模拟研究

采用realizable k-ε模型和Menter-Lechner近壁面处理方式对实尺TTU建筑的风荷载进行了数值模拟研究,将计算结果与场地实测及风洞试验数据进行了对比,并分析了建筑表面风压分布规律和周围流场结构。结果表明,数值模拟较好地反映了低矮建筑的风荷载特征,建筑边缘网格的适度加密获得了精细的数值计算结果;不同风向角下TTU建筑表面的最高负压出现在屋面的迎风屋角区域;与垂直来流相比,斜向来流对建筑抗风更为不利。研究结果可以为低矮房屋抗风设计提供依据。