拱形屋盖结构不平衡雪荷载的模拟研究

该文利用基于有限面元(Finite Area Element,FAE)方法对拱形屋面的不均匀积雪荷载进行了研究。首先设计制作了缩尺比为1∶100、矢跨比为0.125的拱形屋面风洞试验模型,通过风洞试验测得屋面平均风速大小,结合CFD数值模拟确定平均风速方向,再基于FAE方法利用风速-雪通量经验公式计算得到屋面的积雪分布系数;并分析了不同风速和不同风向角对屋面积雪分布系数及不平衡雪荷载的影响。其次,对基于FAE方法计算得到的积雪分布系数、基于两相流的CFD数值模拟结果以及我国现行《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012的结果进行了比较。最后,总结了屋面雪荷载分布规律,给出了针对这类大跨结构雪荷载设计的一些建议。     

风雪绕流数值模拟的积雪预测模型研究

为研究钝体风雪绕流效应下的地表积雪现象,根据壁面剪切机制及空间混合理论共同确立了积雪预测模型,采用欧拉框架单流体方法对1 m高度立方体模型周边的风雪两相流动情况及空间雪相浓度进行了求解。通过对比不同积雪模型下沉积预测指标在绕流区域的分布情况,及以此得到的积雪预测形态与实测结果的差异发现:该文采用的积雪模型不完全依赖于当地摩阻风速与临界起动风速的相对关系,一定程度上避免了模型参数的取值局限,对沉积现象的反映更为直观;由于综合了两套理论并引入沉积量估计的双重动态指标,该文对于雪面侵蚀及沉积区域的界定划分较为清晰,对积雪形态的预测包括雪面极值位置的捕捉、坡面起伏规律的再现,都较已有数值计算结果更为合理。模型方法可用于其他外形地物绕流下的地表积雪现象模拟。     

低矮建筑屋盖风雪流作用场地实测与数值模拟

为了研究风雪流对低矮建筑屋盖的作用,制作了6组缩尺模型,在常遇雪天气候下,开展了屋盖积雪特性场地实测与模化分析,考虑了典型的阶梯型屋面以及平屋面、双坡屋面、女儿墙等因素的影响,提出了典型低矮建筑屋盖积雪荷载模化模型。研究表明:阶梯型屋面的积雪分布与已有的场地实测及风洞试验结果相似;平屋面雪荷载沿来流方向呈倒U型分布,可模化为均匀分布,但随着风速变化,积雪漂移使积雪形态可能向倒V型演化,建议考虑其线性非均匀分布对结构的不利影响;风速较低时,双坡屋面的积雪漂移量较少,对迎风侧屋盖更不利,国内外规范均侧重考虑了积雪漂移对背风侧的影响,建议考虑弱风条件下积雪漂移对迎风侧的不利影响;女儿墙的存在使屋面积雪量有较大的增加,屋盖前缘和后缘区域的漂移长度差异较大。结合风洞试验与场地实测,考虑雪粒子与风场的双向耦合、雪粒碰撞、黏结,探索性地对阶梯型屋面的积雪分布进行了二维数值模拟,论证了DEM-CFD风雪流模拟方法的可行性。     

风致积雪重分布的拉格朗日方法与现场实测研究

采用拉格朗日方法,模拟了立方体周围积雪重分布的情况,同时在东北地区利用真实的雪颗粒对立方体周围积雪重分布进行了现场实测。将数值模拟和现场实测结果进行比较,两者在整体趋势上吻合较好。在立方体前方处均发生积雪沉积;在立方体侧边迎风端出现积雪侵蚀;在立方体的背风区,侵蚀量较小。由于该文的数值模拟方法未考虑横风向风速对雪粒的作用,在立方体迎风前方的底部,数值模拟方法的结果与实测有一定的差异。该文还分析了数值模拟中的雪颗粒阈值摩擦速度对积雪沉积侵蚀的影响。     

风致雪漂移的风洞试验方法和观测研究

雪粒在较大风力作用下会发生复杂的漂移现象,称为风致雪漂移,导致建筑物表面的积雪产生不均匀分布,严重时会导致引发建筑的坍塌。为了得到能应用于具体工程中的风致雪飘移的模拟和研究方法,该文采用风洞试验和实地观测两种方法进行了初步的研究。通过风洞试验,探讨了雪花白堆积曲线随时间和随风速的变化规律和雪花白粘结力对试验结果的影响;河沙的风洞试验中则围绕和实测曲线吻合较好的工况进行了数据分析。通过实地观测,测试了低风速下高低屋面模型的积雪分布,并与国外文献进行了对比分析。     

不同护栏透风率下桥面雪飘移的数值模拟

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，对典型桥梁断面上的雪飘移进行了数值模拟，得到桥面上风致积雪的重分布。为验证该文数值模拟方法的正确性，以平屋面风吹雪为案例，将该文数值模拟方法得到的结果与风洞试验结果进行了对比。在桥面雪飘移的数值模拟过程中，考虑了桥梁护栏的影响，对比分析了不同护栏透风率下桥面风致积雪重分布形式。研究发现：当护栏透风率大于50%时，桥面上不会出现显著的积雪沉积；当护栏透风率小于50%时，桥面护栏附近出现了较显著的积雪沉积，且在迎风端护栏的背风侧沉积最大。为减小桥面风致积雪堆积对交通的不利影响，建议在桥梁设计时采用高透风率的护栏。     

风速和持续时间对立方体周边风致积雪演化影响研究

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一.由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但是仍缺乏在稳定风雪条件下的广泛验证,限制了其预测方法的进一步提升和推广.为了揭示风速和持续时间对立方体周边积雪演化过程的影响,该文在西北严寒地区的稳定吹雪条件下,对不同风速下立方体模型周边不同时刻的...     

长宽比对长方体周边风致积雪分布影响

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一。由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但方程及参数设置仍存在不足,实测数据库中又仅有在风雪流中单个立方体模型周边积雪的实测对比数据,模拟方法得不到广泛验证,缺乏模型的多样性限制了预测方法的进一步提升和推广。为了揭示不同长宽比对建筑物周边积雪分布的影响,对不同工况下长方体周边积雪分布进行了现场实测,同时用数值模拟方法模拟了不同工况下长方体周边风场,讨论了风场与其积雪分布的关系。结果表明:该模拟方法利用模型周边风速分布能较好地推测出积雪侵蚀堆积范围,对于不同长宽比的建筑,迎风侧积雪分布只与建筑高度有关,长宽比对其影响不大,横风向侵蚀影响范围与建筑长度成正比,且背风侧侵蚀范围受建筑长度影响较大,建筑宽度对其周边积雪分布影响较小。     

建筑物周边风致雪漂移的数值模拟研究

利用计算流体力学软件FLUENT,基于Euler-Euler方法,假定空气相和雪相均为连续相,采用Mixture多相流模型对建筑物周边的风雪漂移进行了数值模拟。采用有限体积法和SIMPLE压力校正算法来实现非线性离散化方程的解耦和迭代求解。以防雪栏为研究对象,通过不同湍流模型模拟其周边雪漂移的情况,结果表明k-kl-ω模型能较好的模拟风雪漂移。在此基础上对立方体周围的风雪漂移进行了数值模拟,数值模拟结果与实测结果积雪分布规律相一致,验证了该文数值模拟方法的有效性。     

单层球面网壳结构屋面雪荷载最不利布置研究

雪荷载对大跨网壳结构的影响相对较大,而且由于风及温度等的作用,雪荷载在屋面的分布往往是不均匀的,确定雪荷载的最不利布置是保证大跨网壳结构安全设计需要考虑的问题。该文提出了一种分区组合法来确定单层球面网壳结构在屋面雪荷载作用下的最不利布置,该方法首先将屋面沿径向分为8个扇区,分别考虑雪荷载布置在不同扇区的排列组合,计算结构的极限承载力,确定雪荷载的径向最不利布置,然后再将屋面按环向分为6个环区,计算并确定雪荷载环向最不利布置,最后组合径向和环向两种情况,确定单层球面网壳结构雪荷载的最不利布置。研究结果表明,当雪荷载布置在半跨并且是最外两环时,结构的极限承载力最低,比满跨和半跨雪荷载工况分别降低24.8%和16.3%。     

体育场主看台弧形挑篷风振响应分析的极坐标法

根据体育场主看台弧形挑篷的风荷载和振型函数特点,提出并建立了极坐标下计算主看台弧形挑篷风致振动响应的方法。以一实际体育场主看台弧形挑篷为例,根据风洞试验获得的该结构挑篷的非定常风压,用ANY SY时程方法、CQC频域方法和本文方法计算了其风振响应。结果表明,本文方法有足够的工程精度,比在直角坐标下描述荷载分布特性和响应特性有优势。     

Optimization control of bionics shell roofs subjected to snow skidding

Dynamic identification and optimization of bionics shell roofs subjected to the snow skidding is dealt with in present paper. The optimization control of structural geometry in order to induce the aimed snow skidding with reduction of dead weight snow loads is aimed. Theoretical, numerical and experimental in situ assessments based on wave approaches of the problem are presented. Structural application in situ on attractive shell roof made of laminated wood with optimization control suggested is presented. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

大跨屋盖结构共振响应多目标等效静力风荷载

针对大跨屋盖结构等效静力风荷载计算需要兼顾多个响应控制目标问题,基于能量等效,提出了大跨屋盖结构风致共振响应多目标等效静力风荷载分析方法。根据结构风致共振响应特点,从保证结构整体安全的角度,确定以结构风振过程中各节点吸收和转化的风动能达到极值时刻为等效目标,据此最不利情况,推导了共振响应多目标等效静力风荷载表达式。最后,将该方法应用于北京奥运网球中心屋盖结构共振响应等效静力风荷载计算,结果表明:该等效静力风荷载下的结构静力响应与频域分析得到的结构动力响应极值吻合较好,验证了所提方法的有效性和工程实用性。     

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。     

大跨屋盖时域多目标等效静力风荷载计算方法

根据大跨屋盖结构多振型参与结构风振,等效静力风荷载存在多目标的特点,提出时域多目标等效静力风荷载的分析方法。该方法的基本思路是:利用时域分析得到的位移响应时程,计算结构的广义恢复力时程,对广义恢复力进行POD分解,得到广义恢复力的本征模态,以此构造多目标等效静力风荷载的基本向量;引入约束方程组和权值因子,用加权约束最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到多目标等效静力风荷载。该方法能够再现风振响应特点,在保证关键目标等效精度的同时,得到较合理的多目标等效静力风荷载分布。最后,将该方法应用于某大跨屋盖,验证了该文方法的有效性和精度。     

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。     

檐口形状及附属构造对低矮建筑双坡屋面风压特性的影响

分析表明,低矮房屋在风灾中首先是围护结构的破坏,因此对于低矮房屋抗风性能的改进,最为有效的方法是减小屋面的极值风压。根据我国东南沿海农村住宅的调研报告,并结合浙江省民用建筑图集,8种适用于我国东南沿海农村居民低矮房屋建筑的檐口形状（包括各种檐沟或挑檐）在TJ-2风洞试验室进行了缩尺模型测压试验。研究发现,对于3种具有不同坡度的双坡屋面低矮房屋,这些形状各异且具有附属构造的檐口的出现,抑制了迎风向来流的分离和再附,从而减小了迎风向屋面前沿区域的负风压值;对于减小的幅度而言,拥有26.6&;#61616;和33.7&;#61616;坡角的坡屋面要比拥有14.0&;#61616;坡角的双坡屋面小得多;对于8种檐口而言,具有檐沟、悬挑盖板和竖直挡板的檐口表现出了优异的抗风性能,对最不利面积极值风压的影响,折减幅度可以达到47%以上。     

基于本征模态补偿的大跨屋盖脉动风等效静力风荷载

在刚性建筑模型风洞测压试验的基础上,该文首先根据脉动风荷载引起的多个等效目标响应而对由结构上脉动风荷载的协方差本征变换得到的本征模态进行补偿,然后提出了一种新的计算线性复杂大跨屋盖脉动风荷载的等效静力风荷载的方法,最后并应用于一实际工程中.计算结果表明该文方法具有物理含义明确、计算方法简单和计算精度较高的优点,能比较有...     

基于非概率集合理论的屋面板风致疲劳寿命估计

现有疲劳分析中,通常将结构材料参数、几何尺寸等定义为确定性参数;实际结构中,相关参数均为有界但不确定变量,如按确定性参数估计结构的疲劳寿命是偏于不安全的。该文将结构体系中不确定参数定义为区间变量,在线性疲劳损伤累积理论基础上,提出一种仅需一次动力响应分析即可计算不确定结构在动力荷载作用下疲劳损伤的新方法。该方法将金属屋面板弹性模量和屋面板板厚等由于施工误差等因素引起的不确定参数定义为区间变量,通过摄动法和区间动力响应分析,计算屋面板在脉动风荷载作用下的应力响应区间;结合屋面板材料的S-N曲线,采用修正Miner疲劳线性累积准则对屋面板的疲劳损伤和寿命区间进行估计。结果表明:该文方法可有效计算考虑结构参数不确定条件下金属屋面板的疲劳损伤和寿命区间;与顶点法比较,该文方法仅需一次动力响应分析就可计算金属屋面板风致疲劳损伤和寿命区间。