台风作用下低矮房屋屋面角部峰值压力实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房及台风测试系统,开展了近地登陆台风风场和房屋表面风压现场实测,主要研究近地边界层登陆台风风场特性和低矮房屋风效应。主要根据1003号"灿都"台风的实测风速和风压数据,研究近地台风风场湍流特征和屋面角部峰值负压。分析来流方向不同地貌状况和台风不同区域的近地10m高度的湍流度、阵风因子、湍流积分尺度等湍流特征参数;探讨实验房屋面角部区域风压分布特征和角部区域峰值压力时间和空间的平均效应。在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘区域测点具有较大的峰值负压和脉动风压,实测最小峰值负压为-4240.0Pa,峰值负压系数最小值为-13.5,风压系数概率分布为非高斯分布。评估了来流不同湍流强度和湍流积分尺度对角部区域风压的影响。并运用非高斯峰值因子极值分析方法对角部区域峰值负压进行极值分析,最后将角部区域风压系数的实测值及极值分析值与现行ASCE 7-10规范规定值进行比较,现行ASCE 7-10规范相对低估其屋檐角部边缘区域的峰值负压系数。     

温州地区近地强风特性实测研究

为研究我国沿海地区的近地强风特性,基于设置在温州大学的风场观测点(离地约30m高),对台风“海鸥”影响温州时的风场状况进行了监测,获取了台风期间近地风场的实测数据。通过对台风影响过程的风速和风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱密度函数和空间相干性等参数的分析,研究了台风“海鸥”影响温州时的近地风场特性。结果表明：台风“海鸥”的湍流度和阵风因子较大,顺风向和横风向湍流度接近;顺风向与横风向湍流积分尺度的均值分别为70.4m和66.6m;实测风速谱与von Karman谱基本符合;实测两点的脉动风速空间相干系数在零频率处与Shiotami经验公式计算结果一致。     

台风“苏力”近地风场脉动特性实测研究

利用设置在福建省霞浦县牙城镇的观测点,成功测得了2013年超强台风“苏力”的近地脉动风场数据,在此基础上对台风的湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱进行了分析。研究结果表明：湍流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小,当平均风速大于10 m/s时,数值趋于稳定;台风风场的横风向、竖直向湍流强度分量显著增强,顺风向、横风向、竖直向湍流强度分量比值达到1∶0.8∶0.55;台风风场的湍流积分尺度离散性较大,与平均风速、湍流强度无明显相关性,实测的台风脉动风功率谱与von Karman谱比较接近。     

低矮房屋风荷载实测研究(Ⅱ)——双坡屋面风压特征分析

基于可移动的双坡屋面实验房获取的近地面台风风速和房屋表面风压同步实测数据,研究了台风作用下低矮房屋屋面风荷载。研究结果表明:在斜向风作用下,迎风屋面屋脊角部区域、屋面角部区域易形成较高的局部峰值负压并具有较大的脉动风压,风压系数概率分布为非高斯分布。在低频范围内,屋脊角部区域脉动风压预测谱与实测压力谱吻合相对较好;在高频范围内,脉动风压预测谱都低估实测谱。相对良态气候条件,在台风天气条件下,来流气流与建筑物相互作用产生的特征湍流对高频范围脉动风压功率谱影响显著,未考虑竖向风攻角和竖向脉动风速变化相对显著,在屋面角部区域现行规范计算方法相对低估其脉动风荷载。     

强台风“黑格比”登陆过程中近地风场特性

为准确研究低矮房屋的风载特性,基于建造在强台风"黑格比"登陆地点的低矮房屋原型实测房,对强台风"黑格比"登陆的全过程进行了监测,获取了在强台风登陆过程中近地风场及实测房屋表面风压的实测数据。通过对台风登陆过程的风速及风向、阵风因子、湍流度、湍流积分尺度和风速谱等参数的分析,研究了强台风"黑格比"登陆时的近地风场特性,同时介绍了实测房屋及测压系统。结果表明:强台风"黑格比"的最大瞬时风速达到56.7/s,10m in最大平均风速为40.2m/s;台风登陆前,风速及风向脉动变化很大;台风登陆后,湍流度及阵风因子明显减小;风速变大,阵风因子与湍流度有减小的趋势;实测风速谱与von Karman谱吻合较好。研究结果将增进对强台风近地风场的理解和认识,可为今后改进低矮房屋的抗风设计提供参考。     

良态风作用下索膜结构风压特性现场实测研究

采用超声风速仪和风压传感器对良态风下的上海世博会世博轴索膜结构的风场及风压进行现场实测,对结构所处风场特性及膜结构表面风压特性进行研究。研究结果表明:三方向脉动风速均基本符合高斯分布;湍流度及阵风因子与平均风速基本符合对数型函数关系,随着平均风速的增大而减小;湍流积分尺度随平均风速的增大而增大;实测风速谱低频段和中频段实测谱与Simiu谱较为接近;风压概率密度分布有一定的非高斯性;与顺风向脉动风速功率谱相比,各测点脉动风压低频段功率谱密度相近,中频、高频段功率谱密度有一定差别;随着平均风速的增大,风压系数的离散性逐渐减小,风速较小时风压系数偏大;得到352.4°风向角下风压系数与体型系数。     

台风“海马”登陆中心近地风场特性实测研究

为研究台风"海马"的近地面风场特性,在位于其登陆中心的观测塔离地高度位置20 m和10 m处安装了测风装置,分析了平均风速和风向、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度以及脉动风速功率谱密度等风场特征参数。结果表明:台风登陆前后的中心风速时程呈M形变化,平均风向角发生反向改变,不同高度的平均风速和风向角有所差异;湍流强度和阵风因子均在登陆时刻最大,20 m和10 m高度的湍流强度均值分别为0. 26和0. 31、阵风因子分别为1. 73和1. 89,均随高度和风速的增大而递减,其值较中国、美国和日本建筑规范的对应地貌规定值小,湍流强度和阵风因子关系的拟合结果相较经验公式偏大;台风经过期间的20 m和10 m高度处湍流积分尺度均值分别为136 m和85 m,随高度和风速的增大而增大,其随高度的变化趋势比美国和日本建筑规范对应地貌的结果更加明显;脉动风速功率谱密度随着风速和积分尺度的增大逐渐满足Kolmogrove-2/3律,实测结果与von Karman谱吻合较好。     

北京郊外近地面风场特性实测研究

基于北京延庆县某一近地风剖面观测点,观测获得了近地面冬季季风剖面实测数据,研究了近地风剖面的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、相干函数、湍流积分尺度和功率谱密度等风场特性参数,并与现行欧洲、美国、日本等相关国家规范进行了对比分析。研究结果表明：实测风速沿高度的变化规律除3.5m高度外,12.5m高度范围内实测结果与各国规范值基本符合;随着高度的增加,湍流度和阵风因子呈逐渐减小的趋势;实测湍流度结果与欧洲、美国、日本等相关规范湍流度取值较为接近,而与GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》差异较大;10m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度增加而增大,随着平均风速增大而增大,实测湍流积分尺度结果与国外规范值存在一定差异;随着测点间距增大,竖向相关性的衰减系数明显增大,且实测衰减系数结果与Davenport建议的衰减系数有明显差异;10m高度范围内各高度处的实测功率谱密度曲线基本一致,与已有经验谱有一定差异,但与Devenport谱接近。     

强台风“黑格比”作用下低矮房屋风压特性

根据强台风"黑格比"登陆过程近地风场的实测结果及实测房屋表面测点在强台风登陆全过程监测获取的风压数据,分析了低矮房屋迎风屋面屋沿局部测点的平均、脉动及极值风压系数的变化规律,总结了其对应风场状况下的屋面体型系数。同时,利用等压线图分析了6种风场下的屋面平均、脉动及极值风压系数的分布规律。结果表明:在接近强台风"黑格比"风眼区域,由于明显交替变化的上升及下沉气流,导致低矮房屋迎风屋面屋沿及角部等局部区域形成强大的吸力及高压区,迎风屋面最小、最大体型系数值分别达到了-6.56、3.42;屋沿各测点风压谱相互吻合较好,当频率达到4Hz后,谱能急剧下降;迎风墙面测点在3/4墙高处压力最大,背风墙面各测点风压值基本一致,湍流积分尺度对平均风压系数的影响不大,但脉动风压系数和峰值风压系数随湍流积分尺度的增大而增大。     

台风“海马”登陆过程近地风场脉动特性研究

为研究台风登陆过程中近地风场脉动特性,采用Windcube V2型多普勒激光测风雷达实测台风"海马"的登陆过程,获得了高度40~290 m范围内共计12处的时程数据。基于观测结果,分析了台风中心、眼壁强风区等位置的平均风速和风向、风剖面、阵风因子、湍流强度、湍流积分尺度等发散特性。分析结果表明:台风"海马"平均风速时程呈"M"形双峰分布,台风登陆前后风向角变化了近180°;平均风速剖面在风眼中心和眼壁强风区具有明显不同的剖面形式;风向剖面异于良态风剖面,且沿高度并非一致;在台风眼壁强风区,纵、横和竖向湍流强度三者之比为1∶0.91∶0.40,相比于规范值,台风"海马"横向湍流强度相对较大,竖向湍流强度相对较小;纵向和横向阵风因子均随平均风速的增加而减小,基于非线性关系式给出了阵风因子和湍流度的拟合关系式,拟合结果与实测结果较为接近;湍流积分尺度在眼壁强风区较大,台风登陆前后其值差异也较大且后眼壁大于前眼壁,受地貌特性影响较为显著。     

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.     

低矮建筑风致局部瞬毁诱发次生灾害机理研究

基于缩尺比为1∶40低矮建筑在不同地貌条件下的风洞试验,研究因易损区局部风致破坏进而诱发低矮建筑屋面整体风毁的风载特性,分析屋面瞬间开孔所致瞬态峰值内压过冲效应,研究稳态阶段的内压分布特征及净风压极值分布规律。结果表明：建筑上游风场湍流度越大,屋面局部瞬间破坏所致过冲效应越明显;地貌对屋面迎风角部瞬间破坏所致过冲较分布区域的影响显著;屋面不同的区域开孔所致内压分布均匀,但内压值随风场湍流度增大呈增大趋势。风致建筑破坏所致内压系数试验值比我国现行荷载规范中建议取值大;屋面局部瞬毁进而诱发再次破坏主要分布在已损孔洞边缘及山墙部分。     

台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究

通过刚性模型测压风洞试验研究了台风风场高湍流、强变异性等特征对大跨结构风压分布特性的影响。以某体育场罩棚为原型制作1∶300刚性模型,进行了常规B类风场和台风风场作用下的测压对比试验。基于试验数据,从测点风压和总体升力角度对两类风场作用下体育场罩棚结构的风压分布总体特性进行了分析,重点比较了典型测点在典型风向角下的风压分布规律及相互关系。结果表明：两类风场作用下平均风压的分布规律基本类似,但各风向角下台风风场中的屋盖总体升力比B类风场增大8%~25%;台风风场的高湍流特性导致基于极值负风压求得的各风向角下屋盖总体升力比B类风场大27%~46%,各测点的极值风压均明显高于常规B类风场作用下的对应值,比值约为1.13~1.70,因此对于台风多发地区的大型体育场屋盖设计,必须考虑台风风场高湍流所致的脉动风压增大效应。     

台风 “鲇鱼”作用下厦门沿海某超高层建筑的风场和风压特性实测研究

为研究我国沿海地区超高层建筑的风场和风压特性,在2010年台风“鲇鱼”登陆前后对厦门沿海某超高层建筑的风场和建筑表面风压进行了同步监测。通过对实测风场和风压数据的深入分析表明：沿海地区超高层建筑风场的湍流度随风速增大变化平稳,阵风因子随湍流度的增大而增大;实测脉动风速功率谱密度与von Karman谱吻合较好;建筑各面内测点之间的瞬时风压、平均风压、平均风压系数和极值风压系数具有较强的相关性;实测平均风压和平均风压系数在迎风面较大,在背风面非常小;当风从角部吹向建筑时,随着风向角的变化,两迎风面的平均风压系数随着平均风速的增大变化规律相反;两背风面的平均风压系数随着平均风速的增大逐渐减小;迎风面的极值风压系数随着风向角的变化正负波动较大,背风面的极值风压系数分布较为均匀;迎风面的脉动风压系数较大且变化较大,背风面的脉动风压系数非常小且变化平稳;建筑各面的极值风压系数和脉动风压系数的幅值随着风速的增大逐渐减小。     

低层双坡房屋屋面平均风压影响因素的数值模拟研究

采用Fluent6.0软件平台和雷诺应力模型(RSM),对我国沿海地区常见的一类带挑檐的低层双坡房屋屋面风压进行了数值模拟,研究了各影响因素对屋面平均风压的影响。首先,将数值模拟结果和模型风洞试验结果进行对比,以说明文中采用的湍流模型和计算参数的适用性。然后,采用数值模拟方法,研究带挑檐的低层双坡房屋屋顶具有不同外形参数(坡角、挑檐长度、檐口高度)时,屋面的局部平均风压分布特性和变化规律。结果表明,各参数对屋面风压的影响程度不一,且与风向角的影响有关。坡角对屋面风压分布的影响是整体性的,挑檐长度则只有局部性的影响,而檐口高度对整体屋面风压的影响较小。研究结果可供我国沿海地区低层房屋抗风设计参考。     

上海地区近地台风与季风湍流特性对比研究

为了研究上海地区近地台风与季风湍流特性的差异,基于高度10、20、30、40m处上海浦东风工程实测基地获得的风速风向数据,对台风“梅花”与季风作用下浦东地区近地湍流特性进行了对比分析。结果表明：台风“梅花”和季风作用下近地湍流度和阵风因子均随平均风速的增大而减小,不同的是前者变化速率随平均风速的增大而减小,而后者变化速率基本不变;相同高度处季风作用下各向湍流度和阵风因子均大于台风“梅花”作用下的结果,并给出了湍流度和阵风因子剖面的经验表达式;季风和台风影响下自相关系数均随迟滞时间的增大而逐渐减小,且高度越高衰减速率越慢,在相同高度处台风下的衰减速率明显比季风的大。     

东南沿海登陆台风近地脉动特性分析

为了解我国东南沿海台风登陆过程近地面风场脉动特性,在浙江东海塘观测塔(120m高)实测了3次强台风（海棠（Haitang 0505）、麦莎（Matsa 0509）和卡努（Khanun 0515））登陆时段距地面不同高度处的脉动风速,分析了其顺风向紊流度和阵风因子。结果表明：近程台风登陆前,10m高度处顺风向紊流度和阵风因子与其他高度处的取值差异明显,而近程台风登陆后与远程台风登陆全过程的不同高度处顺风向紊流度和阵风因子差异较小,紊流度和阵风因子均随高度增加而逐渐减小;在A类场地下,近地面20m高度内顺风向紊流度以及40m高度内顺风向阵风因子的实测结果大于JTG/T D60 01-2004《公路桥梁抗风设计规范》取值,20m高度以上顺风向紊流度以及40m高度以上顺风向阵风因子的实测结果小于该规范取值,紊流度和阵风因子之间存在线性关系。基于概率统计算法的计算结果显示离地面不同高度的顺风向紊流度和阵风因子均服从极值Ⅱ型分布,采用基于概率统计的台风多发区紊流度、阵风因子取值较直接采用统计数据均值用于抗风设计更安全、可靠。     

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。