高跨为双坡屋面的高低屋面低跨平屋面积雪分布研究

高低屋面对雪荷载较为敏感，通过模型试验对高跨为双坡屋面形式的高低屋面低跨平屋面积雪分布形式进行研究。模型试验在哈尔滨工业大学自主研发的户外风雪联合系统中进行，该设备可在试验段内模拟自然降雪过程。根据高跨坡屋面坡度不同共设置4个模型，并针对每个模型进行了不同风速、不同风向下的试验研究。通过高跨为平屋面形式的高低屋面积雪分布的实测与试验结果的对比，验证了试验结果的可靠性。结果表明：风速越大，积雪分布不均匀现象愈加显著，但屋面积雪分布系数并未随风速增加而增大；高跨双坡屋面坡度对变跨处积雪分布影响显著，高跨为60°双坡屋面，迎风向3m/s风速时变跨处积雪分布系数最大值达到7.9，超出欧洲EU规范取值。     

低层坡屋面房屋风荷载特性风洞试验研究

对低层双坡屋面和四坡屋面建筑进行了风洞试验研究,考虑了屋面形式、屋面坡度、来流方向和挑檐长度等不同因素对屋面风压分布的影响,分析了屋面平均和脉动风压系数的分布特性。结果表明,0°风向角（来流垂直吹向屋脊）、屋面坡度为30°时,迎风屋面屋檐及屋脊附近形成较高负压,迎风屋面风压系数呈环状分布;屋面坡度为15°时,迎风屋面风压系数呈阶梯状分布。屋面体型系数受风向角、屋面坡度和屋面形式的影响较大：0°风向角、双坡屋面模型中,15°屋面坡度迎风屋面体型系数为30°屋面坡度的2.76倍;四坡屋面模型中,15°屋面坡度迎风屋面体型系数为30°屋面坡度的228倍;背风屋面体型系数受屋面坡度的影响较小;0°和45°风向角下,对于15°和30°屋面坡度,当屋面坡度相同,屋面形式由双坡改为四坡时,迎风屋面的体型系数绝对值有所增大,屋面更容易受力破坏,但对背风屋面的影响较小。     

基于规范对比的女儿墙屋面雪荷载实测分析

在女儿墙屋面雪荷载计算时，日本、美国及欧洲规范中充分考虑了风场对完全暴露屋面雪荷载的侵蚀作用、风力对积雪的搬运作用、上游积雪宽度对下游阻碍物处堆雪量的补充作用和降雪量对堆雪的补充作用。除此之外，也引入了室内采暖、雨雪联合等因素来更真实地实现对屋面雪荷载的估算。相较之下，我国规范仅考虑女儿墙高度的影响。故基于对带女儿墙屋面积雪分布的多年实测结果，参考国外规范中的影响因素，对哈尔滨地区女儿墙屋面积雪分布特征进行了分析。结果显示：风场作用下，积雪会更多地堆积于迎风向女儿墙处；随着上游屋面宽度增加，下游迎风向女儿墙处漂移积雪的峰值深度存在递增趋势，且随着风速增加，搬移堆积作用会增强；上游屋面宽度和地面降雪量对女儿墙处峰值雪深有较大影响，风速对于峰值雪深的影响依赖于地面降雪量，降雪越大，风速的影响越大，反之减小；女儿墙处堆雪长度与女儿墙高度比值多维持在3.75左右，建议我国规范中堆雪长度与女儿墙高度比值取4.0。     

平面L形低矮房屋平均风压分布特性数值模拟

基于大气边界层基本理论和流体动力学基本原理,采用FLUENT软件对平面L形低矮房屋风压分布特性进行了数值模拟研究。将数值计算结果与风洞试验结果对比分析,结果吻合良好,表明数值模拟方法是合理可行的。通过数值模拟,详细分析了风向角、屋面坡度、房屋翼长、檐口高度和屋面形式等参数对平面L形低矮房屋外表面平均风压系数分布规律及体型系数的影响。结果表明:风向角与屋面坡度是影响屋面的风压系数分布与体型系数的最主要因素;最不利负压的位置随风向角的改变而不断变化,但往往出现在迎风屋面屋脊及屋檐区域;迎风屋面最不利负压随屋面坡度的增加逐渐减小,背风屋面风压系数分布相对均匀;四坡屋面阳屋脊较多,其背风区往往形成高负压区,这些区域更容易遭受风灾破坏。     

屋面积雪分布的最不利影响模拟分析

应用计算流体动力学软件平台FLUENT,采用气固两相流理论,对自定义屋面在不同风向、风速作用下,模拟其对屋面在持续性降雪过程中积雪的不均匀分布情况的影响,通过对积雪分布情况的分析,找出风致积雪过程中风向、风速对其的最不利影响,为结构静力设计和雪荷载规范的完善提供理论依据。     

平面T形低矮房屋风荷载特性风洞试验与数值分析

对复杂体型的平面T形低矮双坡屋面房屋的风荷载特性进行了风洞试验研究,得到了屋面风压系数以及各屋面体型系数的变化规律;采用计算流体力学软件FLUENT建立了数值风洞模型,在数值分析结果与风洞试验结果吻合良好的基础上,对影响屋面平均风压系数及体型系数的风攻角、屋面坡角、檐口高度、房屋几何尺寸和屋面形式等参数进行了详细分析。结果表明:屋面坡角和风攻角对屋面风压系数的影响显著;在不同风攻角作用下,迎风屋面屋檐及屋脊附近形成较高负压;当屋面处于背风区域时,风压系数分布较均匀;四坡屋面坡角为30°时屋脊背风区域易形成较大负压,局部更易遭受破坏。     

平面腹部凸出双坡房屋屋面风致雪漂移研究

为研究对风雪荷载敏感的平面腹部凸出双坡轻型房屋屋面的风致雪漂移规律,基于计算流体动力学原理和两相流理论,运用CFD软件进行数值建模,对立方体及高低屋面风致雪漂移分布进行数值模拟,并与实测数据进行对比,分析与探讨参数选取及边界条件设置.在此基础上,以风向角(0°,45°,90°,1350,180°)、风速(5,7.5,10,12.5,15m/s)、屋面坡角(20°,31°,40°)为分析参数,分别对不含凸出部分的双坡房屋、凸出部分长短边对应占主体长短边尺寸的1/2及1/4的2种平面腹部凸出双坡房屋,共计3种房屋屋面进行前期工况试算.在此基础上,综合雪漂移分布规律,为反映屋面各部分积雪分布特性进一步对房屋屋面进行细致分区,共模拟195种工况的风致雪漂移运动,得到各工况下房屋屋面风致雪漂移分布规律及可供抗雪设计的各分区积雪分布系数.研究表明:对房屋屋面进行分区,能更好地反映积雪沿屋脊长度方向的分布特性,分区后屋面中部的积雪分布系数值超过不分区约9％;腹部凸出区域对主体结构影响明显,若仅参考单跨双坡屋面积雪系数进行设计,存在安全隐患,设计中应予以注意.     

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。     

风致屋面积雪分布风洞试验研究

为了预测屋面积雪分布,对一典型阶梯形屋面和两种双坡屋面进行了积雪分布风洞试验研究。首先对流场进行了测量,然后进行屋面积雪分布试验,测量了不同时间内屋面雪深分布,考察了风速、风向对屋面积雪分布的影响,并对屋面上粒子质量流率进行了分析。结果表明,运动粒子使表面附近的流场湍流度降低,流场有效气动粗糙长度与摩擦速度平方成正比;阶梯形屋面在风向角为0°时,雪深分布与观测结果基本一致,斜向风时,雪深分布严重不均匀,特别在风向角135°时,最小雪深系数为0,最大雪深系数达1.7;双坡屋面在风向角0°时背风屋面局部产生较多沉积,坡度10°的双坡屋面最大雪深系数达1.6,坡度20°的双坡屋面最大雪深系数为1.2;屋面上平均质量流率与风速呈线性关系,表明屋面上粒子质量输运率按摩擦速度三次方增加。     

FAE方法在屋盖结构雪荷载研究中的应用

雪荷载设计是大跨屋盖结构设计中的重要环节,目前国内工程实践中的设计雪荷载通常是采用规范条文,个别重要的工程还会结合CFD数值模拟的结果。由于试验设备和条件的限制,较少采用实验对其进行验证。有限面元法结合了常规风洞试验模拟和计算机仿真技术,是一种研究大跨度屋盖结构雪荷载分布的有效方法。本文对其进行概述和分析,并以高低屋盖结构为例,采用有限面元法研究了风速和风向角对屋面积雪分布系数的影响。结果表明:与我国现行《建筑结构荷载规范》比较,二者整体分布规律基本一致,但在具体分布数值上略有差异;风速、风向亦对高低屋盖的积雪分布系数具有重要影响,就本文研究的高低屋盖结构而言,积雪分布系数随风速增大而增大,在270~337.5°风向角范围内屋盖的雪荷载分布较为不利,但在规范中并不考虑这种斜风向不利分布工况。     

低矮房屋屋面局部平均风压数值模拟与分析

为获得低矮房屋屋面局部平均风压的分布规律,将体型比为1.5∶1∶1的低矮房屋屋面划分成若干典型区域并进行数值模拟研究。数值模拟结果与风洞试验结果对比表明,采用两种研究手段分析的结果吻合较好,从而验证了数值模拟技术在分析低矮房屋表面风压的可靠性。基于数值模拟,分析了七类不同屋面坡角低矮房屋在典型风向角下屋面局部区域平均风压的分布规律。结果表明:屋面局部平均风压随风向角改变而变化明显,且表现出一定的规律性;0°风向角下,靠山墙B,E区域形成局部高吸力区;60°风向角下,迎风屋檐A区及屋角J区测点平均风压系数随坡角的增大有明显递减趋势,屋脊C,D区测点平均风压系数随坡角的增大呈现出先增大后递减的趋势;90°风向角下,迎风屋檐A区及屋角J区各测点平均风压在45°坡角时均为正压。研究结果可为我国沿海多发台风地区低矮房屋的抗台风设计提供依据。     

不同规范中雪荷载作用下门式刚架静力响应和稳定性研究

对ISO、中、美、加、欧规范中门式刚架屋盖结构受到雪荷载作用时的响应进行比较。运用有限元软件ANSYS,对不同坡度的变截面门式刚架在5种规范不同积雪分布形式下的静力响应进行分析,并计算考虑不同初始缺陷幅值的结构整体稳定临界荷载因子,总结雪荷载作用下门式刚架的失稳特点。分析结果表明:门式刚架的基底剪力、跨中竖向位移、临界荷载因子与雪荷载总量密切相关;各规范下非均匀雪荷载较均匀雪荷载作用下柱顶水平位移大;结构稳定性随初始缺陷幅值增大而降低,随屋面坡度增大而增大,对缺陷不敏感;非均匀雪荷载更容易使结构发生有侧移失稳。     

罩棚影响低矮建筑局部极值风压试验研究

采用缩尺比为1∶20风洞试验刚性模型,以风向角和屋面坡角为变量,针对单体低矮建筑及罩棚与低矮建筑组合而成的罩棚式低矮建筑的屋面局部极值风压展开风洞试验研究,深入探讨罩棚结构对与之配套的低矮建筑屋面迎风屋檐、屋脊及角部局部测点极值风压系数差的影响。结果表明:在垂直屋脊来流风向(风向角0°)下罩棚对低矮建筑迎风屋檐处测点极小值风压系数差的影响随着屋面坡角的增大而减小;随着风向角的改变,迎风屋面靠山墙边缘及角部区域测点极大值、极小值风压系数差受罩棚的影响增大,且45°风向角下达到最大;当来流风向平行于屋檐方向(风向角90°)时,随着屋面坡角的变化,罩棚结构对低矮房屋迎风屋檐、屋脊、角部等局部易损区测点极大值、极小值风压系数差的影响最小。屋面坡角为45°时,随着风向角的改变,屋面局部测点极小值风压系数差受罩棚的影响较其他屋面坡角的小。     

基于VOF方法的雪荷载数值模拟及工程应用

在FLUENT6.1软件平台上,采用VOF方法对昌吉体育馆的屋面雪荷载进行了数值模拟。VOF方法可以计算雪相的体积分数,从而换算得到雪压的分布,进而可以得到屋面积雪分布系数。基于VOF方法的数值模拟结果显示,屋面的积雪分布形式与实际暴风雪后情况类似,形态合理;金字塔形屋面的高低屋面处的积雪分布系数略大于规范值,折算的整体积雪分布系数可以方便地应用于工程设计;类似的雪荷载数值模拟中,对雪密度的选取应该更加重视。暴风雪同时出现时,可能严重危害结构安全,因此,对大风和暴雪的同时模拟非常有必要。     

煤棚表面雪荷载数值模拟及技术要点

对于大跨结构,雪荷载往往是其控制荷载之一。在对大跨结构屋面积雪分布进行模拟时,通常面临采用何种风速作为输入风速,结果分析是否需要所有风向均进行考虑等问题。基于单方程模型方法,以某煤棚为案例,利用Fluent软件计算平台并进行二次开发,计算了多个风向角下煤棚表面的积雪分布系数。并从工程角度,提出采用现有气象数据与降雪模型相结合的方法,得到年最大降雪日伴随风速作为输入风速;同时指出,应主要关注冬日主导风向角及最不利风向角下积雪分布情况。     

局部受损低矮房屋平均风压特性试验研究

通过风洞试验对村镇地区常见的带有硬山搁檩的双坡屋面风压规律进行研究,讨论了房屋在完全封闭、门窗洞口打开以及屋面开洞三种情况下的屋面外部、内部平均风压系数在不同方向角下的分布特性。试验结果表明:硬山搁檩双坡屋面在风向角为50°,60°时,外屋面角部易破坏;屋檐下部的风压系数随屋面坡度的改变而改变;门窗开洞时内屋面风压会加大屋面荷载;屋面开洞对降低屋面风荷载起到有利作用。     

湍流积分尺度影响低矮房屋屋面风压特性风洞试验研究

采用缩尺比为1∶20的双坡屋面低矮房屋风洞试验刚性模型,以湍流积分尺度为变量,研究湍流积分尺度影响低矮房屋屋面局部区域平均、脉动、极值风压分布特征和变化规律。研究发现,湍流积分尺度的改变对平均风压系数影响不明显,对脉动、极值风压系数影响较大,且随湍流积分尺度的增大,屋面测点脉动、极值风压系数绝对值增大。当来流垂直于屋面长边时,在迎风屋面,距迎风屋檐越远,平均风压系数绝对值越小,山墙和角部区域脉动风压系数越小,而迎风屋面中心区域脉动风压系数越大。在背风屋面,远离屋脊测点的平均、脉动风压系数绝对值逐渐越小。双坡屋面低矮房屋在迎风屋檐及山墙区域风压相对较大,这些局部区域在强风作用下更易受到破坏。     

平面腹部凸出双坡房屋表面风致雪漂移研究

为研究平面腹部凸出双坡房屋表面风致雪漂效应,基于计算流体动力学原理和两相流理论,运用ICEM CFD软件进行数值建模.采用FLUENT软件中的Mixture多相流模型对立方体及高低屋面风致雪漂情况进行数值模拟,与实测数据进行对比分析,建立数值风洞的参数设置及边界条件.在此基础上,以风速为5m/s、7.5m/s、10m/s、12.5m/s、15m/s,风向角为0°、45°、90°、135°、180°,以及平面腹部凸出的5种相对尺寸为分析参数,对125种工况进行数值风洞计算,得到房屋表面风致雪漂分布规律,计及其分布规律的不均匀性,对其表面进行分区,得到可供抗雪设计的各分区积雪分布系数.研究表明:腹部凸出区域对主体结构影响明显,若仅参考单跨双坡屋面积雪系数进行设计,存在安全隐患,设计人员应予以注意;风致雪漂在房屋表面明显分布不均,因此对风雪敏感结构,应对其表面进行分区,以揭示其不利积雪分布情况.     

雪荷载在门式刚架轻型房屋设计中的作用

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)和《美国低层房屋建筑系统手册》(MBMA 86),提出当屋面坡度不大于2.5°的门式刚架结构,可不考虑雪荷载的不均匀分布;当屋面坡度大于2.5°时,则必须考虑雪荷载的不均匀分布.     

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。