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(5,7.5,1...     

典型单跨低坡度双坡屋面的风致雪堆试验研究

为研究低坡度双坡屋面的风致积雪分布特性及雪荷载分布模式,设计研发了一套风吹雪联合试验装置,以高密度的石英砂颗粒模拟雪粒子,分别开展有无降雪条件下6种来流风速(有降雪1.5～2.5 m/s,无降雪4.6～6.1 m/s)、4种屋面坡度(5°、10°、15°、20°)的风吹雪风洞试验,共计24个试验工况,并就屋面中剖面积雪深度系数、积雪深度系数最大值及所在位置、雪荷载不均系数和雪颗粒净捕获系数等展开分析。结果表明：在多数工况下,低坡度双坡屋面积雪分布仍然呈明显的非均匀性,且降雪会显著影响积雪形态。对于迎风屋面,有无降雪条件下积雪深度系数均随来流风速的增大而减小,随坡度的增大而增大;积雪深度系数最大值点位置随风速增大逐渐远离屋檐,随屋面坡度的增大则呈近似线性移近屋檐。对于背风屋面,屋脊遮蔽效应容易导致积雪堆积,且积雪深度系数随风速增大而增大。随着坡度增大,背风屋面的雪颗粒净捕获系数增大,表明迎风屋面被输运的雪颗粒更容易在背风面沉积,从而加重屋面积雪分布的不均匀性。基于分析结果,归纳有无降雪影响下屋面雪荷载的典型不均匀分布模式,可为类似屋盖的抗雪设计提供参考。     

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。     

拱形屋面风致积雪分析

为掌握拱形屋面积雪分布情况，降低其风雪灾害，通过对积雪现场进行调查，根据积雪实际分布与灾害情况，利用Fluent软件，建立拱形屋面的风致积雪分析模型，考虑空气相相对速度、空气相速度、空气相相对角速度、雪密度等影响因素，模拟拱形屋面风致积雪分布。通过分析，找出影响屋面积雪沉积的主要因素，建立风雪效用湍流模型，进而对拱形屋面积雪产生的压强统计数据开展详细分析，提出拱形屋面积雪不均匀分布系数取值的建议，以弥补我国现行规范对积雪均匀分布系数取值考虑较充分，对不均匀分布系数取值考虑不足的情况。     

凹形和矩形低矮房屋体型系数对比研究

文章基于ANSYS有限元软件中的流体Fluent14.5模块,选用基于时均Reynolds应力的N-S方程与和RNG k-ε模型对矩形30°坡角屋面房屋数值模拟,对比风洞实验的结果验证数值模拟的准确性;其次分别对矩形和凹形低矮房屋屋面的在不同坡角、不同来流风向角下风压分布进行数值模拟研究,给出凹形房屋的基本变化规律,对比分析所得到的屋面体型系数。结果表明:凹形房屋的屋面体型系数在绝大多数工况下相对较大,说明凹形房屋抗风能力不如矩形房屋。     

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。     

单坡屋盖风致积雪数值模拟研究

采用单方程雪相模型,利用CFD软件FLUENT及其UDF二次开发接口编程对单坡屋盖结构进行风致积雪数值模拟.通过不同跨度、不同风速、不同倾角的单坡屋盖模型研究屋盖表面积雪侵蚀沉积量随风速及倾角变化的关系,并拟合近似公式.利用本文建议的积雪分布系数公式得出某工况下单坡屋盖表面积雪分布,并与各规范值进行对比.本文结果显示单坡屋盖表面积雪不均匀分布较为严重.     

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。     

于家堡贝壳形单层网壳不均匀雪荷载研究

于家堡单层网壳体型较复杂,对雪荷载的选取应谨慎.基于CFD技术分别采用求解雪相控制方程和MIXTURE多相流模型对网壳表面风致雪漂进行数值模拟,得到屋盖表面雪沉积与侵蚀后形成的不均匀雪荷载.两种求解方法得到的雪荷载分布较一致,屋盖迎风面发生积雪侵蚀,随屋盖高度增加雪荷载呈抛物线形减小,至屋盖顶部天窗两侧雪侵蚀作用最大、雪压最小,天窗后部背风面处发生积雪沉积.对结构的静力和整体稳定性能进行分析,在不均匀雪荷载作用下天窗两侧部分杆件应力较均匀雪荷载时增大10%,结构极限承载力增大3%.     

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。     

大跨度屋盖风致积雪重分布的数值模拟

以吉林新火车站为研究对象,在流体计算软件FLUENT 6.3基础上编写相应的UDF后处理程序.基于Euler-Euler体系的两相流理论,采用FLUENT和UDF后处理程序对吉林新火车站周围的风雪运动进行了全尺度的数值模拟,得到了不同风速、风向下屋盖表面风致雪压的不均匀分布情况.结果 表明:在风、雪作用后,屋盖以及雨棚上的雪压分布会发生改变,雪压分布非均匀;不同风向下,积雪分布系数的最大值集中在站台雨棚邻近主站房的区域;积雪漂移沉积效应主要受风速影响,风速较大的区域积雪的侵蚀越明显,在风速小的区域积雪沉积量也较大.     

风致不均匀积雪的大跨网架结构工作状态分析

为了保证结构服役安全,有必要对不均匀积雪荷载作用下网架结构工作状态进行分析。采用CFD数值模拟技术,基于准动态网格划分方法,以一正放四角锥网架结构为研究背景,分析了网架结构在持续降雪24 h中的屋面不均匀积雪分布变化情况,并详细探讨了不同风向角和不同风速对网架屋面积雪分布变化情况的影响; 最后建立了该网架结构的有限元模型,分析了不同雪荷载工况的结构工作状态。结果表明:与其他有风条件下的工况相比,风速为12 m?s^-1、风向角为90°时的结构屋面平均雪压和积雪沉积区域占比最大,因此它是结构的最不利工况,该工况的平均雪压是无风条件下均布积雪平均雪压的88.9%,但结构杆件的最大应力值及挠度值却较均布积雪作用时有所增加,而且部分杆件从受拉杆变为受压杆; 风致不均匀积雪是网架结构在服役期间的安全隐患,应在工程设计中予以重视。     

交错布局轻型双坡房屋群表面风压特性

为了研究交错布局轻型双坡房屋群表面风压特征及周围风环境,基于流体动力学基本原理和大气边界层理论,采用流体动力学分析软件FLUENT,结合风洞试验数据研究计算域大小、网格数量及湍流模型等关键技术与参数,建立了双坡房屋群的数值风洞模型。以横向疏密系数、纵向疏密系数及风向角为参数,运用数值风洞对轻型双坡房屋群进行60种工况的风压分布特性研究,得到风致干扰效应下房屋群表面风压分布规律;引入干扰因子将目标房屋相对单体的受扰程度量化,得到房屋群的风荷载体型系数;计算了90°风向角下房屋间监测点的风速,借助风速比指标对室外风环境进行评估。结果表明:90°风向角下,交错布局群体房屋的纵向无干扰间距为4L（L为房屋长度）,横向无干扰间距为5B（B为房屋宽度）;房屋群横向间距为0.5B、纵向间距为2L~4L时室外风环境较好。     

低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟

对低层四坡屋面房屋模型进行了风洞试验,给出了屋面平均和脉动风压系数等值线和各面体型系数的变化规律。采用计算流体力学软件FLUENT,对大气边界层中的试验模型进行了三维定常风场的数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行了比较分析,变化规律吻合较好。在此基础上,深入研究了不同风向角下房屋屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和长宽比对低层四坡屋面平均风压系数及各面体型系数的影响,并提出了各面体型系数的建议取值。研究结果表明:数值风洞能够较好地反映低层四坡屋面房屋的风荷载特性;各参数对屋面风压系数的影响程度各异,与风向角密切相关;屋面坡度对屋面风压分布和大小有明显的影响;四坡屋面屋脊背后容易形成较高的局部负压区域;当屋面坡度小于35°时,四坡屋面房屋迎风屋面的体型系数绝对值大于相应双坡屋面房屋。该结论和提出的体型系数建议取值为低层四坡屋面房屋的工程抗风设计提供了可靠依据。     

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。     

大跨屋盖结构风致雪飘移研究方法以及防治措施

介绍了大跨屋盖结构风致雪飘移问题原理与危害性,并简述了CFD及FAE方法在计算风致屋盖表面积雪分布系数中的研究现状及应用,通过分析结果与现有规范的对比,找出现有规范不足之处,给出了合适的调整范围,以更好的预测风致屋盖积雪分布系数,减少建筑倒塌破坏。     

基于CFD-DEM耦合的屋面积雪分布数值模拟

针对风雪流作用下低矮建筑屋面积雪分布特征预测问题,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元方法(discrete element method,DEM)的耦合,研究了风雪流的数值模拟方法,包括风雪耦合状态下的流体运动方程、雪颗粒运动方程、流体-雪颗粒耦合控制方程及雪颗粒碰撞模型,建立了基于实测的雪颗粒材料参数、碰撞参数、边界控制条件和耦合计算方法等,并采用该方法对Tsuchiya阶梯型屋面的积雪模式进行了数值模拟。结果表明:模拟结果与野外实测及风洞试验结果取得了较好的一致性,验证了该方法的有效性;低屋面积雪对风场干扰较为显著,低屋面末端处的无量纲水平风速从无积雪分布时的-0.4增加为有积雪分布时的0,明显削弱了屋盖积雪区空气回流漩涡。     

神农大剧院结构抗风设计研究

神农大剧院建筑表面风压分布复杂。屋面的最大跨度达103m,主结构屋面高度55m,屋顶上设有18m高的上悬挑幕墙及52个最高35m的装饰架。在大跨度结构上布置高柔的次结构,风荷载作用是结构设计的关键。详细介绍了神农大剧院屋面上悬挑幕墙及装饰架等高柔次结构的设计,利用数值风洞模拟及风洞试验研究两种方法对整体结构及局部高柔次结构的表面风压特性及风致振动特性进行了深入研究。     

双坡屋盖积雪分布特性及积雪密度研究

基于Snow Fork雪特性分析仪对屋盖表面及地面积雪密度进行精细化实测研究,详细考察雪厚度、温度、沉积时间等因素对积雪密度的影响规律。此外,对双坡屋盖不均匀分布特性进行实测研究,并与《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)进行对比。通过地面和屋面雪荷载特性实测研究表明,建筑屋面积雪密度大于地面积雪密度;不同厚度位置积雪密度大小不同,中间积雪层的积雪密度较大,上层和下层积雪密度较小。一天不同时间内中午的积雪密度较大。通过双坡屋盖模型实测研究发现,对于相邻两个屋盖,屋盖迎风面雪荷载分布系数较背风面分布系数小。利用所进行积雪密度和双坡屋盖雪分布特性研究有助于明确屋盖表面雪荷载大小,为工程设计提供建议。     

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。