不同风场下大跨平屋盖表面锥形涡诱导的风压特性研究

通过平屋盖刚性模型风洞测压试验,对均匀流场和湍流场作用下平屋盖表面锥形涡诱导的风压特性进行研究。①对比不同流场下平屋盖表面锥形涡诱导的平均、脉动风压分布和脉动风压谱,发现均匀流场中的平均风吸力强劲,而湍流场中的风压低频脉动能量突出;②分析不同流场下的风压概率密度曲线,指出湍流场作用下,再附区风压概率密度曲线表现出双峰分布;且旋涡再附效应显著,这将对屋面产生巨大的破坏力矩;③分别利用点涡、兰金涡和基于兰金涡简化的Cook公式对锥形涡作用下的风压剖面进行拟合,结果表明兰金涡模型和Cook公式均适用于预测旋涡作用下的风压剖面,点涡模型则低估了实际风吸力;④在湍流场中对比了不同风向引起的风压分布,发现当来流沿屋盖对角线时,两侧旋涡强度相当,旋涡再附运动强劲,当来流偏离屋盖对角线时,在屋面靠近来流的一侧,横风向脉动加速了旋涡的旋转,增加了旋涡诱导的平均吸力;在远离来流的一侧,屋面平均、脉动吸力均减小。     

倒角化迎风前缘对平屋盖表面风压特性的影响

通过刚性模型风洞测压试验，针对分离泡和锥形涡作用情况，研究了不同风向下倒角化迎风前缘对平屋盖表面风压幅值和脉动特性的影响。对比分析采用倒角化迎风前缘前后，平屋盖表面风压分布以及角部面积平均风压的变化。通过本征正交分解法，给出了平屋盖表面风压脉动的特征值和特征向量。从时域和频域角度，分析了倒角迎风前缘部位测点的风压特性。结果表明：采用倒角化迎风前缘后，分离泡和锥形涡作用区内风吸力单调递减，但迎风前缘附近风吸力可能增大；分离泡作用下，倒角化迎风前缘将增大屋盖角部面积平均风压均值；锥形涡作用下，其可减小屋盖角部面积平均风压的均值和极值，最大降幅分别为68%和82%；屋盖表面风压脉动区域减小至迎风前缘附近，且风压脉动能量降低，最大降幅出现在锥形涡作用下倒角半径较大的平屋盖表面；在倒角迎风前缘部位，极值风吸力和脉动风压谱峰值可超过其邻近区域；增大倒角半径，该部位的极值风吸力和低频风压脉动能量将有所降低。     

矩形高层建筑表面风压特性研究

通过刚性模型风洞测压试验,对短边迎风和长边迎风时的矩形截面高层建筑表面风压特性及作用机理进行研究。对比了不同风向角下建筑表面风压分布及相关特性:短边迎风时,锥形涡是建筑侧面风压脉动的主要诱因,侧面脉动风压较大值出现在底边缘附近的瓣状区域内,该区域内风压互相关性显著;长边迎风时,旋涡脱落是导致建筑侧面风压脉动的主要因素,侧面吸力较大值集中在迎风前缘附近,且风压横向互相关性突出。基于风压时程的高阶矩,探讨了建筑表面风压非高斯脉动特性:短边迎风时,风压非高斯区位于迎风面角部、锥形涡作用区及尾流作用区;长边迎风时,非高斯区位于侧面迎风前缘附近的分离区。分析了建筑侧面脉动风压谱和风压相干性,结果表明:短边迎风时,建筑侧面风压脉动能量主要集中在低频段,风压强相干区域仅存在于迎风前缘附近;长边迎风时,旋涡脱落使得建筑侧面脉动风压谱和风压横向相干函数均在折减频率0.1处出现峰值,加之该频率所对应相位角接近0°,使得建筑侧面出现强烈且同步的风压脉动;短边迎风和长边迎风时锥形涡及旋涡脱落在建筑两侧诱导产生的风压脉动均为反相位,对结构抗风较为不利。     

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。     

锥状涡作用下大跨度平屋盖表面脉动风压谱模型研究

锥状涡是大跨度平屋盖表面在斜风向来流作用下形成的一种特征湍流形式,相对于来流垂直于檐口时所形成的柱状涡而言,锥状涡的作用形态更为复杂,破坏性更强。基于风洞测压试验,对锥状涡作用下平屋盖表面不同位置处的脉动风压谱特性进行研究,探讨脉动风压谱形状与分离、再附、漩涡脱落等流动现象之间的联系,归纳出四类典型的脉动风压谱形式;在此基础上,提出由来流湍流影响项和特征湍流影响项组成的脉动风压谱多项式模型,并通过引入权重系数来反映不同湍流影响项的贡献。研究结果表明,通过权重系数的分布可以划分流场影响区域,具有一定的物理意义。同时考察脉动风压的空间相关性,研究表明,在锥形涡作用使得屋盖表面脉动风压相关性强于来流脉动风速,相干函数用指数衰减函数表示,衰减系数可取2.5。最后,通过风振响应分析结果来比较风压谱模型对风振响应结果的影响,结果表明,拟定常假设低估了结构的脉动响应,而基于文中的简化风压谱模型得到的风振响应结果与风洞试验结果吻合较好。研究为进一步建立统一的屋盖脉动风压谱模型奠定了基础。     

大跨平屋盖表面锥形涡流动模型研究

基于大跨平屋盖表面旋涡流动显示试验,对兰金涡模型进行改进,在其涡核区与势流区之间添加过渡区,建立简化的二维锥形涡流动模型,给出旋涡上部流速、旋涡内部流线曲率以及屋面涡核吸力之间的定量关系。据此流动模型分析表明,旋涡内部流线曲率越大,旋涡转速越快,旋涡强度越高,且后者的影响更为显著。根据流动显示试验结果,量化各风向下大跨平屋盖表面锥形涡强度。通过考虑旋涡效应对准定常理论进行修正,给出旋涡涡核吸力的计算式,并将计算值与大跨平屋盖刚性模型风洞测压试验数据进行对比,验证锥形涡流动模型对于预测旋涡涡核吸力的有效性。     

斜风向下低矮房屋屋盖风荷载特性试验研究

基于一个低矮房屋刚性模型风洞试验,研究了湍流场中低矮房屋屋盖角部未开孔和开孔时屋盖上的风荷载分布特性。研究结果表明:在斜风向作用下,屋盖迎风角部风荷载表现出复杂的三维特性,屋盖迎风角部也是较大风吸力作用的区域;湍流场中锥形涡之间在屋盖区域没有相互作用;采用二次曲线对涡核位置和再附位置进行拟合,拟合结果较好;屋盖内表面风荷载平均效应趋于均匀,脉动风压效应在时域和频域上表现出很高的相关性,并表现出明显的Helmholtz共振现象。     

大跨屋盖结构的风荷载的分布规律

本文以1:200几何缩尺比的刚性模型进行风洞试验,基于相应的风洞试验数据处理方法,研究了大跨度平屋盖表面风压分布特征,给出了风压系数分布规律。得出,屋面的风压系数以吸力为主,气流在屋面前缘发生分离,发生分离后产生了旋涡脱落与再附。     

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。     

大跨度屋盖结构的风荷载特征

分析了封闭型和敞开型两种大跨结构屋面风荷载的分布特征。对于封闭型,屋面的迎风区域由于受柱状涡和锥形涡的作用而产生极大的负风压,其他区域风压较小;对于敞开型,迎风时上下表面呈"上吸下顶"的风压叠加组合,背风时呈"上吸下吸"的风压抵消组合。同时讨论了附近的构筑物对屋面风荷载的气动干扰作用,在不同的风向下,干扰体与屋面的相对位置产生不同的干扰效果。     

Wind tunnel study on the influence of different parapets on the roof pressure distribution of low-rise buildings

High suction loads appear on roofs of low-height buildings. The use of parapets with appropriate height at the roof edges alleviates these loads. The performance of six parapet configurations to decrease the suction loads induced on roofs by oblique winds has been studied in a low speed wind tunnel. The studied parapet configurations include vertical wall parapets, either solid or porous, and cantilevered parapets formed by a small horizontal roof close to the building roof. Low-height parapets with a medium porosity and cantilevered parapets are more efficient than solid parapets to reduce the wind suctions generated on the roofs by conical vortices.     

A parametric, experimental analysis of conical vortices on curved roofs of low-rise buildings

Different methods to reduce the high suction caused by conical vortices have been reported in the literature: vertical parapets, either solid or porous, placed at the roof edges being the most analysed configuration. Another method for alleviating the high suction peaks due to conical vortices is the use of some non-standard parapet configuration like cantilever parapets. In this paper the influence of roof curvature on the conical vortex pattern appearing on a curved roof (Fig. 1) when subject to oblique winds is experimentally analysed by testing the mean pressure distribution on the curved roofs of low-rise building models in a wind tunnel. Also, the efficiency of cantilever parapets to reduce mean suction loads on curved roofs is experimentally checked. Very high suction loads have been measured on curved roofs, the magnitude of these high suction loads being significantly decreased when cantilever parapets are used. Thus, the suitability of these parapets to reduce wind pressure loads on curved roofs is demonstrated.     

复杂体型大跨屋盖结构的风荷载分布

以某航站楼为例,结合平屋面分析复杂体型的屋面对风压分布的影响;结合规范值探讨幕墙外表面的附着物和周围建筑对其体型系数的影响。得出的主要结论:屋面受风最不利的位置在由柱状涡或锥形涡控制的迎风区域;屋面形状对风压影响很大,凸出部分负风压较大,凹进部分负风压很小;悬挑屋面在迎风时产生“上吸下顶”的叠加作用,其他风向为“上吸下吸”的抵消作用;幕墙外表面的附着物和周围U形排列的房屋都会增加幕墙的正风压。     

Worst suctions near edges of flat rooftops on low-rise buildings

Some inconsistencies have been noted between the suction data published by different authors for flat rooftops of low-rise buildings. New experimental data, together with some of the earlier data, show that the worst suctions are only mildly sensitive to the characteristics of the approach-flow boundary layer and that with low parapets the true worst suctions occur very close to the edges of the roof. It is hypothesised that the true worst suctions were missed by some of the previous investigators due to a lack or scarcity of pressure taps sufficiently close to the roof edges of their model buildings. The region of worst suctions comprises only a very small fraction of the total roof area and its influence on structural loads is small; it is, however, important as regards wind damage to roof-cladding systems. The paper includes data for the high-suction region of flat rooftops on low-rise buildings in 45° oblique winds for a range of parapet heights.     

不同坡度双坡屋盖表面风压特性研究

通过提取东京工艺大学低矮建筑气动数据库中的风压数据,以点风压和面积平均风压为分析参数,研究了不同坡度双坡屋盖表面的风压特性。首先给出了正风向及斜风向作用下,屋盖表面的平均和脉动风压分布。其次,通过Hermite Model法计算了双坡屋盖表面各区格面积平均风压时程的峰值因子,进而计算得到各区格的风压统计峰值,并据此分析了双坡屋盖的最不利风向和易损位置。以迎风角区域为参考,计算了该区域与屋盖其余部位面积平均风压的相关特性。最后探讨了部分国家规范中双坡屋盖围护结构设计风荷载的相关条文,并针对GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》给出了修订建议。研究结果表明,根据各坡度屋盖风压分布、风压相关性和风压统计峰值的特点,可将双坡屋盖分为3个坡度区间,即0°≤θ≤15°（低坡度）、15°<θ≤30°（中等坡度）和30°<θ≤45°（高坡度）;在多数双坡屋盖表面,吸力统计极值的最大值均发生于斜风向作用下的迎风角区域;考虑最不利风向下不同部位风吸力幅值的差异,可将低坡度的屋盖表面分为角部、长边边缘、短边边缘和中部4个区域,中等坡度和高坡度的屋盖表面可在此基础上进一步细分出屋脊区域以及短边边缘与屋脊交接区域进行风压统计。     

Stationary vortices attached to flat roofs

This paper treats the topic of a conical vortex attached to a plane horizontal surface. Data have been collected from measurements on freely suspended cubes in a wind-tunnel. Data are analyzed and some vortex properties derived. The pressure coefficient is found to decrease as the inverse of the square root of the distance from the corner. Experimental results are used to construct an analytical model of the conical flow derived from a solution to the non-linear vorticity transport equation and the resulting flow is predicted. This flow is used to calculate the pressure suction on the attached surface. An application would be pressure on flat roofs of high-rise buildings subjected to an adverse wind.