Texas Tech University建筑模型龙卷风荷载试验研究

为了评估低矮建筑在龙卷风等局地强风下的风荷载,开展了几何缩尺比为1∶300的Texas Tech University(TTU)模型在物理模拟龙卷风气流下的外表面测压试验,研究不同位置与方位角下结构表面风压系数的均值、脉动值与峰值,以及结构的整体风力系数,并对比了低矮建筑结构龙卷风荷载与边界层风荷载的区别。结果表明：结构龙卷风荷载主要受切向气流和气压降作用影响,其大小随结构与龙卷风中心距离的不同而改变;当结构位于涡核半径时,所承受的局部风压和整体风力均达到最大,最不利值发生在近长边一侧的屋盖角部;结构表面中线上龙卷风荷载与边界层风作用下的荷载变化趋势具有一定相似性,但最不利荷载发生的位置有所不同。     

屋面细部构造对低矮房屋屋面风荷载特性的影响

基于fluent 6.3软件对房屋外形尺寸为6 m×4.5 m×4.34 m的低矮房屋进行了不同风向角下的数值模拟,通过与风洞试验对比发现模拟方法能够较好地模拟强风作用下低矮房屋屋面的风压分布。在此基础上,改变屋面的出山和挑檐形式,进行不同风向角下的数值模拟,研究细部构造对低矮房屋屋面风压的影响。研究结果表明:在斜向风的作用下,马头型出山和透风型出山均能够减小房屋屋面的风压,但透风型出山的效果更好。檐沟、弯起挑檐和平挑檐均会使得屋面的平均风压增大,对于屋面抗风不利,最有利的挑檐抗风形式还是普通挑檐形式。     

龙卷风对低矮建筑破坏的机理分析

针对盐城市阜宁县发生的龙卷风进行数值仿真,初步探讨低矮建筑发生倒塌破坏的力学机理.采用数值仿真的方法研究低矮建筑周围的龙卷风场,通过风场的情况推断建筑破坏情况.主要对龙卷风进行数值仿真,分析流场的压力、流速和湍流特征沿径向和高度方向的分布特征,对单一低矮建筑和低矮建筑群周围的龙卷风场进行计算,分析造成低矮建筑破坏的因素...     

龙卷风作用下双坡屋面风压分布试验研究

为研究龙卷风作用下双坡屋面的风压分布,根据龙卷风的风场特点,设计了用于建筑风工程的多变量可调节龙卷风塔,并进行双坡屋面刚性模型的风塔测压试验。龙卷风塔可调节塔体高度、导流板的方向角、导流板的高度,可以模拟类似龙卷风的涡旋风场。对龙卷风塔的气动测试表明：风场的风速分布、风压分布及总气压降和兰金涡流模型理论结果吻合良好,龙卷风塔的设计是可行的,可用于龙卷风荷载的相关研究。采用刚性模型的风塔测压试验,研究双坡屋面的风压分布,为了使研究成果具有代表性,针对3种典型的屋面坡角（15°,30°和60°）制作刚性屋面模型。试验结果表明：建筑物位于龙卷风中心（r=0.0R_m,r为建筑物距风场中心距离,R_m为最大旋转风速半径）时,屋面风荷载为吸力,且呈中心对称分布;建筑物位于r=1.0R_m时,屋面的吸力更大,且迎风面和背风面呈现出明显的区别;建筑物位于r=3.0R_m时,屋面的吸力均远小于前两种工况。     

龙卷风风场模型及风荷载研究

为研究龙卷风对建筑结构的作用特征,在综合分析龙卷风袭击建筑物时高速风冲击作用和突然气压降作用的基础上,提出了封闭结构龙卷风荷载的计算方法。从柱面坐标下的流体力学控制方程组出发,发展了考虑气压降的三维龙卷风风场模型。采用计算流体动力学(CFD)方法对某大跨穹顶结构周围风场进行数值模拟,得到了结构的压力系数,同时计算得到了该结构的龙卷风荷载时程,利用时程分析方法对结构进行龙卷风作用下的风致动力响应分析,得到了结构在龙卷风作用下的位移时程。研究结果表明：龙卷风的袭击过程持续时间短,120m跨穹顶结构在F3级龙卷风作用下,整个袭击过程仅持续约15s;龙卷风的作用剧烈,穹顶结构的位移最大值达到2.73m,远大于规范限值的1/250跨度（0.48m）。     

相邻低层四坡屋面房屋在风荷载下的相互干扰作用

采用数值模拟方法,结合风洞模型试验对两栋低层四坡屋面房屋周围的风场及表面风压进行了计算和分析,数值模拟基于Reynolds时均方程和可实现k-ε湍流模型,采用了具有良好拓扑性能的非结构四面体网格,FLUENT软件实现了流场的数值求解.在单体计算结果和风洞试验结果有较好吻合的前提下,获得了有相邻建筑干扰的情况下,低层四坡屋面房屋的表面风压的变化规律,结论可直接供工程设计参考.     

月牙形屋面风荷载分布规律数值模拟研究

基于ANSYS Fluent软件平台采用SST k-ω湍流模型对月牙形悬挑屋面风荷载分布规律进行了数值模拟分析。为验证数值模拟的可靠性,将模拟结果与类似风洞试验结果进行对比分析,结果表明数值模拟可靠性较高。通过建立多个模型,研究通风率、屋面倾角、最大悬挑长度、风向角等因素对屋面体型系数的影响,得出月牙形悬挑屋面的风荷载分布规律。提出了月牙形屋面的风荷载体型系数的取值建议。     

预制舱变电站建筑屋面角区风荷载的数值模拟对比

对一预制舱变电站项目低矮建筑群中的综合舱建立了屋面角区无构件、附加新型三维曲面构件及传统女儿墙构件三种工况的数值风洞模型,采用SST k-ω模型模拟计算两个典型风向角下综合舱屋面角区的平均风压系数,并与风洞试验结果进行对比分析。结果表明：0°风向下,曲面构件与女儿墙构件均能有效减小屋面角区的平均风压,且效果相当;30°斜风来流风向下,曲面构件和女儿墙构件分别能将屋面角区几个风敏感测点处的平均风压系数均值减小为无构件工况下的67%和72%,表明曲面构件相比女儿墙构件,对优化屋面角区的最不利风荷载相对效果更好;虽然不同工况下屋面角区平均风压系数的数值模拟结果略小,但整体上和风洞试验规律一致,表明数值风洞方法对研究这类问题具有较好的指导作用。     

龙卷风作用及核电站结构极端风荷载相关问题研究综述

在结构荷载规范中一般均不考虑龙卷风荷载,但对于某些设防要求极高的重要工程设施,如核电站,则需要考虑可能的龙卷风荷载作用。从龙卷风风场理论模型的研究发展入手,对直接风压荷载的确定、风致飞射物间接作用以及特种工程结构核电站抗龙卷风设计的研究现状进行了归纳总结,指出了龙卷风直接风压计算中考虑轴吸力作用、风场平移运动及风致扭转作用的必要性以及飞射物冲击作用应区别弹体相对刚度及端部形态对作用效果的影响。     

椭球形屋面风荷载分布规律数值模拟研究

应用SST k-ω湍流模型对椭球形屋面风荷载分布规律进行了数值模拟,通过改变风向角与屋面形状相关的模型尺度、长跨比、矢跨比,研究上述参数的变化对屋面体型系数的影响。研究结果表明:模型尺度对体形系数影响不大;矢跨比和长跨比对屋面体型系数取值影响较显著,屋面体型系数等值线梯度随长跨比增加而变大,矢跨比越大,风荷载对屋面的作用越大;风向角对屋面风荷载分布影响明显,随着风向角从0°～90°变化,风荷载体型系数变化梯度不断减小。将数值模拟结果与类似的风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟结果的可靠性,提出了椭球形屋面风荷载体型系数取值建议供工程设计人员参考。     

多漩涡龙卷风作用下建筑表面风压系数的研究

为研究多漩涡龙卷风场结构特征,以圆柱体作为龙卷风场的计算流域以及改变风的入射角度,利用Fluent14.5软件并采用湍流模型模拟出4种典型漩涡比值S为0.28,0.5,1及2的龙卷风场,并对双坡屋面建筑物的表面风压系数进行了模拟。模拟结果表明:S等于0.28时,形成一个稳定上升的单涡龙卷风结构;当S为0.5和1时,龙卷风涡核少部分上升气流转为下降气流,涡核半径随之扩大,涡结构从上往下分离;S为2时,龙卷风涡核大部分气流转为下降气流并逐渐触地,导致涡核分离,最终形成多个漩涡的龙卷风;另一方面研究发现,随着漩涡比值的增加,龙卷风作用下的建筑物表面风压系数绝对值随之减小。     

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。     

低矮房屋屋面细部构造的风荷载特性研究

通过刚性模型测压试验研究了低矮房屋屋面细部构造的风荷载特性。通过对不同高度和细部构造是否同时存在时屋脊、出山及檐沟风压系数及阻力系数的研究发现：在来流斜风向吹向细部构造的外表面（屋脊为迎风面）时,内侧表面（屋脊为背风面）端部负压变化剧烈,幅值很大,造成朝向屋面（屋脊为朝向背风面）的最不利极值净风压系数很大,其中出山最大,达到18.0左右,屋脊次之,为10.5左右,檐沟最小,为7.0左右;而背离屋面（屋脊为朝向迎风面）方向的极值净风压则相对平稳。在同一竖直平面上,出山位置较低的测点比较高的测点最不利极值净负压系数要大5左右,檐沟则是大0.8左右;屋脊和出山在另外2个细部构造存在时,最不利极值净风压系数会减小很多,分别从10.5和18.0减小到只有7.5和6.0,檐沟减幅较小,从7减小到6。出山和檐沟的最不利阻力系数的幅值随着高度的增加会加大,当屋脊和檐沟存在后出山的最不利阻力系数的幅值会有所减小,但另外2个细部构造是否存在对屋脊和檐沟的阻力系数影响较小。     

不同平移速度龙卷风对高层双坡屋面的作用研究

采用计算流体动力学计算方法,对不同平移速度的龙卷风作用下典型高层双坡屋面的风荷载进行了数值研究.综合滑移网格和动网格的各自优势,利用动网格法和滑移交界面分割技术,实现了等效移动龙卷风场的数值模拟.计算研究表明:龙卷风场作用下,各种坡角(0°、15°、30°和60°)的计算模型的屋面风荷载均为吸力,在距风场中心距离为最大切向风速所对应半径的附近,屋面吸力最大;在等效移动龙卷风场中,由于充分捕捉了龙卷风场作用于计算模型过程中的动态效应,屋面的吸力远大于其在静止龙卷风场中的吸力,30°坡角屋面吸力增幅最大(83.9％),0°坡角屋面吸力增幅最小(74.3％);在距风场中心距离为最大切向风速所对应半径的附近,出现了风压激增区,在此区域屋面的吸力急剧增大,等效移动龙卷风场中此现象更加明显.此外,龙卷风的风致破坏不仅与其风场强度正相关,而且与平移速度也大致呈正相关,计算模型屋面风压随平移速度的增大而增大,但当平移速度超过某限值(约为最大切向风速的25％),计算模型屋面风压略有下降.     

带檐口曲面双坡屋面风压数值模拟

基于Fluent软件平台,选用基于Reynolds平均法的RNGk-ε湍流模型,对低矮带檐口的曲面双坡屋面房屋周围风场和表面风压开展数值模拟,研究了屋面坡度、房屋高度、跨度、长度和房屋檐口类型等各种参数对曲面双坡屋面风压系数的影响.研究表明,曲面双坡屋面风压受房屋几何尺寸影响不明显,而受屋面坡度、房屋檐口类型影响明显,且与来风风向角密切相关.屋面风压随房屋高跨比的增大而增大;随屋面坡度增大,迎风面风压绝对值减小,而背风面则增大.竖向和水平檐口显著影响曲坡屋面的风压大小和分布.     

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。     

双塔建筑风荷载狭缝效应的数值研究

对双塔建筑进行了风荷载和风场的数值模拟,计算得出了建筑周围的流场分布和建筑表面各测点的风压,并着重讨论了双塔建筑物之间的狭缝效应,结果表明,并列布置时,干扰作用只发生在相邻建筑物的侧风面,对相邻建筑物的迎风面影响很小,干扰作用的大小与建筑物的间距有关。     

山村低矮双坡屋面建筑风致响应比较研究

根据调查分析,建立单层双坡屋面建筑和两层双坡屋顶建筑的数值模型,模拟在主导风向下建筑风荷载的影响。通过与现有建筑结构规范的比较,得出了低矮房屋的风压分布系数的最大正负压系数,并指出屋顶负压区分布面积较大,为工程设计提     

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。     

台风作用下悬挂网壳风荷载特性的数值模拟研究

为研究悬挂网壳结构在台风作用下风载荷的分布特性,应用Fluent软件和计算流体力学(CFD)技术,基于SST k-ω湍流物理模型和田浦湍流强度对其在不同台风工况作用下的风荷载分布规律进行数值模拟。通过分析不同风向角、不同仰角时网壳上、下表面风压分布的规律,对比数值模拟结果与GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中风载体型系数,得到在台风作用时数值模拟的平均风压系数大于规范中风载体型系数值。该结果对此类大跨度空间结构抗台风设计有一定参考价值。