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。     

外形几何参数对低矮建筑双坡屋盖升力系数极值的影响

对一系列低矮建筑双坡屋盖的刚性模型测压风洞试验数据进行了处理,研究了屋盖升力系数极值的特征,讨论了最不利屋盖升力系数随建筑外形几何参数的变化规律。研究结果表明,屋盖坡角的变化对最不利屋盖升力系数有重要影响：对高宽比相同的低矮建筑,屋面最大升力系数随屋盖坡角增大而减小,且建筑的厚宽比越大,这种趋势越剧烈;最不利屋盖升力系数随着建筑高宽比的增大而增大,但这种增大的趋势随着屋盖坡角的增大而减小。基于这些数据,用多参数最小二乘法将最不利屋盖升力系数拟合成了屋盖坡角、建筑高宽比和厚宽比的函数形式,并对拟合函数进行了误差分析。所得结论及拟合公式可为低矮建筑的结构设计及相关荷载规范的制订和修改提供参考。     

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。     

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。     

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。     

Effect of building length on wind loads on low-rise buildings with a steep roof pitch

A wind tunnel model study was carried out on long, low-rise buildings with a steep roof pitch to determine the effect of the length-to-span aspect ratio on the external wind pressure distributions. The study showed a significant increase in the magnitude of the negative pressure coefficients on the leeward roof and wall, with an increase in aspect ratio, for oblique approach winds. These large suction pressures also generate large design wind load effects on the frames near the gable-end. The 1989 edition of the Australian standard for wind loads, AS 1170.2-1989 was found to underestimate the wind loads on steep pitch gable-roof buildings of aspect ratio greater than 3, on areas near the windward gable-end, and hence the critical bending moments in the supporting structural frames. The current Australian/New Zealand wind load standard, AS/NZS 1170.2-2002 specifies increased negative pressure coefficients on the leeward half of high pitch roof buildings, and critical bending moments in the supporting frames calculated from these distributions agree quite well with values obtained from the wind tunnel study. However, other major standards severely underestimate the critical bending moments, and the effective pressure coefficients producing those bending moments, especially on the leeward roof slope.     

檐口形状对低矮房屋屋面风压分布的影响

基于计算流体动力学（CFD）和剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型,对带不同尺寸檐口低矮房屋的屋盖风压进行了数值模拟计算.首先,对TTU建筑模型屋盖体型系数进行数值计算,并与其他文献的结果进行对比吻合较好,验证了本文计算方法和湍流模型参数选取的合理性.然后,基于此方法研究不同尺寸檐口对低矮房屋屋面体型系数分布情况,总结出檐口尺寸对屋盖体型系数变化的规律,优化其抗风性能,研究结果可为该类建筑的工程抗风设计提供参考.     

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。     

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。     

扰流板减小低矮房屋屋面风压试验研究

近年来,我国台风灾害频繁,在历次风灾中,大量村镇低矮房屋倒塌破坏是造成生命财产损失的重要原因。在强风中,屋面是低矮房屋最薄弱部分往往最先发生破坏。目前,提高屋面抗风能力的方法主要是增加屋面本身强度和整体性,但其经济成本较高且抗风效果并不理想。针对上述问题,文中提出一种气动抗风方法,在双坡房屋屋面增设扰流板,通过改变房屋气动性能来降低屋面风压,并围绕这一方法开展了风洞试验研究工作。试验结果表明：扰流板可以有效减小双坡房屋屋面风压,尤其对屋面局部极值风压减小效果显著,最大减小幅度可达49%。山墙处扰流板对屋面风压影响最大,其次是屋檐处的扰流板,屋脊处扰流板对屋面风压无显著影响。相对于扰流板宽度与高度,扰流板角度是对屋面风压影响最为明显的几何因素,屋檐处扰流板角度建议值为0?~30?,山墙处扰流板为10?~30?。综合考虑经济与构造措施等因素,扰流板高度建议值为挑檐高度的1/70~1/12,宽度为房屋长度的1/20。最后,根据实验结果给出了安装扰流板结构屋面风压折减系数和相关的设计建议。     

双坡低矮建筑风压系数的概率统计特性分析

基于低矮建筑表面风压测量风洞试验数据,分析了低矮建筑各部位风压系数的概率统计特征。分析结果显示,在迎风墙、屋盖上风区和侧墙上风区以及斜风时屋盖某些关键测点上,风压系数的偏度系数和峰度系数都严重偏离高斯过程对应值,表现出很强的非高斯性;在背风墙、屋盖下风区和侧墙下风区,尽管风压系数的偏度系数接近高斯过程对应值,但峰度系数仍然偏大,风压系数仍然是非高斯性的。将利用峰值因子法得到的模型各测点上的最不利正、负风压系数与直接观察法得到的结果进行了对比,结果表明,峰值因子法低估了墙面上的最不利正、负风压系数,低估了屋盖上的最不利负风压系数,但高估了屋盖上的正风压系数,估计误差率在-37%～+120%之间。     

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。     

Fragility assessment of wood sheathing panels and roof-to-wall connections subjected to wind loading

The performance of the wood-frame buildings after tornadoes has shown that the majority of the wind damage resulted from building envelope failure most typically due to the loss of the roof. To assess the performance and the reliability of low-rise wood-frame residential buildings with a focus on the roofs, fragility analysis can be used to estimate the probability of failure of a roof when constructed with specified nails and sheathing sizes. Thus, this paper examines the fragility of specific types of nails, roof-to-wall (RW) connection details, and sheathing sizes based on the damaged roofs that were previously assessed in the Dunrobin area in Ottawa (Ontario) that was hit with an Enhanced Fujita (EF3) tornado on September 21, 2018. The presented fragility analysis considers four scenarios, including different sheathing and nail sizes. Dead loads, wind loads, and resistance on the sheathing panels were compiled and analyzed to determine the failure of the examined roofs. The eight fragility models suggest that the safest roof sheathing (RS) is the 1.22 m × 1.22 m sheathing panel with 8 d nails, and the safest RW connections is achieved by using H2.5 hurricane clips.     

新型抗风耗能装置在低矮房屋中布置方式的风洞试验研究

针对低矮房屋受台风作用极易损坏的问题,提出一种在低矮房屋上安装新型抗风耗能装置的防护方法。为寻求新型耗能装置的最优布置方式,使耗能装置效用最大化,针对将装置安装在双坡屋盖边缘、屋脊以及联合导流板工作等6种安装工况,通过风洞试验,研究抗风装置系统对屋面峰值风压和平均风压的影响,并对6种工况进行数值模拟分析,数值模拟结果与风洞试验一致。进行了耗能装置几何参数的优化研究,探讨了叶尖速比、叶轮根部安装角和叶根对叶尖扭角对耗能系数的影响。研究表明:安装耗能装置能有效预防屋面受风损坏;在迎风侧屋檐上部,结合导流板与抗风装置联合工作的方式能显著降低负风压对屋面结构的不利影响,这种安装方式在任一风向角下都显著降低了屋面平均风压系数极值(包括迎、背风面),降低幅度可达40%。     

周边建筑对低矮建筑平屋面风荷载的干扰因子

低矮建筑通常都是成群出现的,周边建筑对被包围建筑的风荷载存在干扰效应。通过刚性模型表面测压风洞试验对被同类周边建筑所包围的平屋面低矮建筑表面风压系数进行测量,分析周边建筑的建筑面积密度、相对高度及排列方式对被包围建筑平屋面上的最大局部负风压及最大屋面升力的干扰因子的影响。试验结果显示,最大局部负风压的干扰因子除少数周边建筑面积密度很低或相对高度较矮时大于1.0外,多数情况下都小于1.0;所有存在周边建筑的试验工况中最大屋面升力的干扰因子总是小于1.0;两个干扰因子都随周边建筑面积密度的增大而减小;当周边建筑的相对高度小于1.0时,两个干扰因子都随周边建筑相对高度的增大而减小,但当周边建筑的相对高度大于1.0时,两个干扰因子对周边建筑相对高度的变化不敏感。基于上述试验结果,将两个干扰因子拟合成周边建筑面积密度及相对高度的函数形式,为低矮建筑的设计提供依据,为建筑结构荷载规范的修订提供参考。     

单个周边建筑对工业厂房屋面平均风压的气动干扰效应

工业厂房通常处于工业厂区内,受周边建筑的干扰,其表面风压分布与单个独立厂房不同,相邻建筑会对风荷载产生影响。基于单个厂房与两个串列厂房刚性模型风洞试验,给出了不同工况下屋面的平均风压,分析了屋盖横向、纵向端部与中部测点的平均风压分布规律,对比了不同串列距离条件下受扰厂房与独立厂房屋盖表面平均风压分布,探讨了平均风压系数干扰因子随风向角及干扰距离的变化规律。试验结果表明：不同风向角时,干扰效应截然不同;干扰效应存在临界风向角。临界风向角一般保持在 30°~50°范围内,小于临界风向角时,干扰起放大效应;大于临界风向角时,干扰为遮挡效应。此外,运用最小二乘法拟合了干扰因子设计值实用计算式,为受扰厂房建筑屋盖表面风压的修正提供依据。     

建筑群风环境特性的数值模拟与分析

结合风洞模型试验对群体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,在单体数值模拟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,为群体建筑的合理建筑形式及结构抗风设计提供了科学依据。     

低矮建筑表面破坏性旋涡及其诱导的风压特性研究综述

柱状涡和锥形涡是低矮建筑表面常见的两种破坏性旋涡。这两种旋涡将在屋盖表面局部诱导产生强风吸力,会使结构整体失效。因此,为减少低矮建筑的风致破坏,应对其表面旋涡及诱导的风压特性进行研究。通过调研相关文献,对旋涡形态特征、旋涡诱导的风压分布特性以及旋涡作用下强风吸力产生机理三个方面的研究现状进行了总结。结果表明：柱状涡和锥形涡在低矮建筑屋面诱导的风压分布可分别采用相应的拟合公式进行统一表达;其诱导下的风压脉动特性大多通过幅值分析（时域）和能量分析（频域）获得。为了探讨旋涡诱导下强风吸力的产生机理,基于风洞试验所测得的风压数据,研究其时域及频域特征;并结合旋涡理论,对旋涡作用机理给出间接的理论推测。此外,亦有学者通过测量旋涡截面流速,对现有旋涡模型进行改进,据此分析旋涡作用与涡下吸力的量化关系。     

Influence of an upstream building on the wind-induced mean suction on the flat roof of a low-rise building

The effect of an upstream building on the suction forces on the flat roof of a low-rise building placed in the wake of the former is analyzed. The analysis has been performed by wind tunnel testing of a flat roof, low-rise building model equipped with pressure taps on the roof and different block-type buildings (only configurations where the upstream building is as high or higher than the downstream one are considered in this paper). The influence of the distance between both buildings on the wind loads on the downstream building roof is analyzed, as well as the height of the upstream one and the wind angle of incidence. Experimental results reveal that the wind load increases as the relative height of the upstream building increases, the wind load being highest for intermediate distances between buildings, when a passage between them is formed.     

单跨双坡工业厂房平均风压试验研究

通过一系列不同外形尺寸的单跨双坡厂房刚性模型风洞测压试验,研究不同风向角下结构表面的平均风压系数,重点讨论建筑结构外形参数和风场条件对单跨厂房主体承重结构风压系数的影响。研究发现,主体结构框架梁屋面平均风压系数受高跨比和风向角影响很大,而基本不受纵跨比和风场类型的影响。框架梁屋面的负风压随着高跨比的增大而增大,但中部和端部框架梁屋面的风压特性有很大差异;中部框架梁屋面的负风压随着风向角的增大不断增大,端部框架梁屋面的风压随着风向角的变化也很显著,但缺乏很好的规律性。主体承重结构框架柱墙面的平均风压分布较为均匀,风压系数可直接按美国金属建筑结构手册选取。根据试验数据采用阻尼最小二乘算法拟合框架梁屋面风压分布公式。经验证,公式计算出的风压系数能良好地反映分布规律,且具有较好的精度,可以为荷载规范的修订和补充提供参考。