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。     

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.     

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。     

挑檐和出山对低矮房屋屋面平均风压的影响

基于Fluent 6.3软件对4种屋面形式进行了数值模拟,采取对有挑檐、有出山屋面形式的数值模拟结果与风洞试验进行对比的方式,验证了本文数值模拟方法的可行性。在此基础上模拟了多种屋面形式,得到:挑檐影响屋面平均风压系数分布的作用显著,不同风向角时影响风压作用大小不同,挑檐能够使屋面体型系数减小,但随着长度的增加减小趋势会下降;出山能够改变屋面平均风压分布,对于抗风总体是有利的,当高度较大时不能忽略其不利影响。     

低层四坡屋面风荷载数值模拟

结合低层建筑风荷载特性研究现状,采用流体力学软件Fluent14.5,对几何尺寸为24 m×16 m×4 m的低层四坡屋面房屋模型的风压分布规律进行数值模拟研究,最终选取变化规律与东京工艺大学风洞试验结果较吻合的重整化群k-e湍流模型进行后续研究。在此基础上,深入研究了不同风向角下低层四坡屋面坡角、风向角以及相邻房屋风致干扰对风压分布规律的影响,根据各工况下风压系数的变化,总结各因素影响规律得出:(1)较高的负平均风压系数总是出现在迎风方向的气流分离面附近,在斜风向角下,屋面屋脊局部最大风压达到极值;(2)相邻建筑干扰产生的遮挡效应和狭缝效应会使屋面风压产生复杂变化,设计时应考虑这种影响。     

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。     

典型低矮双坡房屋抗风措施的数值模拟研究

基于Fluent15.0软件平台,采用RNG k-ε湍流模型对广东沿海地区中一类典型的低矮双坡房屋屋面平均风压分布进行了数值模拟,研究了广东沿海地区典型存在的屋脊与厝头两种措施对屋面平均风压的影响。首先,把数值模拟结果和风洞试验进行对比,用来说明本文所选用的RNG k-ε湍流模型及参数设置的合理与适用。进一步分析了不同屋脊高度下屋面平均风压的变化,同时考虑在屋面上同时布置屋脊和厝头屋面平均风压的变化规律。结果表明,不同屋脊高度对屋面平均风压的影响与风向角有关,而且当风垂直作用于屋脊时,其影响作最大的,当风向与屋脊平行时,影响较小。在屋面布置屋脊和厝头以后能够使屋面的前后屋面交界处以及屋面和山墙的交界处的流体分离发生变化,整个屋面负压绝对值减少;该研究成果可以为我国沿海受台风影响地区的低矮双坡房屋提供抗风措施的参考。     

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。     

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。     

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.     

Experimental study of wind loads on gable roofs of low-rise buildings with overhangs

Gable roofs with overhangs (eaves) are the common constructions of low-rise buildings on the southeastern coast of China, and they were vulnerable to typhoons from experience. The wind pressure distributions on gable roofs of low-rise buildings are investigated by a series of wind tunnel tests which consist of 99 test cases with various roof pitches, height-depth ratios and width-depth ratios. The block pressure coefficients and worst negative (block) pressure coefficients on different roof regions of low-rise buildings are proposed for the main structure and building envelope, respectively. The effects of roof pitch, height-depth ratio, and width-depth ratio on the pressure coefficients of each region are analyzed in detail. In addition, the pressure coefficients on the roofs for the main structure and building envelope are fitted according to roof pitch, height-depth ratio and width-depth ratio of the low-rise building. Meanwhile, the rationality of the fitting formulas is verified by comparing the fitting results with the codes of different countries. Lastly, the block pressure coefficients and worst negative pressure coefficients are recommended to guide the design of low-rise buildings in typhoon area and act as references for the future’s modification of wind load codes.     

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%。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。