复杂型体悬挑屋盖风荷载风洞试验与数值模拟

基于Fluent 6.1软件平台,将Realizablek-ε模型与非平衡壁面函数搭配使用,对位于海岛强台风地区的某海洋文化中心屋盖风压分布进行了计算流体动力学(CFD)数值模拟,同时也对该建筑进行了风洞试验。模拟结果与风洞试验数据的对比显示数值模拟可较准确地反映实际风压。风洞试验和数值模拟均显示悬挑屋盖受到了很大的吸力,对屋盖结构极为不利,对此问题采取在屋盖悬挑部分开洞的减压措施,以改善屋盖悬挑部分的受风特性。对开洞后的建筑进行了CFD建模与计算,结果表明在屋面前缘开洞可有效降低屋盖悬挑部分的最大风压和所受的竖向升力,大大改善屋盖结构的受力状态。     

风致内外压下圆弧形落地大跨屋盖结构风荷载特性

对某墙面开洞的圆弧形落地大跨钢屋盖机场航站楼风荷载特性进行了风洞试验研究;基于计算流体力学软件FIUENT 6.3,采用RNG ?κ-ε?湍流模型对墙面开洞屋盖结构的内外表面平均风压系数分布、分区净体型系数、风速矢量以及风场流迹线等风荷载特性进行了系统研究,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行比较分析。结果表明:数值模拟的净体型系数和平均风压系数分布规律与试验结果吻合良好;墙面洞口全开的情况下,由于迎风洞口与背风洞口处压力差的作用,屋盖内表面风压均表现为风吸力,风压分布亦受到洞口的影响;墙面洞口对屋盖上表面平均风压系数分布影响较小;屋盖迎风挑檐区域受到风荷载下顶上吸的叠加作用,最大净体型系数达-2.83。     

环状大悬臂挑篷风载特性与风场绕流分析

基于FLUENT软件并引入k-ε湍流模型,对环状大悬臂挑篷屋盖风载和风场进行模拟分析。数值计算分析风向角、屋盖倾角、看台后部通风率、挑篷开洞、有无后挑等参数对挑篷屋盖风压分布的影响;针对屋盖周围气流的绕流特性,分析设置屋盖竖向气动导流板和在挑篷外环边缘附近开洞对降低屋盖负风压的作用。研究结果表明：无论风向角如何变化,水平挑篷屋盖上风压均以吸力为主,较高的吸力分布在迎风的前缘位置;屋盖倾角宜设在 0°~15°范围,过大或过小均不利于结构抗风;增大结构迎风面的通风率有利于减小水平屋盖的平均风压;屋盖是否后挑对水平屋盖上表面的风压影响较小;增设屋盖竖向导流板可减低水平屋盖前缘局部极值风压;在环状挑篷外环边缘附近开洞可较明显减小屋盖风压。     

吉林火车站屋盖结构风荷载特性的试验研究

通过对吉林火车站的刚性模型风洞试验研究,得到在有无周边建筑群干扰下屋盖表面的平均风压系数、脉动风压系数以及屋盖的升力系数分布特性,同时对屋盖局部体型系数及结构风振响应进行详细的对比分析研究。研究结果表明:火车站屋盖结构表面主要呈现负风压(风吸力),屋盖合力升力系数均为负值。主站楼在迎风区屋檐、悬挑区域及屋面凸起的天窗位置气流分离较大,风压变化明显,出现较大的负风压系数;由于站台雨篷四周开敞,气流流经站台雨篷时较为顺畅,气流分离较小,因而站台雨篷风压系数较小。周边的干扰建筑整体上对屋面全风向局部体型系数有一定的遮挡效应,但也不能忽略部分区域增大的情况;周边建筑群对站台雨篷角部、主站楼凸起的天窗及东西两侧悬挑屋面区域风振响应影响较大。     

波纹状悬挑大跨屋盖的风荷载特性

采用同步测压风洞试验技术,对相同尺寸的波纹状悬挑屋盖、光滑表面悬挑屋盖风荷载进行了研究,重点讨论了波纹形状对悬挑屋盖风荷载的影响。风压分布云图表明,波纹形状没有改变风荷载的主要作用机制,但加剧了来流在屋盖前缘的分离。通过积分得到了对屋盖主体结构抗风设计起控制作用的弯矩系数,相对于光滑表面悬挑屋盖,最不利风向角下波纹状悬挑屋盖的平均弯矩系数增加23%,脉动弯矩系数增加20%,但波纹形状减缓了脉动风荷载在折算频率0.1~0.2范围内的能量集中。波纹形状对风压极值影响较大,特别是对围护结构抗风设计起控制作用的负压极值,波纹状悬挑屋盖较光滑表面悬挑屋盖增加13%。进行波纹状悬挑屋盖抗风设计时,不考虑波纹形状的影响是不安全的。     

上海铁路南站屋盖表面风压特性试验研究

对上海铁路南站结构模型进行了风洞试验,分析了该结构屋盖表面平均及脉动风压的分布规律,对比了两者的异同并指出造成这种差别的原因,比较了这一大跨度屋盖结构在无周边建筑和有周边建筑情况下屋面的风压分布特性。将极值风压系数与平均风压系数进行了比较,最后分析了屋盖表面测点风压自功率谱及互功率谱的特性。     

大跨屋盖结构表面平均风压的数值模拟研究

选取TTU建筑现场实测和刚性模型风洞试验屋面风压数据作为比较标准,验证了CFD方法模拟低层大跨屋盖表面平均风压的可靠性,并讨论了湍流模型的选取对模拟结果的影响。在数值模拟中采用雷诺时均湍流模拟方法和RNG k-ε两方程湍流模型,结合缩尺模型风洞试验,研究了曲面大跨屋盖表面风压分布。比较了有无背景建筑和正面是否开洞等不同工况下,曲面大跨屋盖内、外压分布的异同点,为该类结构抗风设计提供了依据。     

复杂体型大跨屋盖风荷载特性的风洞试验研究

通过对吉林火车站的刚性模型风洞试验研究,得到了在有无周边建筑群干扰下屋盖表面的风压系数等值线图、脉动风压系数与屋盖的升力系数随风向角的变化曲线,对其风压分布特性做了详细的对比分析研究。研究结果表明:大跨屋盖结构表面主要呈现负风压(风吸力),屋盖合力升力系数均为负值。主站楼在迎风区屋檐、悬挑区域及屋面凸起的天窗位置气流分离较大,风压变化明显,出现较大的负风压系数;由于站台雨篷四周开敞,气流流经站台雨篷时较为顺畅,气流分离较小,因而站台雨篷风压系数较小。     

连拱式大跨悬挑屋盖平均风荷载特性

文章通过数值风洞试验,对连拱式悬挑屋盖平均风荷载特性进行了研究。首先分析了不同风向角对连拱式悬挑屋盖的影响并依据升力与弯矩系数确立了0°为最不利风向角。在此基础上研究了屋盖倾角、看台后部通风率、上游看台的干扰对悬挑屋盖平均风压分布的影响,并且建立了考虑以上三种因素影响的平均风荷载模型表达式。     

体育场悬挑屋盖结构风压特性研究

结合一大跨度悬挑屋盖结构的刚性模型风洞试验,研究不同屋盖倾角、不同风向及看台后部是否开敞等因素对屋面平均风压分布特性的影响。在总结上述分析结果的基础上,将屋盖风压近似简化为二维形式,对屋盖跨向风荷载进行分段描述,供抗风设计参考。     

开合屋盖体育场风荷载特性试验研究

建筑立墙迎风面开孔时内部风压随开口处外压变化显著,使得屋盖所受净压显著增大,其测量值往往大于规范取值。而对于屋盖顶部开孔的建筑,其内部风荷载我国规范没有相应取值。为了进行开合屋盖结构设计和探讨屋盖顶部开孔对屋盖风荷载变化的影响,以1∶300的几何缩尺比制作了一个开合屋顶体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场固定、活动屋盖的上、下表面进行了风洞测压试验,得到了屋盖上、下表面的体型系数、平均风压系数、脉动风压系数和极值风压系数。试验结果表明：活动屋盖的开启,可有效减小固定屋盖和活动屋盖的平均风荷载,引发整个结构承受向下的风荷载;活动屋盖开启将增大固定屋盖和活动屋盖的净脉动风荷载;活动屋盖开启将减小固定屋盖和活动屋盖的极小值风荷载,且固定屋盖上的最大极小值风压系数的位置往屋顶开口方向移动。     

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。     

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.     

北京首都机场3号航站楼风荷载和响应研究

介绍了超大跨度屋盖结构———北京首都机场 3号航站楼的模型风洞试验概况和主要结果 ,给出了屋面在最不利工况下的分块体型系数 ,清楚地显示了屋面的风压分布特征。采用考虑多模态及模态间耦合效应的CQC法计算结构风振响应 ,并以此为基础应用阵风荷载因子法计算了静力等效风荷载     

大跨悬挑平屋盖结构风荷载特性的试验研究

对一大跨悬挑平屋盖模型进行了比较细致的风洞试验研究,分析了此类结构屋盖的平均局部体型系数和极值局部体型系数的分布特性,研究了均匀和B类两种不同流场对其风荷载分布特性的影响。结果显示结构在均匀流场和紊流的剪切流场所测得的平均和脉动风荷载特性均有显著的差别,文中进一步测量并讨论分析了屋盖上典型测点脉动风压的功率谱密度(PSD)以及空间不同位置之间的相干特性。最后针对此类形状屋面的特点和风压分布特性,提出了一种气动抗风措施,试验结果显示它可以有效削减屋盖风敏感处的风荷载值。     

大跨双层屋盖结构风洞试验与风振响应研究

对南太湖湿地奥体公园复杂体型体育场双层屋盖结构进行了风荷载的风洞试验与风致动力响应研究。屋盖由高低两个开口椭圆屋面叠合而成,两屋面之间设置观光走廊。利用风洞模型试验测定了双层屋盖上下表面的平均和脉动风压时程数据。通过计算分析得到了屋盖结构局部测点的极值风压以及平均风荷载整体合力与最不利风向角。然后基于有限元方法对该屋盖进行了风振响应的动力时程分析,获得了结构风振系数、等效静力风荷载的分布图以及考虑风振效应的最不利风向等数据和结论。     

“天使之翼”体育场风压特性试验

通过对梅州体育场进行测压试验,得到平均风压系数、脉动风压系数,对其风压特性做了详细分析。结果表明:控制体育场屋面的风压主要为负压,屋盖凸起处气流分离较大,导致其负压较大;当来流由低屋面进入高屋面时,在高屋面区域产生“上吸下顶”的受荷情况,负压增大;通过对屋盖测点风压时程第三、第四阶矩的统计分析发现,非高斯性测点主要分布在屋盖气流分离区和受尾流旋涡影响的区域;高斯分布和三参数伽马分布能较好地描述体育场表面风压概率特性;Sadek-Simiu法考虑了脉动风压非高斯特性,能准确地估计非高斯风压的极值。     

《屋盖围护结构风荷载标准》的制订依据及相关规定

为配合新编行业标准JGJ/T 481—2019《屋盖结构风荷载标准》的推广、应用,对屋盖围护结构风荷载的制订依据及相关规定进行了介绍。在对比国内外规范风荷载条文规定的基础上,以围护结构风荷载全风向最小值和最大值作为确定其标准值的依据,引入围护结构风压系数极值表达围护结构的风压标准值;根据风压系数时程样本的不同数量规定了风压系数极值的估计方法,对比了各国规范中封闭式低矮双坡屋盖的风压系数极值。新编标准以风荷载理论为依据制订了屋盖围护结构风荷载条文,完善和发展了我国标准的相关规定,提供了相对简单、合理的风压系数极值计算方法。     

低矮房屋风荷载实测研究(Ⅱ)——双坡屋面风压特征分析

基于可移动的双坡屋面实验房获取的近地面台风风速和房屋表面风压同步实测数据,研究了台风作用下低矮房屋屋面风荷载。研究结果表明:在斜向风作用下,迎风屋面屋脊角部区域、屋面角部区域易形成较高的局部峰值负压并具有较大的脉动风压,风压系数概率分布为非高斯分布。在低频范围内,屋脊角部区域脉动风压预测谱与实测压力谱吻合相对较好;在高频范围内,脉动风压预测谱都低估实测谱。相对良态气候条件,在台风天气条件下,来流气流与建筑物相互作用产生的特征湍流对高频范围脉动风压功率谱影响显著,未考虑竖向风攻角和竖向脉动风速变化相对显著,在屋面角部区域现行规范计算方法相对低估其脉动风荷载。