多国规范平屋盖围护结构外表面设计风压对比研究

对比分析了中国GB 50009-2012、德国DIN 1055-4、美国ASCE/SEI 7-10、日本AIJ-2004、欧洲BS EN 1991-1-4:2005、加拿大NBC-2005、澳大利亚/新西兰AS/NZS 1170.2:2011、英国BS 6399-2:1997等规范中关于平屋盖围护结构外表面设计风压的有关规定。为便于比较,将各国规范风荷载标准值统一换算为外表面设计风压系数与基本风压乘积的形式。并且将外表面设计风压统一换算为与时距10min、重现期50a的基本风速相对应的值。针对外表面设计风压相关因素,对风向、风压分区、面积折减、建筑尺寸等进行了对比研究。最后,结合平屋盖风洞试验,探讨了外表面设计风压的具体取值建议。研究表明：平屋盖围护结构外表面设计风压的确定,建议考虑360°全风向;对屋盖边缘应进行风压分区,角部也应进行单独的风压分区;屋盖表面不同位置建议采用不同的面积折减公式;针对不同高度或宽高比建筑给定不同的外表面设计风压建议取值。     

鱼形屋盖结构风荷载特性的试验研究

以海南石梅湾游艇会所为工程背景,进行了刚性模型同步测压风洞试验,研究了单体建筑与两栋建筑有相互干扰影响时的鱼形屋盖屋面平均与脉动风压系数、屋盖局部体型系数以及屋盖整体升力系数分布特性,并进行了详细的对比分析研究.研究结果表明:屋盖表面主要呈现负风压(风吸力),在迎风屋檐气流分离较大,风压变化明显,出现较大的负风压系数;当来流顺沿尾部贯通的连廊吹来时,增强的气流对屋盖下表面产生向下的吸力,且这股吸力要大于上表面向上的吸力,屋盖上下表面风压叠加后使该处屋面呈现一定的正风压;干扰建筑的存在对屋面全风向局部体型系数和屋盖整体升力系数有一定的遮挡效应.所得结论对复杂体型屋盖结构的抗风设计具有参考价值.     

FM风荷载设计介绍

越来越多的在中国投资建厂的外资业主,对厂房屋面设计要求按FM保险公司要求进行设计投保。本文结合中国规范主要是《建筑结构荷载规范》GB5009—2012和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（2012年版）对比美国《建筑物和其他结构最小设计荷》（ASCF／SE17-10）及《FMGlobal财产防损数据册-风荷载设计》1-28,研究介绍如何运用中国规范对风荷载进行取值运用中国规范计算以满足FM屋面风荷载设计的要求。     

半月拱形大跨度屋盖的风荷载干扰效应研究

以某半月拱形大跨度屋盖体育场为背景,采用刚性模型的风洞试验和上、下表面同时测压技术,对该体育场屋盖上、下表面的风荷载进行了研究。通过在屋盖上、下表面布置测点,获得不同风向角时屋盖上、下表面各测点的风压系数。对比分析了在有、无上游建筑物遮挡时屋盖表面的综合风压,以及上游建筑物对该体育场屋盖上、下表面风压的影响。研究结果表明:体育场屋盖的风荷载主要以向上的风吸力为主,屋盖迎风支座处正压较大,最大风压系数达1.4,悬挑处负压较大,最大负风压系数达-2.0。在不同风向角下,上游建筑物对屋盖表面风荷载的干扰效应有所不同,在60°风向角下,干扰效应最为明显。     

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。     

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。     

某大跨平屋盖表面风荷载特性研究

通过风洞模拟试验,研究了在锥形涡诱导下大跨平屋盖表面风荷载的特性。给出了风向角、风速、屋盖厚度、场地条件对风荷载的影响,进而分析了产生这样结果的原因和流动机理,并把斜度和峰态作为区分高斯区和非高斯区的标准。另外采用功率谱从频域角度对风荷载进行分析。     

某体育会展中心大跨屋盖系统风荷载试验研究

介绍了某体育会展中心会展馆和体育场的大跨屋盖系统模型风洞试验的概况和主要试验结果,通过分析典型测点方法详尽研究了挑篷上平均风压和脉动风压的分布,讨论了脉动风压对总设计风荷载的贡献,并对比了计算围护结构风荷载的规范方法和统计方法;结果表明,正面迎风时,体育会展馆和体育场屋盖边缘的平均风压和脉动风压系数均较大,采用规范方法算得的会展馆围护结构风荷载大部分小于采用统计方法算得的风荷载,而用规范方法算得的体育场围护结构风荷载均小于采用统计方法算得的风荷载,在大跨屋盖设计中应分区域选用两者中较大值作为风荷载设计标准值。     

大跨弧形屋面风荷载特性的风洞试验研究

根据榆林机场航站楼风洞试验结果,详细分析了大跨弧形屋面及弧形挑篷上的平均风荷载、脉动风荷载及其极值分布,研究了平均风荷载、脉动风荷载的分布特性。根据分析可知,大跨弧形屋面上同时存在压力和吸力,压力主要分布在屋面弧面起坡处,吸力主要分布在屋面挑篷部位;大跨弧形屋面的峰值吸力对风向角的变化特别敏感。给出了100年重现期屋面极值风荷载等压线图和体型系数,所得结论对于西部地区此类结构的抗风设计有参考作用。     

分离泡诱导下平屋盖表面风压特性研究

通过平屋盖刚性模型风洞测压试验,研究了分离泡不同部位所诱导的风压特性。从分离泡内、外部流场运动角度,分析了各部位风压特性的产生机理,研究了平屋盖表面平均和脉动风压系数分布、顺风向和横风向风压的相关性。给出了顺风向各点的脉动风压谱及相位角特征,并对分离泡及其诱导的风压特性进行了讨论。结果表明:在分离泡前部,顺风向风压相关性显著,风压脉动体现为低频特征,风压系数极值(极值吸力)出现在20%再附长度处;在分离泡中部,再附长度约一半位置处为风压脉动特性的转捩点,即转捩点上游风压脉动为低速传播,下游风压脉动为高速传播,且上、下游风压脉动呈现负相关和反相位的特征;转捩点处脉动风压系数出现最大值;在分离泡再附区,风压的高频脉动降低了其横向相关性,峰值因子最小值出现在再附点处。     

罩棚式低矮房屋屋面风荷载特性及气动抗风措施研究

采用模型的风洞试验详细研究了矩形和圆形罩棚屋面结构的平均风压和峰值风压分布特征,分析了屋面风致破坏的主要原因,在此基础上实施了7种不同的屋面局部修改方案的对比试验,从中筛选出可以有效消减屋面风荷载的抗风措施。两种平顶矩形和圆形罩棚屋面结构均以负压为主,试验测得两结构屋面的最高平均负压系数分别为-1.83和-0.97,相应最高极值负压系数为-5.41和-3.11,结果远高于GB 50009-2001《建筑荷载规范》推荐的平均风压乘以阵风系数的方法,这显示规范中的阵风系数方法并不适合于计算该类屋面结构的风压值。根据分析结果给出了平顶矩形和圆形罩棚屋面结构风压体型系数取值的建议值,采用斜切角形式的屋檐或在屋面板和侧面围板交界处开贯通透风槽方式可以使屋面风敏感区域的极值负压削减25%~35%。     

大尺度平屋盖聚类最优风压分区研究

以大尺度平屋盖为研究对象,针对其风压分布变化梯度较大的问题和GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》关于大尺度平屋盖风压分区规定的不完善,围绕大尺度平屋盖风压分区问题,在得到各种风向下风压测点最不利极值风压的基础上,利用最短距离聚类法对风压测点分区,得到不同分区类数下的分区方案,用基于质量系数的聚类有效性评价法确定最佳聚类数及最佳分区方案,并采用面积权重法给出大尺度平屋盖分区风压系数。研究结果表明：大尺度平屋盖聚类最优风压分区类数为3;大尺度平屋盖角部大致在10%屋盖跨度范围内,属于风敏感部位,设计、施工时需特别注意;整个屋面平均风压系数会导致大尺度平屋盖中部偏于保守设计,角部低估了风荷载;在进行大尺度平屋盖抗风设计时,应先确定极值风压分区,并针对不同部位分别进行设计和施工。通过与规范平屋盖分区方式、常用分区方式确定的分区风压系数对比显示,聚类最优风压分区较其他方式确定的分压风压系数结果更为合理。     

Peak factor estimation method of non-Gaussian wind pressures on long-span tri-centered cylindrical roof structures

Claddings are susceptible to damage due to underestimation of extreme wind-induced surface pressures. Commonly accepted methods for estimating the peak factor (an input used to determine cladding design loads) involve complex calculation-intensive procedures. This research develops a four-parameter unified auto-spectral model of wind pressure to simplify peak factor estimation of wind-induced surface pressure via analysis of wind tunnel wind load data on tri-centered cylindrical roofs. Values of the model parameters were identified via statistical analysis of wind tunnel wind pressure measurement on two long-span tri-centered cylindrical roof structures with different curvatures. The study identified roof regions with non-Gaussian features by inspecting probabilistic density functions of the standardized wind-induced roof pressures and the third- and fourth-order statistical moments of wind pressure time histories. The paper ultimately proposed and evaluated a simplified method for estimating the peak factors in the non-Gaussian regions, the Three-parameter Hermite Model, derived through the moment-based Hermite Model, the Revised Hermite Model, and the parameter simplification accomplished in this study. The results show that the auto-spectral model of wind-induced roof pressures can accurately estimate the zero- and second-order spectral moments, which reflects the wind pressure fluctuating characteristics and geometric features of spectral curves. Compared with the peak factors of the moment-based Hermite Model and the Revised Hermite Model, the peak factor errors estimated by the Three-parameter Hermite Model are all less than 10%. These results suggest that the Three-parameter Hermite Model simplifies the calculation with acceptable accuracy.     

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.     

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。     

大跨度屋盖结构的等效静风荷载

采用完全二次型组合(CQC)方法可以对复杂大跨度屋盖结构的风振响应做精确的分析,但由于此类结构存在模态密集、模态间耦合等问题,在等效静风荷载(ESWL)计算方面,适用于高层建筑结构顺风向抖振分析的阵风因子法对于此类结构并不适用,故ESWL的计算要复杂得多。本文结合刚性建筑模型的风洞同步多点测压试验,提出了测点影响系数(TIC)方法实现了测点风压系数向结点荷载的快捷转换,在采用CQC方法精确分析结构风振响应的基础上,将模态响应进行组合而形成一组等效的时变荷载,从而将原来复杂的动力学问题转换为简单的准静态问题,最后应用荷载响应相关(LRC)方法计算了结构的等效静风荷载。本文方法适用于任意复杂结构的ESWL计算,将其应用于某奥运场馆的风振分析和ESWL计算,结果显示了这种方法的有效性。     

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.     

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。