平地及坡地下击暴流作用下双面球壳型屋面风荷载特性研究

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由于全球变暖等多种原因,在近些年中,下击暴流等极端气候的产生变得越发频繁。下击暴流发生时,高空冷热气流对流产生的柱状高速下沉气流猛烈的撞击地面,随后向冲击中心各径向四周扩散,形成具有极高径向速度的近地气流,对建筑结构造成冲击作用,会对建筑结构造成巨大破坏。因此,对各类建筑物在下击暴流等异常风荷载作用下的屋面风载特性研究将变得十分必要。大跨屋面结构是目前热门的建筑选择,但因其高度通常较低,在大气边界层中处于风速变化大、湍流度高的区域,这使得下击暴流对其的风载作用更加明显。双面球壳型大跨屋面结构是一种较为新型的大跨结构,与传统球壳型结构相比,双面球壳型结构在风荷载作用下的动力响应相差悬殊,在下击暴流这种极端气候下,其下表面风压甚至会超过上表面风压,对结构造成严重的破坏。为了使双面球壳型大跨屋面结构在下击暴流作用下的风载作用有较为明确的认识,为未来相关的工程设计提供参考作用,同时考虑下击暴流多发于山地的区域特性,本文通过下击暴流风洞试验结合CFD数值模拟的方法,研究了双面球壳型大跨屋面在两种地形条件下的上下屋面风载特性,主要工作与结论如下:(1)以双面球壳型大跨屋面作为研究对象,制作刚性测压模型,通过下击暴流风洞进行了风压测试试验,研究其在平地条件中不同径向位置(r=0.75Djet、1.00Djet、1.25Djet、1.50Djet、1.75Djet、2.00Djet;)的改变对其的上下表面风压分布特性的影响规律;以及在坡地条件下,固定坡地坡口的径向距离位置(坡口位置r=0.75Djet、1.00Djet、1.25Djet、1.50Djet),改变模型距离坡口的位置(U=0mm、150mm、300mm、450mm),研究了模型处于坡地上各位置处的上下表面风压分布规律。(2)采用CFD数值模拟的技术方法,运用ICEM将双面球壳型模型采用六面体结构化网格进行划分,选用雷诺平均法(RANS)对下击暴流进行数值模拟分析。并将数值模拟的结果与风洞试验进行对比,分析其同异性。分析两种地形条件中下击暴流的风场区别,并结合模型周围流场情况,分析各工况下双面球壳型大跨屋面的风压分布情况。(3)将该建筑模型在平地及坡地所测得的平均风压进行对比分析,研究不同地形对其上下屋面平均风压分布的影响规律。研究结果表明:平地工况下径向距离对模型屋面的平均风压有较为显著的影响,越靠近风暴中心,屋面所受到的正压值越大;随径向距离的继续增大,屋面风压开始减小,平均风压由正压转变为负压,并在r=1.25Djet处出现最大负风压,此后屋面风压不再随径向距离的增加发生明显变化。下屋面迎风面在各位置处均为正风压,风压数值随径向距离的增加逐渐减小,但始终保持为正风压;下屋面背风面因其直接接触气流位置较少,基本受气流尾流的影响,故其风压分布为随径向距离的改变出现明显变化,数值基本在0附近波动。坡地地形工况中,当建筑位于坡口位置处时,建筑上屋面的平均风压值随坡口处径向距离的增加而减小,当坡口处径向距离大于1.25Djet后,上屋面平均风压值趋于稳定,此时径向距离的改变不再对其平均风压数值产生明显的影响。模型下屋面迎风面风压随坡口处径向距离的改变有较大的变化,当坡口处径向距离小于1.00Djet时,此时迎风面风压为正值,当坡口处径向距离大于1.25Djet后,此时其迎风面风压转变为负值,并随坡口径向距离的增大负压值逐渐增加。坡上位置对模型风压的影响主要体现在坡口位置为r=0.75Djet时,当坡口距离继续增加,坡上各位置模型的风压不再出现明显的变化。通过将CFD数值模拟结果与下击暴流风洞试验测试结果对比分析发现,屋面整体正负风压分布区域规律较为一致,取屋面中心线上风压数值进行进一步对比分析后得出,二者结果曲线在总体趋势上基本吻合,数值模拟所得风压略大于试验所得,在上屋面迎风面前端等气流分离强烈的区域误差相对较大。
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