低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟-精品文档

低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟

基金项目：国家自然科学基金项目( 50578013)；陕西省

自然科学基础研究计划项目(2012JQ7014)；西安市建设科技项目

( SJW201201)

0 引言四坡屋面房屋是民用建筑中广泛采用的房屋形式。部分低层

房屋，如目前开发应用的冷弯薄壁型钢结构房屋及其屋面材料向着轻质高强的方向发展，且房屋的体型及屋面形式复杂多变，其风荷载特性研究是建筑物抗风设计的重要方面。历次的台风灾害调查表明，屋面破坏是低层四坡屋面房屋的主要破坏形式之一

[1] 。

Endo等［2］对TTU标准低层建筑模型进行了风洞试验研究。

文献［3］〜［7］中的相关研究表明：屋面的局部峰值风压一般出现在迎风屋檐或屋脊附近，其峰值大小与屋面坡度有直接关系；在相应风向角下，屋脊处的峰值吸力随着屋面坡度的增加而增大；而迎风屋檐处的峰值吸力则随着屋面坡度的增加而减小。

Meacham［8］通过试验对比分析了双坡屋面和四坡屋面的风压分

布情况，得出在屋面坡度为18.4°的情况下，四坡屋面房屋的

抗风性能要优越于双坡屋面房屋。Xu等［9］对四坡屋面低层房屋

模型进行了风洞试验，并将试验结果与文献［7］中的双坡屋面试

验结果进行对比分析。中国学者大多采用数值方法对低层房屋的

风荷载特性进行研究，相关风洞试验开展的相对较少。顾明等

[1012] 对低层双坡房屋模型进行了风洞试验研究和数值模拟，研究了各影响因素对屋面平均风压的影响。陈水福等[1315] 采用数值方法对低层双坡屋面和四坡屋面的风荷载进行了数值分析。

绪红等[16] 采用数值方法较系统地研究了不同影响因素对双坡载规范》（GB50009—2012）[17] （以下简称荷载规范）中仅给出了考虑屋面坡度的双坡屋面体型系数，对于四坡屋面的体型系数及其他影响因素均未提及。

屋面房屋风压系数及体型系数的影响。中国现行的《建筑结构荷本文中笔者首先对低层四坡屋面房屋进行风洞试验，进而采用FLUENT软件平台，选用基于Reyn olds时均的RNGk e湍流模

型对其进行数值分析（k 为湍动能，e 为湍流耗散率），较系统地研究来流风向角、屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和房屋长宽比对屋面风压系数以及建筑物各面体型系数的影响，进而提出房屋体型系数的建议取值。

1 风洞试验概况

1.1试验模型及测点布置

风洞试验模型为刚体模型，采用3mm厚的有机玻璃制作，

几何缩尺比为1 : 50,在风洞中的阻塞率小于3%满足风洞试验

要求，见图1。模型具有足够的强度和刚度，保证了压力测量的

精度。

风洞试验模型的原始尺寸为15 mx 12.8 m x 9.9 m，挑檐长

度b=0.9 m 模型1和模型2的屋面坡度9分别为30°, 15°,

0°〜90°每隔15°风向角为一个试验工况。模型 1缩尺模型尺 寸及测点布置见图2。对房屋各表面进行定义：风向角3 =0°时,

迎风屋面为 T1 面,背风屋面为 T2 面,左侧风屋面为 T3 面,右 侧风屋面为T4面，迎风墙面为Y 面，背风墙面为B 面，左侧风 山墙面为C1面，右侧风山墙面为 C2面。

试验采用被动方法模拟风场。 荷载规范中规定大气边界层中

的风速剖面以幂函数表示,即

风洞试验中,参考点高度为 0.917 5 m ,对应于实际高度为

45.875 m 试验直接测得的各点风压系数都是以该高度处的风压

为参考风压，试验风速取为 13 m -s-l o

1.2 试验结果

1.2.1 风压系数等值线

在风洞测压试验及数据处理中， 根据各测压点风压和参考点 处的总压和静压，按式（ 2），（3）计算以试验参考点处的动压

为参考风压的各测压点量纲一的风压系数和脉动风压系数

： Cpir 为以试验参考点处的动压为参考风压的第 i 测 点处的风压系数； Cpirmsr 为以试验参考点处的动压为参考风压

式中：U 为离地面高度Z 处的风速;

Z0为参考高度；a 为 地面粗糙度指数；U0为参考高度处风速;

Z 为测压点高度。 本文中仅对B 类地貌风场进行模拟,

a =0.15。大气边界层 几何相似比和模型相似比一致，均为

1 : 50。

式中

的第i 测点处的脉动风压系数；pi 为试验中第i 测点处的风压；

pro , prX分别为试验参考点处的总压和静压；qr为参考点处的动压，qr=pr0- prx；p为脉动风压均方根。

为方便比较分析，取10 m高度处风压为参考风压，将风洞

试验中直接测得的风压系数按式（4）换算成以B类地貌风场、

10 m 高度处风压为参考风压的风压系数

式中：Cpi 为以10 m 高度处风压为参考风压的第i 测点处

的风压系数（平均风压系数Cpimean或脉动风压系数Cpirmsr）；

Zr 为试验参考点高度。模型1，2 的风压系数等值线分

别见图3，4。

1.2.2体型系数

各测压点局部风荷载体型系数卩si由试验所测得的以10 m 高度处风压为参考风压的各测压点的平均风压系数，按式（5）计算而得

式中：Pimean为测点i处10 min平均风荷载。

屋面体型系数U s为风压系数对所在面进行面积加权平均

后的结果，计算公式为

式中：Ai 为第i 点所属表面面积。

模型各面体型系数随风向角变化曲线见图5。

2 数值分析

2.1控制方程

当前应用最广的钝体绕流问题的控制方程是基于RANS勺