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中国是世界上风灾最严重的国家之一,每年因风灾造成的经济损失高达数百亿元。历次风灾调查报告显示,村镇地区低矮房屋由于抗风能力不足而发生的倒塌破坏是造成风灾损失的主要原因。目前,村镇低矮房屋的风致破坏机理已经基本明确,在强风中低矮房屋屋面系统往往最先受到破坏,导致房屋内压发生变化,房屋主体结构在内、外压的共同作用下发生倒塌。因此,提高低矮房屋屋面系统抗风能力对减少村镇建筑风灾损失具有重要意义。传统的低矮房屋屋面抗风方法主要以提高屋面系统整体性或增加屋面围护结构重量为主,这两种方法存在作用有限、经济成本高、施工复杂等缺陷。气动抗风装置作为一种新型的抗风措施,因其成本低、安装简便、减压效果明显等优点受到了国内外学者的广泛关注,然而目前此类装置对于屋面风压的影响缺少系统性的研究,没有可用于实际的设计方法,并且此类装置对于低矮房屋风灾损失的影响目前未知。针对以上问题,本文以扰流板气动抗风装置为研究对象,针对村镇建筑中常见的低矮双坡房屋,通过大量风洞试验及流固耦合模拟,系统研究了扰流板对双坡房屋屋面风压的影响及扰流板与流场间的耦合效应,给出了扰流板设计方法,提出了适用于安装扰流板房屋的围护结构风灾损失评估方法,并应用此方法评估了安装扰流板群体房屋的风灾损失。本文具体内容如下:
(1)开展了村镇建筑风洞试验研究,分析了中国村镇建筑中常见的低矮双坡房屋屋面风压,验证了扰流板抗风装置减小低矮双坡房屋屋面风压的有效性,通过大量试验工况,系统研究了扰流板宽度、高度、与屋面夹角等几何因素对屋面平均风压、极值风压的影响,得到了不同位置扰流板在屋面的影响区域,并从流场角度揭示了扰流板几何因素对屋面风压的影响机理,在此基础上给出了扰流板抗风装置几何因素与布置方式的设计建议。
(2)开展了扰流板本体风荷载风洞试验研究,应用扁平矩形盒作为中空扰流板,在扰流板中布置测压管同时测量扰流板上、下表面风压,给出了扰流板上、下表面风压以及净风压分布,总结了扰流板升力系数随风向角的变化趋势,将扰流板所受风荷载考虑进屋面系统,研究了扰流板对于屋面系统整体上升力以及扰流板影响区域局部上升力的影响,并基于试验结果给出了扰流板支座的设计建议。
(3)对屋檐处安装扰流板的平屋面房屋开展了流固耦合数值模拟研究,通过改变扰流板弹性模量控制扰流板变形,研究了扰流板与流场间的耦合效应对屋面局部风压、扰流板上升力以及扰流板周围流场的影响。
(4)基于流固耦合模拟结果,提出了考虑流固耦合效应的屋面风压及扰流板变形的简化公式计算方法,应用上述方法计算了三种不同坡度的低矮双坡房屋屋面风压与扰流板变形,将计算结果与数值模拟结果进行对比,验证了屋面风压及扰流板变形简化公式计算方法的正确性。基于上述两种计算方法,提出了扰流板刚度设计方法,并应用此方法为中国东南沿海地区一座实际村镇建筑安装了扰流板抗风装置。
(5)开展了安装扰流板低矮房屋的风灾损失研究,对安装扰流板的群体房屋屋面风压进行模拟,给出了屋面风压分布规律。基于已有的屋面结构破坏模型和风致碎片撞击模型,提出了适用于安装扰流板房屋的围护结构风致破坏评估方法。应用此方法,研究了扰流板对群体房屋围护结构风致破坏的影响,提出了扰流板在群体房屋中的应用建议。基于群体房屋风致破坏模拟结果,结合村镇建筑经济损失评估模型,评估了厦门市芸美村村镇建筑在50%以及80%抗风装置安装率下的风灾经济损失,证明了安装扰流板气动抗风装置对于减小村镇建筑风灾损失具有实际意义。
(1)开展了村镇建筑风洞试验研究,分析了中国村镇建筑中常见的低矮双坡房屋屋面风压,验证了扰流板抗风装置减小低矮双坡房屋屋面风压的有效性,通过大量试验工况,系统研究了扰流板宽度、高度、与屋面夹角等几何因素对屋面平均风压、极值风压的影响,得到了不同位置扰流板在屋面的影响区域,并从流场角度揭示了扰流板几何因素对屋面风压的影响机理,在此基础上给出了扰流板抗风装置几何因素与布置方式的设计建议。
(2)开展了扰流板本体风荷载风洞试验研究,应用扁平矩形盒作为中空扰流板,在扰流板中布置测压管同时测量扰流板上、下表面风压,给出了扰流板上、下表面风压以及净风压分布,总结了扰流板升力系数随风向角的变化趋势,将扰流板所受风荷载考虑进屋面系统,研究了扰流板对于屋面系统整体上升力以及扰流板影响区域局部上升力的影响,并基于试验结果给出了扰流板支座的设计建议。
(3)对屋檐处安装扰流板的平屋面房屋开展了流固耦合数值模拟研究,通过改变扰流板弹性模量控制扰流板变形,研究了扰流板与流场间的耦合效应对屋面局部风压、扰流板上升力以及扰流板周围流场的影响。
(4)基于流固耦合模拟结果,提出了考虑流固耦合效应的屋面风压及扰流板变形的简化公式计算方法,应用上述方法计算了三种不同坡度的低矮双坡房屋屋面风压与扰流板变形,将计算结果与数值模拟结果进行对比,验证了屋面风压及扰流板变形简化公式计算方法的正确性。基于上述两种计算方法,提出了扰流板刚度设计方法,并应用此方法为中国东南沿海地区一座实际村镇建筑安装了扰流板抗风装置。
(5)开展了安装扰流板低矮房屋的风灾损失研究,对安装扰流板的群体房屋屋面风压进行模拟,给出了屋面风压分布规律。基于已有的屋面结构破坏模型和风致碎片撞击模型,提出了适用于安装扰流板房屋的围护结构风致破坏评估方法。应用此方法,研究了扰流板对群体房屋围护结构风致破坏的影响,提出了扰流板在群体房屋中的应用建议。基于群体房屋风致破坏模拟结果,结合村镇建筑经济损失评估模型,评估了厦门市芸美村村镇建筑在50%以及80%抗风装置安装率下的风灾经济损失,证明了安装扰流板气动抗风装置对于减小村镇建筑风灾损失具有实际意义。