四坡低矮房屋屋面风载特性数值模拟研究

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近年来,极端风气候所致低矮建筑风灾呈逐年递增趋势。风灾统计表明,低矮建筑风灾主要由于屋面局部损毁或进而引起整体破坏。我国庭院、亭子等多为四坡低矮建筑,所以,开展四坡低矮建筑屋面风载特性研究具有现实意义。本文基于Ansys Fluent软件,采用标准k??、Realizable k??、RNG k??和SST k??四种湍流模型,在风洞试验成果指导下开展对体型尺寸为24m×16m×4m,屋面坡角为45°的四坡低矮建筑屋面表面风压分布特征及变化规律研究,验证四种模型研究结果可靠性,以及通过对比为后续研究选择最合适的湍流模型。基于此方法对单栋四坡屋面低矮建筑进行了数值模拟研究,以主要房屋参数(屋面坡角、风向角)为变量,分析了在不同坡角以及不同风向角下低矮建筑屋面局部区域风压特性的影响,获得不利工况下迎风屋面局部测点风压峰值,在5°~10°坡度时,房屋A区在0°风向角时所受到的负压最大。在15°~30°时,C区在45°风向角所受风压最大,而30°与45°时,屋脊角部区域在10°与20°风向角时受到最大负风压,在不同坡度下D区尾流角部区域风压随风向角变化逐渐增大。以檐口构造参数与形状为变量,对带檐口四坡低矮建筑屋面风载特性开展研究,获得配置檐口外伸长度为1.5m、2.0m,竖向高度为1.0m、1.5m,能起到降低屋面平均风压的绝对值效果,且L=1.5m,h=1.0m为最有利抗风设计;檐口外伸长度增加能够使屋面平均风压系数的绝对值减小,能够起到降低屋面风压的作用,但设置檐沟较檐口更有利于抗风设计。最后对不同屋面形式的低矮房屋进行了数值模拟,通过风向角,坡角等因素的对比分析,揭示了低矮房屋四坡、双坡、平屋面以及锥形屋面形式的抗风特性,锥形屋面更有利于抗风设计;研究成果可以为我国风灾损失地区低矮建筑抗风设计提供参考。
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