平屋盖低矮房屋风荷载特性实测与实验研究

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风灾为最常见的自然灾害之一,每年在我国会造成大量的人员伤亡和财产损失,这些损失大多并不是由风直接引起的,而是由于强风作用下房屋建筑的局部损坏或者整体倒塌所致。风灾中损毁的绝大多数建筑为低矮房屋,主要破坏形式为屋面迎风边缘覆面构件的局部损坏或者屋盖结构的整体破坏。本文通过现场实测系统获得了强热带风暴登陆前后的风速和风压数据,分析了强风环境下的近地风场特性和平屋盖低矮房屋屋面迎风角部的风荷载特性,通过风洞试验分析了屋面特征湍流的基本特征,并通过屋盖迎风角部不同大小和形状的开孔,探讨了风致内压特性,本文的主要研究成果如下:证明了风工程界自然风平稳性假定的适用性,顺风向脉动风速的概率密度分布与高斯分布匹配较好,而横风向脉动风速的概率密度分布在正负方向尾部分别向左和向右偏离高斯分布,顺风向脉动风速分量中含有较多的大尺度旋涡,而横风向脉动风速分量中的高频能量更加突出。10m高处实测B类地貌顺风向湍流强度的范围为0.12~0.17,平均值为0.14,横风向湍流强度的范围为0.09~0.13,平均值为0.11;实测A类地貌顺风向湍流强度的范围为0.08~0.15,平均值为0.11,横风向湍流强度的范围为0.07~0.12,平均值为0.09;顺风向湍流强度的实测值与荷载规范中的取值相当,但是由于现实中地形地貌变化多端,使得实测结果波动性较大。来流斜风向作用下,由于锥形涡的影响,屋面迎风角部承受极强的风吸力作用,实测风荷载体型系数幅值的最大值能达到规范规定值的八倍,显然荷载规范低估了实际的风荷载作用,屋面风压脉动与来流风速和风压有密切关联,但是风向角对风压系数的变化起主要作用。分离泡作用下,屋面平均风压系数和脉动风压系数关于屋脊线大致呈对称分布,且迎风边缘附近的绝对值较大,越是往后风压系数的绝对值越小;随着高度的增加,湍流强度有所降低,再加上迎风墙面上驻点到迎风屋盖前缘的长度尺度的增大,使得平均风压系数绝对值有增大的趋势,而脉动风压系数则有稍许的减小;只有在一定的风向角范围内才有锥形涡形成,在20°~70°风向角范围内,迎风短边和迎风长边两侧均出现了锥形涡,平均风压系数和脉动风压系数在两侧均呈锥形分布,成对出现的锥形涡之间不存在相互吸引或其他形式的相互作用,各自独立运动影响各自作用范围内的风压分布。随着风向角的增加,沿短边方向的锥形涡的涡核位置和再附位置均向边缘靠近,沿长边方向的锥形涡则正好相反。且随着风向角的变化,再附位置的变化幅度明显大于涡核位置的变化幅度,用二次曲线对涡核位置和再附位置进行拟合的效果很好;点涡模型低估了这些区域的试验值,通过点涡模型的修正公式对风压剖面进行拟合,结果比较理想;用没有常数项的二次曲线对试验中的涡核高度进行拟合,拟合曲线很好地体现了锥形涡涡核高度与截面位置的关系,并且与实测结果的偏离程度较低。房屋内部风压可认为是均匀分布,由于内外风压的叠加作用,使得屋面上的强风吸力平均值有大幅的减弱,甚至出现正压,脉动净风压减弱程度则较小,内部风压脉动在时域和频域内都具有很高的相关性。房屋内部风压脉动的功率谱均出现了两个明显的谱峰值,一个为旋涡脱落频率,另一个为开孔引起的Helmholtz频率。由于锥形涡作用范围内的外压与内压有很强的相关性,内外压的叠加作用抵消了旋涡的作用,使得净风压的功率谱密度谱峰值出现而旋涡脱落频率处的谱峰值消失了,而Helmholtz共振作用只出现在内压中,因此在净压谱中不会被抵消,且Helmholtz频率并不随风向角变化而变化。
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