考虑幕墙开孔的屋盖结构风洞试验及理论分析研究

发布时间：2019-11-08 09:00

【摘要】：随着社会经济的发展和科技的进步，各种造型独特、结构新颖的空间结构大量涌现。大跨屋盖结构因其具有优美的造型和良好的性能，被广泛应用于各种大型公共建筑中，由于这些建筑物大多具有质量轻、柔性大、阻力小等特点，对风荷载敏感，风荷载往往成为其结构设计的主要控制荷载。此外，由于建筑物部分门窗的开敞或突然开孔导致的内压增大对屋盖结构的安全会产生较大的影响。大量风灾调查表明，屋盖结构的风致破坏在很大程度上都是由于内外压的联合作用所引起的。然而目前人们对内压变化的产生机理及评估尚处于研究阶段，在进行结构的抗风设计时，国内外现行荷载规范仅是提出名义封闭或者开敞时的内压系数建议值，因此开展屋盖结构风致内压的研究具有极其重要的学术意义和工程应用价值，也是现代结构风工程领域研究的热点之一。 本文通过对复杂体型的鱼形屋盖在台风风场与A类常规风场下进行了风洞对比试验研究，发现迎风屋檐的脉动风压明显大于屋面其它区域。不同湍流度下屋盖结构的风荷载存在较大的差异，屋盖在高湍流度下（台风风场）的风荷载比常规A类风场明显要大。建议在台风多发地区的建筑，特别是体型复杂的重要建筑，对结构风荷载的评估除了按照规范常规要求进行设计外，通过台风风场的风洞试验加以验证很有必要。 基于吉林火车站的风洞试验，研究了屋盖的风荷载分布特性，发现较大的吸力均分布在迎风屋檐、屋盖角区和主站楼凸起的天窗附近。由于气流在高度较低处的湍流特性较大，，更容易受周边地貌的影响，因而站台雨棚的升力系数受周边建筑的干扰效应较为明显。在屋盖的气流分离区域，因存在较大的负风压，风压的概率分布向负压段延伸，建议对于屋盖不同的紊流强度区域应取不同的峰值因子，在高紊流区域峰值因子可取3.0~4.0，在低紊流区域峰值因子可取2.5~3.0。 对比昆明南站风洞试验结果与荷载规范规定值，发现当立面入口封闭时主站房屋面大部分区域的体型系数与荷载规范规定值大小相当，但在悬挑屋檐及屋面棱角处，体型系数明显大于规范规定值；当考虑有立面入口门洞时，屋面风载体型系数均大于规范规定的名义封闭下的体型系数。在主站房与站台雨棚边缘区域，脉动风压概率密度分布函数体现出较为明显的非高斯分布特性，在尾部负压区域更为显著。 对有双面幕墙开孔结构的内压传递方程进行了推导，并从理论上阐述了背立面开孔时对内压附加阻尼效应的影响。分析了孔口等效阻尼比eq随幕墙开孔面积、建筑内部容积、参考风速及孔口处风压高度变化系数等参数的变化趋势。同时对开孔结构发生Helmholtz共振与立面幕墙开孔率的关系进行了探讨。 通过刚性模型风洞试验对不同建筑内部容积、幕墙开孔面积、开孔位置及屋盖矢跨比的大跨屋盖结构的风荷载进行了系统的分析研究，并探讨了这些参数对屋盖等围护结构风荷载特性的影响。通过对内压测点的脉动风压功率谱分析，发现开孔结构内部风压谱不仅包含了大气湍流中的能量成分，同时也包含了由于孔口阻尼特性引起的特征湍流的成分。对考虑有多面幕墙开孔的内压理论估算公式进行了推导，并将试验值与理论估算值进行了对比。 通过对屋盖结构的风致响应分析发现对于本身刚度较大的屋盖结构，风致响应的大小主要取决于屋盖的自振频率，而幕墙开孔率大小的变化对风致响应的影响并不是很明显。将传统的风振系数计算方法与采用目标概率法得到的位移风振系数进行对比发现对于脉动风影响较为显著的屋盖区域，利用传统的风振系数计算方法可能会过于低估脉动响应的影响，对结构设计是偏于不安全的。 本文以风洞试验为主，结合理论分析详细研究了屋盖结构的风荷载特性和考虑幕墙开孔时建筑内部风效应及屋盖风致响应。研究成果可为屋盖结构的抗风设计及荷载规范相关条文的修订提供参考依据。
【图文】：

国内具有代表性的大跨度建筑

(e) 美国亚特兰大乔治亚州穹顶 （f）加拿大蒙特利尔体育场图 1.2 国外具有代表性的大跨度建筑.2 结构风工程概述.2.1 大气边界层风场特性风是空气相对于地表面的运动，由于地球表面大气受太阳的加热不匀，导球相同高度两点间的温度、空气中的水蒸气含量存有差异，产生温度差和气，使不同压力差的地区之间产生趋于平衡的空气流动，这就是自然界风的形。由于在地球表面，受到地表摩擦力和地物阻力等的影响，空气的流动速度慢，这种影响随着高度的增加而减小，当达到一定的高度时，自然风受地面响可以忽略，风速趋于平稳，此高度为大气边界层高度或者梯度风高度，此以下为大气边界层。它随着气象条件、地面粗糙度、地形等因素的变化而变化般在300 ~1000米之间。绝大多数工程建筑均处于大气边界层内，因此大气边内风的基本特性是结构风工程最为关心的关键问题。根据顺风向大量实测风
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU231;TU312.1

【参考文献】

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3 王珩,孙炳楠,楼文娟,沈国辉,林书明,金琨;台州体育中心屋盖的风振系数计算[J];工业建筑;2005年04期

4 刘锡良,周颖;风荷载的几种模拟方法[J];工业建筑;2005年05期

5 李庆祥;孙炳楠;沈国辉;翟林海;;湖州大剧院屋盖及幕墙的风荷载分布特性[J];哈尔滨工业大学学报;2006年09期

6 李秋胜;陈伏彬;傅继阳;谢壮宁;;大跨屋盖结构风荷载特性的试验研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2009年08期

7 卢春玲;李秋胜;黄生洪;李正农;;大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2010年10期

8 顾明,朱川海;大型体育场主看台挑篷的风压及其干扰影响[J];建筑结构学报;2002年04期

9 武岳,郭海山,陈新礼,沈世钊;大跨度点支式幕墙支承结构风振性能分析[J];建筑结构学报;2002年05期

10 顾明 ,黄鹏 ,杨伟 ,汪大绥 ,周建龙;上海铁路南站平均风荷载的风洞试验和数值模拟[J];建筑结构学报;2004年05期

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本文编号：2557764