台风作用下低矮房屋风荷载现场实测和风洞试验及理论分析研究

摘要

我国是世界上受台风影响最严重的国家之一,每年登陆我国东南沿海地区的台风平均次数为8.9个。台风所造成的人员伤亡和财产损失主要由台风风致灾害所造成的,风致灾害中绝大多数为居民房屋及低矮建筑风损破坏和倒塌。本文针对台风风致灾害中低矮建筑的风损和风毁问题,应用现场实测、风洞实验及理论分析相结合的方法,对台风作用下近地台风风场特性和低矮建筑风荷载进行了深入、系统的研究。本文主要研究内容及成果如下:
　　(1)基于近海岸台风观测系统,获取了登陆台风10m高度三维风速数据,对在近海岸地貌强风条件下,10m高度的风特性和湍流特性进行了统计分析。各向湍流强度Iu、Iv、Iw均值范围分别为0.11-0.14、0.06-0.11和0.03-0.05。阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而相应减少。
　　(2)基于平坡屋面实验房及台风观测系统,获取了近地台风风速实测数据,从来流不同地貌和台风不同区域影响的角度,对台风风场近地湍流特性进行了分析。台风外围大风区域10m高度的各向湍流强度、积分尺度、阵风因子大于台风眼壁区域实测值。台风眼壁区域的顺风向和竖向脉动风速功率谱值与台风外围区域实测功率谱值差别不大,而台风眼壁区域的横风向脉动风速功率谱值大于台风外围区域实测谱值。
　　(3)基于双坡屋面实验房及台风观测系统,获取了近地台风风速实测数据,对近地边界层台风风场特性进行了研究。近地边界层100m高度范围内的平均风速剖面符合对数律和指数律分布,平均湍流强度剖面符合指数律。与良态季风条件下相比,台风风剖面参数如摩擦速度值、地面粗糙度长度、风剖面幂指数值等相对变大;台风天气条件下实测的平均湍流度相对季风实测值增大20%以上。
　　(4)基于平坡型实验房获取的近地风速和房屋表面风压同步实测数据,对平坡屋面角部区域的风压规律和风压影响因素进行了研究。在斜向强风作用下,屋檐角部区域实测最大峰值负压为-4240.0Pa,峰值负压系数最小值为-13.5。ASCE7-10规范规定值低估了屋檐角部区域的峰值负压。分析了角部区域峰值压力在时间和空间的平均效应。探讨了不同来流湍流强度和湍流积分尺度及竖向风攻角对角部区域风压的影响。
　　(5)基于双坡屋面实验房获取的台风风速和双坡屋面表面风压同步实测数据,对双坡屋面风压分布规律进行了研究。在斜向风作用下,迎风屋面屋脊角部边缘测点、屋檐角部区域具有较高的局部峰值负压和脉动风压,风压系数的概率分布为非高斯分布。并运用非高斯峰值因子极值分析方法对屋檐和屋脊角部区域的风压进行了极值分析,最后将屋檐和屋脊角部区域的峰值负压系数的实测值及极值分析的结果与ASCE7-10规范规定值进行了比较,发现ASCE7-10规范低估了屋檐和屋脊角部边缘区域的峰值负压。
　　(6)以平坡屋面和双坡屋面实验房现场实测结果为基准,开展了两实验房的模型测压风洞试验研究。在受气流分离和锥形旋涡影响下的屋面屋檐和屋脊区域的峰值负压及脉动风压的风洞实验值与现场实测值存在较大差异,风洞实验结果低估了屋面屋檐和屋脊区域的峰值负压和脉动风压。同时开展了不同流场条件、不同坡度屋盖形式和屋面建筑构造对屋面风荷载影响的相关风洞实验研究。
　　(7)基于现场实测研究结果,应用准定常理论分析了屋面角部区域的等效静态风压系数、脉动风压系数和脉动风压谱。准定常法预测的等效静态风压系数与平均风压系数存在较大差异。准定常方法相对低估了平坡屋面角部区域脉动风压系数。屋脊和屋檐角部区域的脉动风压谱预测值与实测值在低频范围内相对吻合较好,在高频范围脉动风压预测谱低估其实测谱。根据香港天文台横澜岛观测站实测台风风速资料,考虑各年台风发生频次不同,运用复合极值Poisson-Gumbel模型分析了台风多发地区的极值风速。证明了采用复合极值Poisson-Gumbel模型统计分析极值风速结果相对合理。最后根据等效静态风压系数和极值风速分析结果,分析了台风多发地区的低矮建筑平坡屋面的极值风压。
　　本文的研究成果,可为台风多发地区低矮建筑的覆盖物及构件的抗风设计及相关风荷载规范的修订提供参考依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:插图索引、附表索引

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 低矮建筑风荷载研究现状及进展

1.2.1 近地台风风特性现场实测研究

1.2.2 低矮建筑风效应的现场实测研究

1.2.3 低矮建筑风效应的风洞试验研究现状

1.2.4 数值风洞模拟研究

1.3 研究问题提出和意义

1.4 本文的主要研究内容

第2章 近地面台风风特性研究

2.1 台风观测及数据判定

2.1.1 台风观测系统及场地条件

2.1.2 台风观测及路径

2.1.3 实测风速数据质量控制

2.2 近地边界层风特性

2.2.1 平均风速和风向

2.2.2 平均风速剖面

2.2.3 湍流特性

2.3 台风风特性分析

2.3.1 平均风特性

2.3.2 湍流特性

2.3.3 湍流参数相关性

2.4 小结

第3章 台风作用下平坡型实验房风荷载现场实测研究

3.1 实测系统及台风观测

3.1.1 平坡实验房实测系统

3.1.2 场地条件

3.1.3 测点与风压系数定义

3.1.4 台风观测

3.2 台风风特性实测结果分析

3.2.1 地面粗糙度估计

3.2.2 平均风特性

3.2.3 湍流特征参数

3.2.4 湍流参数与平均风速

3.2.5 湍流参数相关性

3.2.6 脉动风速功率谱分析

3.3 平坡屋面风压实测结果分析

3.3.1 屋面角部区域风压分析

3.3.2 时间与空间的平均

3.3.3 湍流积分尺度和湍流强度影响

3.3.4 竖向风攻角的影响

3.3.5 非高斯性

3.3.6 风压系数和峰值因子概率分布

3.4 非高斯峰值因子极值分析方法

3.5 小结

第4章 台风作用下双坡型实验房风荷载现场实测研究

4.1 实测系统及台风观测:

4.1.1 实测系统

4.1.2 场地条件

4.1.3 测点布置及风压定义

4.1.4 台风观测

4.1.5 数据检验和验证

4.2 近地边界层风特性

4.2.1 平均风速剖面和湍流度剖面

4.2.2 湍流参数统计

4.2.3 湍流强度与阵风因子

4.2.4 湍流相关性分析

4.2.5 脉动风速功率谱分析

4.3 双坡屋面风压现场实测结果分析

4.3.1 风压样本和风场特性

4.3.2 风压测试结果验证

4.3.3 屋檐、屋脊测点风压分布

4.3.4 90度风压系数分布

4.3.5 34度风压系数分布

4.3.6 局部风压分布

4.3.7 竖向风攻角对风压影响分析

4.4 脉动风压功率谱分析

4.5 峰值负压系数极值分析

4.6 小结

第5章 低矮建筑风洞试验研究

5.1 风洞试验

5.1.1 风洞试验设计

5.1.2 近地风场模拟

5.1.3 测点布置和风压系数定义

5.1.4 风洞实验概况

5.2 平坡型实验房风洞试验结果分析

5.2.1 平坡屋面风压分布

5.3 双坡屋面实验房风洞试验结果分析

5.3.1 双坡屋面整体风压分析

5.3.2 双坡屋面屋檐和屋脊角部区域风压分析

5.4 风洞试验与现场实测结果比较分析

5.4.1 平坡屋面风洞试验与现场实测结果比较分析

5.4.2 双坡屋面风洞试验与现场实测结果比较分析

5.5 不同比例模型的影响

5.5.1 屋面中部区域风压系数比较

5.5.2 屋面角部区域风压系数比较

5.6 低矮建筑风荷载影响因素分析

5.6.1 不同屋面坡度的影响

5.6.2 不同湍流强度对屋面风压影响

5.6.3 建筑构造措施对屋面风压影响

5.7 小结

第6章 台风作用下低矮建筑风荷载理论分析

6.1 准定常理论分析

6.1.1 准定常方法

6.1.2 角部区域脉动风压系数准定常分析

6.1.3 等效静态阵风风压系数分析

6.1.4 脉动风压实测谱与预测谱比较

6.2 峰值压力系数的极值Ⅲ型分析

6.2.1 分析样本选取

6.2.2 广义极值分布

6.2.3 极值分析结果

6.3 复合极值分析极值风速

6.3.1 Poisson-Gumbel复合极值分布模型

6.3.2 台风盛行区域风速样本选取

6.3.3 Poisson-Gumbel模型参数估计

6.3.4 极值风速分析

6.4 台风地区设计低矮房屋风荷载计算

6.4.1 未考虑风向影响的极值风荷载计算

6.4.2 考虑风向影响的极值风荷载计算

6.4.3 台风地区低矮房屋的风荷载计算算例

6.5 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)