破坏性旋涡诱导下马鞍与平屋盖表面风荷载机理研究

摘要

风灾是自然界中影响较大的灾害之一。大跨屋盖结构由于其本身的形态特点，多数处在大气边界层的底部，此区域内风速变化大且湍流度较高，结构周围的来流分离、绕流运动复杂，屋盖表面将形成各种尺度的旋涡，其中最著名的两种有组织且破坏性较强的旋涡是分离泡和锥形涡。在这两种旋涡作用下，强烈风吸力将对大跨屋盖表面造成巨大的抽吸效应从而引起分离区局部破坏，最终屋盖将整体失效。因此，要提高大跨屋盖的抗风性能，了解屋盖表面的风荷载机理是进行抗风设计的基础和首要任务。鉴于以上实际情况，本文以大跨平屋盖和马鞍屋盖(曲面屋盖)为载体，以旋涡作用下屋盖表面的风压特性和旋涡诱导下强风吸力的产生机理为研究目标，开展了一系列研究：
　　通过平屋盖刚性模型风洞测压试验，研究了分离泡作用下大跨平屋盖表面的风压分布及脉动特性，基于此，对分离泡作用下的平屋盖进行了分区，给出了各分区的体型系数，保证了旋涡作用下大跨屋盖的抗风安全性，为修订我国《建筑结构荷载规范》中低矮房屋体型系数提供了理论参考。
　　考虑到马鞍结构本身的特殊性，本文通过马鞍屋盖刚性模型风洞测压试验，对不同风向下的马鞍表面风压分布进行了研究，发现当来流以马鞍低点作为迎风点时，锥形涡现象并未发生；当来流以马鞍高点作为迎风点时，马鞍屋盖表面会形成典型的锥形涡现象。通过实测风压的三阶矩和四阶矩划分了马鞍屋盖表面的风压高斯区与非高斯区，分析了各工况下风压非高斯特性的产生机理。根据屋盖表面的风压幅值和风压相关性，说明了马鞍屋盖的最不利风向是沿马鞍高点连线方向。在此最不利风向下，本文不再局限于传统的点压力，分析了马鞍屋盖表面的面积平均风压分布，计算了各附属面积上的峰值风荷载，基于此，给出了适用于屋盖覆面材料和围护结构抗风设计的拟合公式。
　　根据大跨屋盖表面的实测风压对现有点涡模型、兰金涡模型及Cook公式的适用性进行了评估，结果发现：在平屋盖表面，兰金涡模型和Cook公式的预测效果较好，基于势流理论的点涡模型给出的预测结果偏低；在马鞍屋盖表面，三种模型的预测结果大体能够反映真实风压剖面的变化趋势，但在流动分离区内预测结果相比实测值普遍偏低，在靠近屋盖对角线处，预测效果较好。
　　锥形涡并非静止不动，而是不断在进行着左右摇摆运动，本文根据大跨屋盖刚性模型测压试验结果，基于已有旋涡模型，研究了湍流场中锥形涡涡轴运动形式，量化了涡轴运动及屋面风压脉动之间的关系。此外，分析了均匀流场下锥形涡所特有的转换现象，给出了转换现象所引起的屋面风压脉动形式。
　　在国内率先通过流场测量试验(PIV)直观展现了平屋盖和马鞍屋盖表面的分离泡和锥形涡现象，验证了锥形涡的左右摇摆运动，对比了不同风向下大跨屋盖表面锥形涡的形态特征，发现当风向由沿屋盖对角线逐渐变化至偏离屋盖对角线时，在靠近来流的一侧，锥形涡截面形状由圆形变换为椭圆形。此外，在相同的风向角作用下，曲率较大的马鞍表面锥形涡涡轴与屋盖迎风前缘所成角度也较大，曲率较小的马鞍表面锥形涡涡轴与迎风前缘所成角度较小。
　　基于现有的兰金涡模型，通过PIV实测旋涡流速对其进行改进，建立了简化的二维锥形涡流动模型，给出了旋涡上部流速、旋涡内部流线曲率以及屋面涡核吸力之间的定量关系。据此流动模型，量化分析了屋盖表面强吸力的产生机理；分析了旋涡强度的影响因素即为旋涡内部流线曲率和旋涡流速：旋涡内部流线曲率越大，旋涡转速越快，旋涡强度越犬。通过PIV实测旋涡流速和各旋涡参数，量化了各风向下大跨屋盖(平屋盖和马鞍屋盖)表面的锥形涡和分离泡强度，并对准定常理论进行修正，最终实现了对大跨屋盖(平屋盖和马鞍屋盖)表面锥形涡、分离泡涡核吸力(均值、峰值)的有效预测。