低层冷弯薄壁型钢结构住宅风洞试验研究及数值分析

摘要

本文在对台风区低层房屋破坏情况调查的基础上,对低层冷弯薄壁型钢结构住宅的风荷载特性进行了系统的风洞试验研究和数值分析,本文主要创新点和研究成果如下:
　　 1.对不同屋面形式及房屋体型的低层建筑模型进行风洞试验研究是本文的一个创新点。风洞试验模型建筑体型分为:“一”字形双坡屋面房屋、四坡屋面房屋、“L”型双坡屋面房屋和“T”型双坡屋面房屋,且在试验中考虑了屋面形式、屋面坡度、来流方向、挑檐长度等不同因素对屋面风压分布的影响。详细介绍了刚性测压的试验方法和试验过程,给出了各个模型在不同工况下的屋面风压系数等值线,并提出了各个模型各表面的风载体型系数,进而相互之间进行对比分析。
　　 2.通过专业CFD软件平台Fluent6.3,采用基于Reynolds时均的标准k-ε等湍流模型,对TTU标准低层建筑模型和CAARC标准高层建筑模型的静态绕流的风流场进行计算,分别建立了适用于低层和高层建筑结构的数值风洞模型,并将各湍流模型的计算结果进行比较分析。研究了合理建立适于钝体结构的数值风洞模型的分析方法,包括网格的划分、湍流模型的选取及关键参数设置等。
　　 3.采用RNGk-ε湍流模型,对各单体试验模型的三维风流场分别进行了数值模拟并与相应试验结果对比分析。在试验模型的基础上,较系统地提出了来流风向角、屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和房屋长宽比对屋面风压系数以及建筑物各表面体型系数的影响规律是本文的第二个创新点。数值分析结果表明:迎风墙面均受有正压力,其体型系数受房屋几何尺寸的影响较小,背风面均承受负压力；屋面坡度及檐口高度对屋面风压分布及风压大小均有明显的影响,而挑檐长度的影响较小；屋面的平均风压系数分布和大小与风的来流方向有关。
　　 4.首次对两栋形状完全相同的双坡屋面房屋和四坡屋面房屋在相互干扰作用下进行风洞试验研究和数值分析。提出了两栋双坡屋面和四坡屋面低层房屋在不同间距和风向角下受扰建筑屋面的平均和脉动风压系数,以及各表面体型系数和干扰因子是本文的第三个创新点。当受扰建筑位于施扰建筑的尾流区域时,上游施扰建筑对下游受扰建筑的“遮挡效应”非常明显。当两栋建筑物并列布置时,0°风向角下,两栋建筑物间具有“狭缝效应”,风速增大。
　　 5.对低层建筑开洞结构房屋进行了风洞试验研究与数值分析,提出了开洞结构内外压之间的相互关系、单层双坡屋面房屋墙面开洞位置和开洞率以及建筑物前后墙面同时开洞对房屋内外风压的影响规律是本文的第四个创新点。结果表明:迎风墙面开洞时,单墙面开洞率大小、开洞位置对房屋外表面的风压分布规律和外部风场的影响较小；当开洞墙面为侧风墙面时,房屋的内压系数取决于洞口位置所处区域的流动特性。当房屋前后墙面均开有洞口时,0°风向角下,房屋内部大部分区域气体流速较小,洞口对房屋外部风场的影响不大,内压系数可由本文的理论估算公式计算确定。
　　 6.提出了低层冷弯薄壁型钢结构房屋风荷载的设计方法与建议,提出了复杂体型低层建筑表面体型系数的建议简化计算方法是本文的第五个创新点。