大跨空间结构屋面雪荷载研究

摘要

大跨度空间结构对雪荷载非常敏感，近些年因为暴风雪天气而发生结构坍塌的案例非常多，给人民的生命和财产安全带来巨大威胁。屋盖表面的积雪在风力作用下会发生侵蚀和沉积，使得积雪产生不均匀分布，加上灾害雪天气下较大的雪压成为大跨结构发生坍塌的两个重要原因。现行建筑结构荷载规范中有关雪荷载的规定偏于简单，因此有必要对典型大跨空间结构屋面的雪荷载进行深入研究。
　　本文首先介绍了风致积雪数值模拟的理论，对风雪两相流的运动进行阐述，参考国内外相关文献资料给出本文选用的风场和雪漂运动数值模拟的模型方程、边界条件以及积雪侵蚀沉积模型。
　　采用计算流体动力学软件FLUENT根据单向耦合的单方程模型方法分别对不同跨度、不同风速、不同矢跨比或倾角的大跨球壳屋盖和单坡屋盖进行风致积雪数值模拟分析，得到屋盖表面积雪侵蚀沉积量与风速和矢跨比或倾角变化的规律，并拟合出相应的公式。为方便工程应用，进一步给出本文建议的积雪分布系数公式，与规范进行对比。
　　结合基本雪压的确定方法、目前的研究情况以及融雪再结冰现象，给出本文建议的灾害雪荷载系数和融雪再结冰系数。
　　最后利用大跨空间结构分析软件MST对一单坡屋盖模型进行计算分析，分别考虑了规范规定的雪荷载及本文研究得到的灾害雪荷载，通过对比单坡屋盖结构杆件的应力、长细比等结果，说明灾害雪荷载的不利影响。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 风致积雪的研究方法

1．3 风致积雪的数值模拟研究进展

1．4 本文工作

第2章 风致积雪数值模拟理论

2．1 风雪两相流的描述

2．2 建筑周围的风场模拟

2．2．1 质量和动量守恒方程

2．2．2 风场的湍流模型

2．2．3 风场边界条件

2．3 建筑周围的雪漂模拟

2．3．1 雪颗粒的物理性质

2．3．2 雪漂输运方程

2．3．3 积雪侵蚀沉积模型

2．3．4 雪漂边界条件

2．4 CFD软件FLUENT相关设置及计算流程

2．5 算例验证

2．6 本章小结

第3章 大跨度球壳屋盖风致积雪数值模拟

3．1 球壳屋盖的CFD模型

3．2 风场及屋盖风致积雪侵蚀沉积量分布

3．3 屋盖风致积雪侵蚀和沉积量与风速的关系

3．4 屋盖风致积雪侵蚀和沉积量与矢跨比的关系

3．5 球壳屋盖积雪侵蚀量计算公式

3．6 球壳屋盖积雪不均匀分布系数

3．7 球壳屋盖风致积雪分布系数与现有荷载规范对比

3．8 本章小结

第4章 单坡屋盖风致积雪数值模拟

4．1 单坡屋盖的CFD模型

4．2 风场及屋盖风致积雪侵蚀沉积量分布

4．3 屋盖风致积雪侵蚀和沉积量与风速的关系

4．4 屋盖风致积雪侵蚀和沉积量与倾角的关系

4．5 单坡屋盖积雪侵蚀沉积量计算公式

4．6 单坡屋盖积雪不均匀分布系数

4．7 单坡屋盖风致积雪分布系数与现有荷载规范对比

4．8 本章小结

第5章 基本雪压及单坡屋盖算例

5．1 基本雪压的确定方法

5．2 基本雪压研究现状

5．3 融雪再结冰现象对基本雪压的影响

5．4 单坡屋盖算例

5．4．1 积雪不均匀分布的影响

5．4．2 积雪不均匀分布与基本雪压的共同影响

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 展望

参考文献

作者简介