考慮幕墻開孔的屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗及理論分析研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,各種造型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)新穎的空間結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)美的造型和良好的性能,被廣泛應(yīng)用于各種大型公共建筑中,由于這些建筑物大多具有質(zhì)量輕、柔性大、阻力小等特點,對風(fēng)荷載敏感,風(fēng)荷載往往成為其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制荷載。此外,由于建筑物部分門窗的開敞或突然開孔導(dǎo)致的內(nèi)壓增大對屋蓋結(jié)構(gòu)的安全會產(chǎn)生較大的影響。大量風(fēng)災(zāi)調(diào)查表明,屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞在很大程度上都是由于內(nèi)外壓的聯(lián)合作用所引起的。然而目前人們對

2、內(nèi)壓變化的產(chǎn)生機(jī)理及評估尚處于研究階段,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計時,國內(nèi)外現(xiàn)行荷載規(guī)范僅是提出名義封閉或者開敞時的內(nèi)壓系數(shù)建議值,因此開展屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致內(nèi)壓的研究具有極其重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值,也是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域研究的熱點之一。
　　本文通過對復(fù)雜體型的魚形屋蓋在臺風(fēng)風(fēng)場與A類常規(guī)風(fēng)場下進(jìn)行了風(fēng)洞對比試驗研究,發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)屋檐的脈動風(fēng)壓明顯大于屋面其它區(qū)域。不同湍流度下屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載存在較大的差異,屋蓋在高湍流度下(臺風(fēng)風(fēng)場)的

3、風(fēng)荷載比常規(guī)A類風(fēng)場明顯要大。建議在臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)的建筑,特別是體型復(fù)雜的重要建筑,對結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的評估除了按照規(guī)范常規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計外,通過臺風(fēng)風(fēng)場的風(fēng)洞試驗加以驗證很有必要。
　　基于吉林火車站的風(fēng)洞試驗,研究了屋蓋的風(fēng)荷載分布特性,發(fā)現(xiàn)較大的吸力均分布在迎風(fēng)屋檐、屋蓋角區(qū)和主站樓凸起的天窗附近。由于氣流在高度較低處的湍流特性較大,更容易受周邊地貌的影響,因而站臺雨棚的升力系數(shù)受周邊建筑的干擾效應(yīng)較為明顯。在屋蓋的氣流分離區(qū)域,因存

4、在較大的負(fù)風(fēng)壓,風(fēng)壓的概率分布向負(fù)壓段延伸,建議對于屋蓋不同的紊流強(qiáng)度區(qū)域應(yīng)取不同的峰值因子,在高紊流區(qū)域峰值因子可取3.0～4.0,在低紊流區(qū)域峰值因子可取2.5~3.0。
　　對比昆明南站風(fēng)洞試驗結(jié)果與荷載規(guī)范規(guī)定值,發(fā)現(xiàn)當(dāng)立面入口封閉時主站房屋面大部分區(qū)域的體型系數(shù)與荷載規(guī)范規(guī)定值大小相當(dāng),但在懸挑屋檐及屋面棱角處,體型系數(shù)明顯大于規(guī)范規(guī)定值;當(dāng)考慮有立面入口門洞時,屋面風(fēng)載體型系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的名義封閉下的體型系數(shù)。在主

5、站房與站臺雨棚邊緣區(qū)域,脈動風(fēng)壓概率密度分布函數(shù)體現(xiàn)出較為明顯的非高斯分布特性,在尾部負(fù)壓區(qū)域更為顯著。
　　對有雙面幕墻開孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓傳遞方程進(jìn)行了推導(dǎo),并從理論上闡述了背立面開孔時對內(nèi)壓附加阻尼效應(yīng)的影響。分析了孔口等效阻尼比?eq隨幕墻開孔面積、建筑內(nèi)部容積、參考風(fēng)速及孔口處風(fēng)壓高度變化系數(shù)等參數(shù)的變化趨勢。同時對開孔結(jié)構(gòu)發(fā)生Helmholtz共振與立面幕墻開孔率的關(guān)系進(jìn)行了探討。
　　通過剛性模型風(fēng)洞試驗對不同建筑內(nèi)

6、部容積、幕墻開孔面積、開孔位置及屋蓋矢跨比的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究,并探討了這些參數(shù)對屋蓋等圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性的影響。通過對內(nèi)壓測點的脈動風(fēng)壓功率譜分析,發(fā)現(xiàn)開孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)壓譜不僅包含了大氣湍流中的能量成分,同時也包含了由于孔口阻尼特性引起的特征湍流的成分。對考慮有多面幕墻開孔的內(nèi)壓理論估算公式進(jìn)行了推導(dǎo),并將試驗值與理論估算值進(jìn)行了對比。
　　通過對屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)對于本身剛度較大的屋蓋結(jié)構(gòu),風(fēng)致響應(yīng)

7、的大小主要取決于屋蓋的自振頻率,而幕墻開孔率大小的變化對風(fēng)致響應(yīng)的影響并不是很明顯。將傳統(tǒng)的風(fēng)振系數(shù)計算方法與采用目標(biāo)概率法得到的位移風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)對于脈動風(fēng)影響較為顯著的屋蓋區(qū)域,利用傳統(tǒng)的風(fēng)振系數(shù)計算方法可能會過于低估脈動響應(yīng)的影響,對結(jié)構(gòu)設(shè)計是偏于不安全的。
　　本文以風(fēng)洞試驗為主,結(jié)合理論分析詳細(xì)研究了屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性和考慮幕墻開孔時建筑內(nèi)部風(fēng)效應(yīng)及屋蓋風(fēng)致響應(yīng)。研究成果可為屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計及荷載規(guī)范相關(guān)條文的