破壞性旋渦誘導下馬鞍與平屋蓋表面風荷載機理研究.pdf

1、風災是自然界中影響較大的災害之一。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)由于其本身的形態(tài)特點，多數(shù)處在大氣邊界層的底部，此區(qū)域內(nèi)風速變化大且湍流度較高，結(jié)構(gòu)周圍的來流分離、繞流運動復雜，屋蓋表面將形成各種尺度的旋渦，其中最著名的兩種有組織且破壞性較強的旋渦是分離泡和錐形渦。在這兩種旋渦作用下，強烈風吸力將對大跨屋蓋表面造成巨大的抽吸效應從而引起分離區(qū)局部破壞，最終屋蓋將整體失效。因此，要提高大跨屋蓋的抗風性能，了解屋蓋表面的風荷載機理是進行抗風設計的基礎和首要任

2、務。鑒于以上實際情況，本文以大跨平屋蓋和馬鞍屋蓋(曲面屋蓋)為載體，以旋渦作用下屋蓋表面的風壓特性和旋渦誘導下強風吸力的產(chǎn)生機理為研究目標，開展了一系列研究：
　　通過平屋蓋剛性模型風洞測壓試驗，研究了分離泡作用下大跨平屋蓋表面的風壓分布及脈動特性，基于此，對分離泡作用下的平屋蓋進行了分區(qū)，給出了各分區(qū)的體型系數(shù)，保證了旋渦作用下大跨屋蓋的抗風安全性，為修訂我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中低矮房屋體型系數(shù)提供了理論參考。
　　考慮

3、到馬鞍結(jié)構(gòu)本身的特殊性，本文通過馬鞍屋蓋剛性模型風洞測壓試驗，對不同風向下的馬鞍表面風壓分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)當來流以馬鞍低點作為迎風點時，錐形渦現(xiàn)象并未發(fā)生；當來流以馬鞍高點作為迎風點時，馬鞍屋蓋表面會形成典型的錐形渦現(xiàn)象。通過實測風壓的三階矩和四階矩劃分了馬鞍屋蓋表面的風壓高斯區(qū)與非高斯區(qū)，分析了各工況下風壓非高斯特性的產(chǎn)生機理。根據(jù)屋蓋表面的風壓幅值和風壓相關性，說明了馬鞍屋蓋的最不利風向是沿馬鞍高點連線方向。在此最不利風向下，本文

4、不再局限于傳統(tǒng)的點壓力，分析了馬鞍屋蓋表面的面積平均風壓分布，計算了各附屬面積上的峰值風荷載，基于此，給出了適用于屋蓋覆面材料和圍護結(jié)構(gòu)抗風設計的擬合公式。
　　根據(jù)大跨屋蓋表面的實測風壓對現(xiàn)有點渦模型、蘭金渦模型及Cook公式的適用性進行了評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在平屋蓋表面，蘭金渦模型和Cook公式的預測效果較好，基于勢流理論的點渦模型給出的預測結(jié)果偏低；在馬鞍屋蓋表面，三種模型的預測結(jié)果大體能夠反映真實風壓剖面的變化趨勢，但在流動分

5、離區(qū)內(nèi)預測結(jié)果相比實測值普遍偏低，在靠近屋蓋對角線處，預測效果較好。
　　錐形渦并非靜止不動，而是不斷在進行著左右搖擺運動，本文根據(jù)大跨屋蓋剛性模型測壓試驗結(jié)果，基于已有旋渦模型，研究了湍流場中錐形渦渦軸運動形式，量化了渦軸運動及屋面風壓脈動之間的關系。此外，分析了均勻流場下錐形渦所特有的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，給出了轉(zhuǎn)換現(xiàn)象所引起的屋面風壓脈動形式。
　　在國內(nèi)率先通過流場測量試驗(PIV)直觀展現(xiàn)了平屋蓋和馬鞍屋蓋表面的分離泡和錐形渦

6、現(xiàn)象，驗證了錐形渦的左右搖擺運動，對比了不同風向下大跨屋蓋表面錐形渦的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)當風向由沿屋蓋對角線逐漸變化至偏離屋蓋對角線時，在靠近來流的一側(cè)，錐形渦截面形狀由圓形變換為橢圓形。此外，在相同的風向角作用下，曲率較大的馬鞍表面錐形渦渦軸與屋蓋迎風前緣所成角度也較大，曲率較小的馬鞍表面錐形渦渦軸與迎風前緣所成角度較小。
　　基于現(xiàn)有的蘭金渦模型，通過PIV實測旋渦流速對其進行改進，建立了簡化的二維錐形渦流動模型，給出了旋渦上部流