破壞性旋渦誘導(dǎo)下馬鞍與平屋蓋表面風(fēng)荷載機(jī)理研究.pdf

1、風(fēng)災(zāi)是自然界中影響較大的災(zāi)害之一。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)由于其本身的形態(tài)特點(diǎn)，多數(shù)處在大氣邊界層的底部，此區(qū)域內(nèi)風(fēng)速變化大且湍流度較高，結(jié)構(gòu)周?chē)膩?lái)流分離、繞流運(yùn)動(dòng)復(fù)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(qiáng)的旋渦是分離泡和錐形渦。在這兩種旋渦作用下，強(qiáng)烈風(fēng)吸力將對(duì)大跨屋蓋表面造成巨大的抽吸效應(yīng)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(fēng)性能，了解屋蓋表面的風(fēng)荷載機(jī)理是進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和首要任

2、務(wù)。鑒于以上實(shí)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(fēng)壓特性和旋渦誘導(dǎo)下強(qiáng)風(fēng)吸力的產(chǎn)生機(jī)理為研究目標(biāo)，開(kāi)展了一系列研究：
　　通過(guò)平屋蓋剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，研究了分離泡作用下大跨平屋蓋表面的風(fēng)壓分布及脈動(dòng)特性，基于此，對(duì)分離泡作用下的平屋蓋進(jìn)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(fēng)安全性，為修訂我國(guó)《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(guò)馬鞍屋蓋剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，對(duì)不同風(fēng)向下的馬鞍表面風(fēng)壓分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)來(lái)流以馬鞍低點(diǎn)作為迎風(fēng)點(diǎn)時(shí)，錐形渦現(xiàn)象并未發(fā)生；當(dāng)來(lái)流以馬鞍高點(diǎn)作為迎風(fēng)點(diǎn)時(shí)，馬鞍屋蓋表面會(huì)形成典型的錐形渦現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)測(cè)風(fēng)壓的三階矩和四階矩劃分了馬鞍屋蓋表面的風(fēng)壓高斯區(qū)與非高斯區(qū)，分析了各工況下風(fēng)壓非高斯特性的產(chǎn)生機(jī)理。根據(jù)屋蓋表面的風(fēng)壓幅值和風(fēng)壓相關(guān)性，說(shuō)明了馬鞍屋蓋的最不利風(fēng)向是沿馬鞍高點(diǎn)連線(xiàn)方向。在此最不利風(fēng)向下，本文

4、不再局限于傳統(tǒng)的點(diǎn)壓力，分析了馬鞍屋蓋表面的面積平均風(fēng)壓分布，計(jì)算了各附屬面積上的峰值風(fēng)荷載，基于此，給出了適用于屋蓋覆面材料和圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的擬合公式。
　　根據(jù)大跨屋蓋表面的實(shí)測(cè)風(fēng)壓對(duì)現(xiàn)有點(diǎn)渦模型、蘭金渦模型及Cook公式的適用性進(jìn)行了評(píng)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(yù)測(cè)效果較好，基于勢(shì)流理論的點(diǎn)渦模型給出的預(yù)測(cè)結(jié)果偏低；在馬鞍屋蓋表面，三種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果大體能夠反映真實(shí)風(fēng)壓剖面的變化趨勢(shì)，但在流動(dòng)分

5、離區(qū)內(nèi)預(yù)測(cè)結(jié)果相比實(shí)測(cè)值普遍偏低，在靠近屋蓋對(duì)角線(xiàn)處，預(yù)測(cè)效果較好。
　　錐形渦并非靜止不動(dòng)，而是不斷在進(jìn)行著左右搖擺運(yùn)動(dòng)，本文根據(jù)大跨屋蓋剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果，基于已有旋渦模型，研究了湍流場(chǎng)中錐形渦渦軸運(yùn)動(dòng)形式，量化了渦軸運(yùn)動(dòng)及屋面風(fēng)壓脈動(dòng)之間的關(guān)系。此外，分析了均勻流場(chǎng)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(fēng)壓脈動(dòng)形式。
　　在國(guó)內(nèi)率先通過(guò)流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)(PIV)直觀(guān)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(yàn)證了錐形渦的左右搖擺運(yùn)動(dòng)，對(duì)比了不同風(fēng)向下大跨屋蓋表面錐形渦的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)向由沿屋蓋對(duì)角線(xiàn)逐漸變化至偏離屋蓋對(duì)角線(xiàn)時(shí)，在靠近來(lái)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(fēng)向角作用下，曲率較大的馬鞍表面錐形渦渦軸與屋蓋迎風(fēng)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(fēng)前緣所成角度較小。
　　基于現(xiàn)有的蘭金渦模型，通過(guò)PIV實(shí)測(cè)旋渦流速對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，建立了簡(jiǎn)化的二維錐形渦流動(dòng)模型，給出了旋渦上部流