高层建筑对大跨度屋顶结构风压分布的干扰效应研究

  本篇论文是一篇建筑硕士论文范文，平屋盖的风场绕流特性直接决定了屋盖表面的风压分布，由于所研究屋盖拥有两条相互垂直的对称轴，可利用其对称性，仅进行 0°至 90°风向下的测压试验，利用其对称性，0°至 90°风向角的屋盖风荷载特性即可代表所有风向下的风荷载特性。平屋面的风压分布特征是：迎风侧屋面受柱状涡或锥形涡的作用产生极大的负风压，在紧邻该区域风压幅值下降梯度较快，而在其他大片区域，风压值基本不变。 

  1.2 结构抗风研究的主要方法

  目前结构抗风研究的主要研究方法有全尺寸现场实测、风洞试验和数值模拟。这三种方法互相补充、印证、促进。    现场实测是指在场地中用风速仪对风场进行直接测量，在建筑表面用传感器测量其风特性和风致响应。李秋胜等人对在高层建筑的风致效应实测开展诸多工作，得到许多宝贵成果。测量的数据是最为准确和真实，这些第一手资料往往可以和其它两种方法模拟的结果进行验证，但是比风洞试验和数值模拟更耗时，费资和需要更多的人力，且无法在建设建筑物之前进行实测，无法在设计建筑物之前提供参考数据，另外，在现场实测时，对风场环境要求较严格，难以人为地控制气象和地形等条件，还需保证各种仪器质量、数据传递等因素，所以现场实测很难用于规律性研究，其资料数据较其它两种方法较少，一般应用于重大的科研项目上。风洞试验方法是指在通过一些模拟装置（二元塔旋涡源、分布粗糙元、格栅和挡板等），根据相似准则来模拟大气边界层内风场，并在模拟的风场中安放实际结构的缩尺模型，通过模型的风效应来研究实际结构的风效应。根据气动弹性模型试验不同的处理方法，分为刚性模型测压试验和气动弹性模型试验，刚性模型试验在大量的测点上可以同步测压，但不能反映风与结构相互作用，而气动弹性试验可以模拟原建筑的刚度、质量、频率、振型、阻尼等一系列动力特征，但不能直接获得结构荷载。 在进行风洞试验时，可以人为的改变和重复试验，故对于变参数影响的风致干扰试验机理研究比全尺寸实测更具有优势，这种人为控制，大大提高了工作效率，另外，在风荷载规范对工程建设无法提供支持下，可通过风洞试验方法对重要的建筑结构模拟，可为其结构设计提供参考数据，故风洞试验是目前工程抗风的主要研究手段，但其也有很多不足之处：由于条件限制，风洞试验不可能完全满足全部相似条件，有些对风荷载有影响的建筑细部无法正确表示，从而出现误差，对研究雷诺数比较敏感的结构风荷载较为困难。    数值模拟又称为“数值风洞”，其核心内容计算流体力学是指通过计算机进行数值模拟，分析流体流动和传热等物理现象的技术。计算流体力学的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限离散点(在有限元中称为节点)上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上变量之间关系的代数方程组（称为离散方程），然后求解这些代数方程组以获得变量的近似值。 数值模拟有众多的优势，如成本低、周期短、效率高、不受建筑模型尺度和结构影响等，也存在一些缺点，如有些问题还没有普遍适用的数学模型和求解涉及经验的输入参数、截断的误差、湍流模型等因素，还没达到成熟的地步，但鉴于其优势和诸多的研究表示，只要建立合适模型，应用该方法仍可以得到合适的实际工程计算结果。 

  2.1 风洞介绍
  本文中涉及的风洞试验主要在华南理工大学风洞实验室完成的，该风洞拥有装备齐全、技术先进的风工程研究软硬件设施。风洞为单试验段回流型，试验段长为 24m、宽为 5.4、高为 3m。试验段风速1m30~0−s 连续可调，风场品质十分良好, 风洞构成部分示意图,见图2-1。   实验室采用澳大利亚 TFI Cobra 三维脉动风速测量系统和计算机自动控制的三维异动测量系统进行风场调试。测压系统则采用美国 Pressure Systems ,Inc.公司的 Initium 精密压力扫描阀系统。 

  2.2 平屋盖风洞试验模型介绍

  本试验采用刚性模型，试验模型分为两个部分：大跨度平屋盖结构和周边建筑，模型具有足够的强度和刚度，在试验风速下不出现明显的变形和振动现象，几何外形与建筑原型相似，几何缩尺比为 1:300,模型尺寸 100cm×66.7cm×13.3cm（长×宽×高），代表实际尺寸为 300m×200m×40m 的大跨度平屋盖结构。本试验考虑单个高层施扰建筑的干扰影响，施扰建筑模型也以有机玻璃制成，截面尺寸为 20cm×20cm 不同高度的方形高层施扰建筑，其断面形为正方形，试验的几何、风速、时间缩尺比分别为 1/300、1/5、1/30 试验时采样频率为 300Hz,单次采样时长 68.3s(实际时长约 34min)。 由于平屋盖的风压系数具有明显的区域性，边角部区域的风压分离明显，所以大跨度平屋盖模型测点布置采用均匀对称、模型边缘和角部加密等原则，加大对边角部区域的数据采集，一共布置了共 467 个测点。一般情况下的大气边界层内近地层的气流是湍流，因雷诺数相当大，湍流掺混使地表阻力的影响扩展到大气边界层的整个区域，风向角与等压线成一定夹角。 大气边界层内风的特性对建筑物上的风效应影响十分显著，因此在风洞试验中首先要模拟大气边界层内的几个风特性。根据 Boussininesq 提出的近似和中性边界层假设，风洞试验模拟边界层流场特性主要包括 4 个方面：平均风速、湍流度、湍流风速功率谱和湍流积分尺度。 

  3.1 屋盖平均风压特性分析

  3.2 屋面极值风压特性分析

  3.3 本章小结

  4.1 干扰试验工况布置

  4.2 干扰因子的定义

  4.3 干扰效应对屋盖的整体平均风压系数的影响

  4.4 干扰效应对屋面分区平均风压系数的影响

  4.5 干扰效应对大跨度平屋面最小极小值风压系数的影响

  第五章 单个高层建筑对某金融城交通枢纽大跨度屋盖的干扰效应研究

  第六章 结论与展望

  本文主要研究了高层建筑对大跨平屋盖风荷载的干扰效应和高层建筑对某金融城交通枢纽大跨屋盖风荷载的干扰效应。针对所研究的大跨度屋盖结构，根据相似性原理，在模拟大气边界层流场的风洞中进行了刚性模型试 验，获得了单体平屋盖表面在不同风向角作用下，屋面整体平均风压系数、屋面分区风压系数、屋面最小极小值风压系数、屋面分区最小极小值风压系数，然后根据这些风压系数，研究了单个高层施扰建筑高度、其与受扰屋盖的间距比以及风向角变化下对大跨平屋盖结构风荷载干扰效应的影响。同时本文还结合某工程实例，在结构形式比较新颖的大跨度屋盖上游放置单个施扰高层建筑，研究了单个高层建筑外形、高层建筑与该屋盖的相对位置及风向角三因素对该屋盖上风荷载分布的影响。本文主要的结论有： 在各个风向下，平屋盖表面整体平均风压系数均为负值，即主要受风吸力的作用。在建筑物迎风前缘发生气流分离因此风吸值最大，之后随着距离的加大， 风吸力呈梯度逐渐减弱，气流在屋盖尾部产生再附现象。 在各个风向下，所研究的平屋盖整体平均风压系数最小值为-0.63,出现在 30°风向 下。迎风侧角部区域的分区风压系数普遍最小，其最小值为-1.26。出现在 0°风向下迎风角部分区。 在各个风向下，极值风压系数的分布规律与平均风压系数的分布规律相似；在 0°至 90°风向角范围内，极值风压最小值-5.21 出现在 30°风向下，且仍出现在屋盖的迎风角部分区。因此在围护构件设计时，应注意最不利风向对屋面风荷载的影响。 本文通过风洞试验，研究了单个高层建筑对大跨度平面屋盖风荷载的干扰效 应和单个高层建筑对某金融城交通枢纽大跨度屋盖风荷载的干扰效应，通过对实验采集的大量数据的统计、分析和处理，高层建筑对大跨度屋盖结构建筑物的干扰问题非常规复杂，本文的结论并未完全反映这种干扰影响的规律，其中有许多方面还需要更进一步的深入研究，针对本文研究中的一些不足，给出的建议有： 由于试验场地和装置条件限制，本文试验选取的干扰因素的变化范围有限，可以研发些装置，适当的扩大变化范围，可加深反应所研究的干扰因素的规律。 虽然 CFD 数值模拟还没达到成熟的地步，但其经济性、有效性、高效性等优势和诸多研究表示，只要建立合适的模型，仍可以模拟出于实际工程计算的结果，故以后在进行风致干扰研究的风洞试验时，可以考虑增加将 CFD 数值模拟，互相验证，展示典型工况时流场的变化情况，解释风致干扰的机理。 本文主要从风向角、施扰建筑物与受扰建筑物相对位置、施扰建筑物高度三个角度考察平屋盖风致干扰研究以及施扰建筑物截面形式对复杂屋盖的风致干扰研究，所设计的参数种类只有 4 种，今后研究中可以考虑从其他角度进行研究，譬如截面尺寸、地面粗糙度等。 由于本文只研究了单个施扰高层建筑物对大跨平屋盖的影响，然而在实际环境中，大跨屋盖建筑物周围往往存在多个施扰高层建筑物，故今后可以研究两个、三个或更多个建筑物对大跨屋盖的影响。在增多高层建筑物个数的同时，应注意实验方案的合理性，当周围施扰物考虑过多时，地貌类别可能会发生变化。