PDF《王辉第32 卷第0期应用》

基金项目:亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题(2016ZB08) ;

教育部留学回国人员科研启动基金(教外司留[2011]1568 号) ;

安徽省自然科学基金 (11040606M116) 收稿日期: 修回日期: 第一作者简介:王辉,男,1973 年生,博士,合肥工业大学,副教授;

研究方向――结构计算分析与结构风工程研究 E-mail:hfutwh@sina.

com 应用力学学报CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS 第32 卷第0期2018 年00 月Vol.32 No.0 Xxx.

2018 2 应用力学学报第32 卷 文章编号:

3 应用力学学报第32 卷 下击暴流作用下双坡屋面建筑风荷载分布特性研究 王辉1,2 郭广帅

1 宋文慧

1 胡贤柱

1 (1 合肥工业大学土木与水利工程学院

230009 合肥;

2 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室

510640 广州) 摘要:下击暴流是一种较易出现的强对流天气,因其特殊的风剖面,对建筑结构易造成破坏.目前, 对于工程应用较多的双坡屋面建筑,仍缺乏下击暴流风荷载作用特性的研究.本文采用 RNG k-ε 湍流 模型模拟下击暴流场,在与已有建筑下击暴流场试验数据进行对比验证的基础上,模拟分析下击暴流 对双坡屋面建筑的风压作用,侧重考虑建筑处于下击暴流径向最大风速位置(r/D0=1.0)处,风向与坡角 变化及有无挑檐对风压分布的影响特性.分析结果表明,风向与坡角的变化对表面风压有显著影响: 坡角变化时,屋面风荷载体型系数最大增幅达到 152.2%;

随风向增大,迎风面总体风压呈显著减小趋 势,而背风面的负压量值则有较大提高,其系数变化幅度达到 120.7%;

因风向变化,近风侧面风荷载 体型系数将出现 261.4%的增幅.对于挑檐,其对建筑表面风压也产生影响,但主要表现在迎风面近挑 檐区域的风压发生较大改变. 关键词:下击暴流;

双坡屋面;

表面风压;

数值模拟 中图分类号: TU312+.1;

V211.3 文献识别码:A

1 引言下击暴流是伴随雷暴天气出现的一种强对流 天气.发生时,强烈的下沉气流在极短的时间内从 大气层一定高度处猛烈冲击地面形成辐散大风,并 沿地面加速扩展(图1)[1] ,对地面建筑产生严重 破坏.目前,由于极端天气频繁出现,应在考虑良 态风作用的基础上,充分考虑下击暴流风作用所引 图1下击暴流喷射示意图 [1] Fig.1 Downburst spray schematic[1] 起的建筑风荷载特殊分布及增大效应.由于下击暴 流风场具有短时发展性,选取极端情况作为稳态条 件进行模拟,可以了解下击暴流风场极端荷载作用 特性.在实际工程中,双坡屋面建筑为应用较多的 一种建筑形式[2] ,特别是随着轻质高强材料的推广 使用,该类建筑对于风荷载更为敏感.由于下击暴 流具有独特的风场结构和风剖面特征,使得下击暴 流作用于双坡屋面建筑的风效应与良态风差异显 著[3] .准确掌握该类建筑在下击暴流作用下的风荷 载分布特点,通过研究来有效指导建筑抗风设计, 成为目前结构风工程领域急需解决的重要问题. 有关双坡屋面建筑在良态风作用下的风荷载 研究较多[4-5] , 而针对下击暴流作用情况的研究相对 较少.文献[6-7]研究了双坡屋面建筑在下击暴流作 用下风压系数的分布,并考虑不同屋面坡角对风压 分布的影响;

文献[8]也开展了双坡屋面坡角变化对 风压分布影响的研究.虽然上述研究获得了一定规 律,但研究主要针对风压分布,并未深入进行立面 整体、局部区域的风荷载分析,特别是风向角及屋 檐对风荷载影响的研究.目前,有关下击暴流作用 下建筑风荷载分布随风向、坡角及有无挑檐的变化 特性研究仍然缺乏. 研究下击暴流主要有三种方法:现场实测、风 洞试验、数值模拟[9] .因下击暴流发生的空间随机 性强,现场实测很难观测到有效的下击暴流风力强 度[10] ,目前主要采用风洞试验与数值模拟方法,但 风洞试验成本高, 且存在操作上的困难[11] . 近年来, CFD 数值模拟成为研究下击暴流风的一种较有效 方法.文献[12-13]均采用该方法模拟下击暴流风场 作用, 表明 CFD 能较好地模拟下击暴流的风场及建 筑物风荷载作用. 为研究下击暴流风场的风荷载分布特性,采用 ICEM 软件进行建模和网格剖分,风场求解则采用 Fluent 软件,在结合文献[14]风洞试验结果验证数 值模拟方法有效性的基础上,以封闭式双坡屋面建 筑下击暴流场为对象,模拟获取下击暴流作用下建 筑表面风荷载分布特性,并考虑风向、屋面坡角及