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1、低层双坡房屋屋面风荷载的数值研究_坡角和高宽比影响的分析_陈水福 (1) 第40卷第10期 2006年10月JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)浙?江?大?学?学?报(工学版)Vol.40No.10Oct.2006 低层双坡房屋屋面风荷载的数值研究 ?坡角和高宽比影响的分析 陈水福,吕少琳 (浙江大学土木工程学系,浙江杭州310027) 摘?要:为探讨屋面坡角和房屋高宽比对低层双坡屋面房屋的屋面风荷载的影响,采用数值模拟方法并结合足尺 模型测试的验证,对一系列具有不同坡角和高宽比情况的双坡屋面房屋的屋面风压分布进行了参数分析.利用基 于
2、Reynolds时均方程和可实现的k?湍流模型的模拟方法,得到了不同几何外形的屋面平均风压的分布曲线,总 结了屋面平均风压系数随高宽比、坡角变化的基本规律.结果表明,随着屋面坡角的增大,迎风屋面的风压绝对值 趋于减小,背风屋面则趋于增大,推荐坡角为15?25?;屋面风压随房屋高宽比的增大而增大. 关键词:数值模拟;双坡屋面;高宽比;风荷载;风压 中图分类号:TU312.1;V211.3?文献标识码:A?文章编号:1008973X(2006)10173805 Numericalstudyofwindloadsonlow?risegable?roofedbuildingroofs ?Analysi
3、sofroofpitchandheight?widthratioeffects CHENShui?fu,LVShao?lin (DepartmentofCivilEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China) Abstract:Toinvestigateeffectsofroofpitchandheight?widthratiouponthewindloadsontheroofsoflow?risegable?roofedbuildings,aseriesofparametricanalyseswerecarriedoutonbuild
4、ingmodelswithdifferentroofpitchesandheight?widthratiosbymeansofnumericalsimulationcombiningwithfull?scaleexperimentalverification.ThenumericalsimulationwasbasedontheReynolds?averagedequationsandtherealizablek?turbulencemodel.Throughtheparametricanalysestheroofpressuredistributioncurvesforbuildingswi
5、thvariousgeometricdimensionswereobtainedandthevariationtrendsoftheroofpressurewithrespecttotheroofpitchandheight?widthratioweresummarizedaccordingly.Theobtainedresultsindicatedthatthemagnitudeofthewindwardroofpressuretendstodecreasewhilethatoftheleewardroofpressuretendstoincreasewiththeincreaseofroo
6、fpitch.Therecommendedroofpitchesare15?25?.Themagnitudeoftheroofpressureincreaseswiththeincreaseofheight?widthratio. Keywords:numericalsimulation;gableroof;height?widthratio;windload;windpressure ?低层双坡屋面房屋是工业与民用建筑中广泛采 用的房屋形式.随着轻质高强材料的广泛应用,双坡 屋面房屋正向着更大跨度的方向发展.随着跨度的 增大,风荷载往往成为这类房屋屋面体系的控制性 荷载.历次的台风灾害调查表
7、明,屋面破坏是低层双 坡屋面房屋的主要破坏形式之一1.因此,如何较全 面准确地掌握这类房屋的屋面风压分布规律,并提 收稿日期:20050608.出合理有效的抗风设计方法十分必要.目前国内外预测和研究低层房屋风荷载的主要方法有:足尺模型场地试验(或现场实测)、缩尺模型风洞试验、数值模拟.相对于高层建筑,低层房屋的全尺寸场地试验开展得较多.其主要原因在于,对低层房屋进行风洞模型试验,因房屋高度较小,其几何缩尺比问题很难解决,房屋细部的影响也难以得2浙江大学学报(工学版)网址: 基金项目:?十五?国家重点科技攻关计划项目;国家自然科学基金资助项目(59908010). 作者简介:陈水福(1967-)
8、,男,浙江衢州人,教授,主要从事结构计算机分析和结构风工程的研究.E?mail: 第10期 陈水福,等:低层双坡房屋屋面风荷载的数值研究?坡角和高宽比影响的分析 1739 到较好的体现.目前国外有学者针对低层双坡屋面房屋开展了一些足尺模型试验研究.例如Hoxey等人3?4对12个不同山墙形状的双坡屋面房屋进行了足尺模型风压测试,结果显示房屋的几何外形如高、宽、坡角等因素均对其受风作用有较明显的影响;通过足尺实验,他们给出了两种高宽比(0.3和0.7)情况下的体型系数参考取值,供极端气候条件下的1或2层低层居住房屋抗风设计采用.然而,无论是缩尺模型风洞试验,还是足尺模型场地试验,均存在着测试费用
9、大、周期长及精度易受测试手段和仪器误差影响等问题,更重要的是不易进行较系统的参数分析,从而较全面地掌握表面风压随各类房屋参数、场地参数等的变化规律.数值模拟方法是20世纪80年代发展起来的一种新的建筑风载预测方法.经过20年的探索研究,目前在利用该方法预测简单体型的单体建筑方面已经取得了较大的进展. 本文利用FLUENT软件在具有2G内存和2.4GHz时钟频率的服务器型微机上对文献4中的12个双坡屋面房屋模型的屋面风压进行了数值模拟,将模拟结果与足尺场地测试结果作了比较,验证了数值模拟的正确性和有效性.在此基础上,对同类房屋在不同高宽比和不同坡角情况下的风压变化规律进行了较系统的参数分析. 5
10、?6 为涡团黏性系数.可实现的k?模型相对于标准k?模型的改进之处主要是:系数C?不再简单取为常 数,而是与平均速度梯度有关,这样能更好地反映湍流的非各向同性性质7. 数值模拟中,各联立方程的解耦以及压力场和速度场的校正采用了SIMPLEC压力校正算法7.数值模拟的计算区域取为一长方体形,其在顺风向、横风向和高度方向的尺寸分别取为房屋特征长度的约15倍、7倍和5倍.计算区域的离散采用了具有良好适应性的非结构四面体网格.网格不均匀布置,在建筑物附近的网格较密,远离建筑物的网格逐渐变疏.图1为建筑物附近的一个典型网格划分情况. 考虑到本次数值模拟的对象为低层房屋,来流风速剖面的变化对建筑风压的影响
11、不大.本文曾将指数率来流的结果与均匀流的结果进行比较,比较结果也验证了这一点,故计算区域入口处的风速采用沿高度不变的均匀流;近壁面的流动采用非平衡的壁面函数法7处理. 1?基本理论与数值求解 近地风是一种低速不可压缩的湍流流动.本文采用可实现的k?湍流模型进行数值计算.基于该湍流模型的流动风的控制微分方程如下7: j =0,j Uj i=-+ jij j 图1?典型网格划分Fig.1?Typicalmeshscheme (1) i +j (2)? (3) 2?与足尺实验结果的比较 文献4对12个不同山墙形状的双坡屋面房屋进行了足尺模型的风压场地测试,所采用的足尺模型是英国Silsoe建筑结构(
12、Silsoestructuresbuild?ing)模型,所测试的屋面风压均以无量纲风压系数的形式给出.这12个模型的尺寸如表1所示.本文采用数值模拟方法对这些模型的屋面风压进行了模拟计算,并将模拟结果与足尺实验数据进行比较. 图2给出了两种山墙形状的房屋周围风速矢量的数值模拟结果.由图可见,10?坡角时风在迎风前角出现分离,迎风屋面上有回流附着形成,屋脊处的流动较为平缓;30?坡角时迎风屋面的流线较为平滑,风在屋脊处出现严重分离,此时背风屋面相对于10?时处于更强烈的涡流影响之中. 3?+t ?t,ji t?Ui?Uj+Uj=t?+jjkjji i ,j-?j=jj C2? tS?-?+?j
13、+C1? 2 (4) k+? 式中:Ui(i=1,2,3)表示x、y、z方向的时均速度,分量U、V、W,P为时均压力,k、?为湍流动能及其耗散率,?为气流运动黏度,?为空气密度,?t=C?k/? 2 1740 浙?江?大?学?学?报(工学版)?第40卷? 图2?典型房屋迎风中心剖面的风速矢量 Fig.2?Velocityvectoronsymmetricplaneoftypical buildings 图3?迎风中心剖面屋面风压计算值与实验值的比较Fig.3?Comparisonofroofpressuresonsymmetricplane betweennumericalsimulation
14、andfull?scaleexperi?ment 与足尺实验值4的比较.由图可见:(1)数值模拟的风压系数与足尺实验值比较接近,模拟值虽围绕实验值有所波动,但两者的变化趋势基本一致;(2)在迎风屋檐和屋脊附近,模拟值与实验值的偏差较其他区 域略大,其主要原因是这些部位的分离流或回流附着较为明显,速度梯度及风压变化较大,湍流模型还不能足够精确地反映这种复杂的细部变化;(3)从整体上看,数值模拟能较准确地反映低层房屋的屋面风压分布特性,其计算误差普遍在20%30%. 表1列出了12个模型的屋面体型系数?s(加权平均风压系数)的计算值与实验值4的比较.从表中可以看到,除个别檐口高度较小的模型(如F0
15、2B、FB06、G01)外, 其余模型的数值模拟值与实测值均 有较好的吻合.总体上讲,迎风屋面的体型系数模拟值的绝对值比实测值普遍偏大,而背风屋面大多偏小,但总的变化趋势是一致的,且误差值一般均在可接受范围之内.由此可见,采用数值模拟方法预测双 坡屋面房屋的风压分布是可行和有效的.表1中几个檐口高度较小的模型的迎风屋面风压误差较大,其主要原因可能是此时房屋周围的流动受固壁地面的影响较大,其核心流动表现壁面剪切流影响较为明显,利用k?湍流模型模拟的效果不够理想. 表1?各模型几何尺寸及屋面体型系数的比较1) Tab.1?Geometryparametersofmodelsandcompariso
16、nofshapecoefficients 建筑类型FB01FB02BFB03FB05FB06FB07FB12FB16FB19FB28BG01G08 ?/(?)15.0015.0016.0015.0011.0013.5016.7015.0015.0010.0026.0026.00 ?0.200.240.390.140.090.180.510.670.270.320.370.59 h/mm4.341.774.604.032.262.005.504.505.004.142.354.15 w/mm21.547.4011.9027.9524.5711.3510.706.7018.4012.936.407
17、.00 l/mm27.8018.5018.5241.0034.2036.8024.30120.0036.8424.1321.7722.60 ht/mm7.102.766.307.704.973.407.205.307.505.283.945.89 迎风屋面?s模拟值-0.82-0.99-1.00-0.83-0.69-0.62-0.93-1.18-0.90-1.02-0.50-0.70 实验值4-0.70-0.28-1.00-0.83-0.21-0.47-0.85-1.47-0.79-0.950.02-0.44 背风屋面?s模拟值-0.48-0.68-0.50-0.54-0.55-0.47-0.
18、58-0.85-0.51-0.44-0.68-0.51 实验值4-0.40-0.83-0.73-0.78-0.38-0.76-0.74-0.86-0.51-0.43-0.57-0.83 ?1)?为屋面坡角;?=h/w为高宽比;h、w、l、ht分别为房屋檐口高度、宽度、长度和屋脊高度;?s为体型系数. 第10期陈水福,等:低层双坡房屋屋面风荷载的数值研究?坡角和高宽比影响的分析1741 0.14、0.2、0.27、0.32(对应单层)和高宽比为0.67 3?坡角和高宽比影响的数值分析 由于足尺模型风压测试难度大、周期长,故文献 4并没有对屋面坡角及房屋高宽比的影响进行较 系统的参数分析.本文充分
19、利用数值模拟的优势,对 0?风向角下檐口高度为4.05.0m,高宽比分别为(对应两层)的低层双坡房屋在坡角为10?、15?、20?、25?和30?的情况进行了较系统的模拟计算和参数分析.图4给出了高宽比为0.14、0.32和0.67的房屋在5种坡角情况下的屋面风压分布等值线图;图5给出了迎风和背风屋面的风载体型系数随房屋高宽比的变化曲线 . 图4?不同高宽比、不同坡角时屋面的风压系数分布Fofpributionsonentrfandheig?width 1742 浙?江?大?学?学?报(工学版)?第40卷? ?由图4可见,屋面坡角及房屋高宽比对屋面风压分布及风压大小均有明显的影响.当屋面坡角较
20、小时,因屋脊处的风流线较为平缓,所以没有形成较明显的高负压区;随着坡角的增大,屋脊附近出现很明显的高负压区.在相同坡角情况下,随着高宽比的增大,屋面风压系数绝对值不断增大;而在高宽比相同时,随着屋面坡角的增大,迎风屋面的负压绝对值趋于减小,背风屋面的负压绝对值趋于增大.若仅从屋面抗风设计的经济合理性考虑,较适宜的屋面坡角应为15?25?. 从图5可以看到,无论坡角大小,屋面平均风压系数绝对值总体上均随高宽比的增大而增大.其中,迎风屋面的变化比较明显,而背风屋面的变化较小.尤其是当高宽比小于0.35时,无论坡角如何变化,背风屋面的风载体型系数均大致在0.40.6波动.根据以上分析,并综合考虑屋面
21、坡角和房屋高宽比的影响,可总结出低层双坡房屋的屋面风载体型系数的基本变化规律:在同一坡角下,随着高宽比的增大迎风屋面的风载体型系数绝对值趋于增大,背风屋面的变化则比较平缓;在同一高宽比下,随着坡角的增大迎风屋面的风载体型系数绝对值趋于减小,而背风屋面则趋于增大 . 坡屋面房屋的表面风压分布是可行的;该方法具有高效、经济、实用的特点,而且便于进行较系统的参数分析. (2)低坡角(小于30?)双坡屋面房屋的屋面风压一般均表现为负压(吸力).对于相同高宽比的房屋,随着屋面坡角的增大,迎风屋面的风压绝对值趋于减小,背风屋面的风压绝对值趋于增大.仅从屋面抗风设计的经济合理性考虑,屋面坡角宜推荐为15?2
22、5?. (3)总体上看,双坡屋面房屋的屋面风压随高宽比的增大而增大.其中,迎风屋面的变化趋势比较明显,而背风屋面的变化较小.当高宽比小于0.35时,背风屋面的风载体型系数对不同坡角情况均大致在0.40.6变化. 参考文献(References): 1孙炳楠,付国宏.9417号台风对温州民房破坏的调查 C?结构风工程研究及进展?第七届全国结构风效应学术会议论文集.重庆:重庆大学出版社,1995.SUNBing?nan,FUGuo?hong.Surveyofbuildingde?stroysinWenzhouundertyphoonNo.9417C?Re?searchAdvancesinWindE
23、ngineeringonStructures:Pro?ceedingsofthe7thNationalConferenceonWindEffectsonStructures.Chongqing:ChongqingUniversityPress,1995. 2YASUSHIU,NICHOLASI.Windpressuresactingon low?risebuildingsJ.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1999,82:125. 3HOXEYRP,MORANP.Afull?scalestudyofthege? ometric
24、parametersthatinfluencewindloadsonlow?risebuildingsJ.JournalofWindEngineeringandIndustri?alAerodynamics,1983,13:277288. 4HOXEYRP,ROBERTSONAP.Pressurecoefficients forlow?risebuildingenvelopesdrivenfromfull?scaleex?perimentsJ.JournalofWindEngineeringandIndus?trialAerodynamics,1994,53:283297. 5TAMURAT.
25、ReliabilityonCFDestimationforwind?struc? tureinteractionproblemsJ.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1999,81:117143.6王辉,陈水福,唐锦春.低层房屋风压分布特性的模拟与 分析J.计算力学学报,2004,21(3):272276.WANGHui,CHENShui?fu,TANGJin?chun,Numeri?calsimulationofwindpressuresonlow?risebuildingsJ.JournalofComputationalMechanics,2004,21(3):272276. 7陶文铨.数值传热学M.2版.西安:西安交通大学出 版社,2001. 图5?屋面风载体型系数随高宽比的变化曲线 Fig.5?Variationcurvesofroofwind?loadshapefactorsto height?widthratios 4?结?论 (1)低层双坡屋面房屋的屋面风压数值模拟结果和足尺模型实验结果从整体变化趋势上看有较好的吻合.从工程应用角度看,采用数值模拟方法预测