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浙江大学建筑工程学院硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究姓名：张欢申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：陈水福20080501 摘要风荷载是低层房屋结构的一种主要侧向荷载。风荷载的影响因素多种多样，包括气象条件、地形地貌、周围环境、建筑布局、体型、尺度等，导致风荷载的分布规律复杂多变，很难由单一的计算公式统一得到。利用计算机及数值计算技术，将各种形式的低层房屋风荷载计算资料做成数据库，进而开发出低层房屋风荷载的设计计算软件，是土木工程结构风荷载计算分析的一个必然趋势。本文在总结国内外规范的计算方法、相关风洞试验资料和数值模拟结果的基础上，首先对平屋面和单坡屋面低层房屋的风压分布规律和体型系数计算进行了研究；作为补充，采用数值模拟方法对单坡屋面房屋在不同坡角、不同高宽比、不同风向角情况下的风压分布规律进行了参数分析和回归计算，获得了这类房屋各分区风载体型系数的实用计算公式，并将其作为一种参考方法编入低层房屋风荷载计算软件的数据库中。接下来对双坡屋面和四坡屋面低层房屋的风压分布规律进行了总结，对比分析了国内外建筑规范计算风荷载的异同点，对影响风压分布的诸多因素进行了较全面的归纳和分析，揭示了低层房屋表面的平均风压、局部风压以及压力波动随房屋几何尺寸、屋面坡度、女儿墙及墙面和屋面开洞、群体效应、有无建筑突出物而变化的特点和规律，根据总结的规律和计算公式将其应用到风荷载计算软件的数据库中。有突出物的低层房屋的风压分布与普通房屋有较明显的区别。本文在总结国外规范有关有突出物房屋风荷载简化计算方法的基础上，对具有不同形式的突出物房屋的表面风荷载进行了数值模拟和参数分析，着重研究了突出物不同位置、不同高度和面积、不同屋面形式、有无女儿墙和几种特殊形体时风压系数和周围风流场的变化规律，获得了具有突出物的低层风载体型系数的实用计算公式，并将其作为数据库的重要内容之一。最后，介绍了本文编制的基于数据库的低层房屋风荷载设计计算软件，对软件的计算原理、主要功能和数据库资料收集等进行了总结，并给出了若干算例进行应用。关键词：低层房屋；风荷载；单坡屋面；建筑突出物；风压系数；建筑体型；基于数据库的风荷载设计；高宽比；女儿墙；数值模拟。 ABSTRACTWrirId．10adisoneofthemainhorizontalloadsoflow-risebuildings．Therealemanyfactorsaffectingthewind-loadsuchasmeteorologicalcondition,terrainlandform,environment,architecturalcomposition,model，buildingscalewhichresultinwind-pressuredistributiononlow-risebuildingstobecomplicatedanddifficulttoobtainsinglepracticalformula．T11ereforeitiSinevitabletrendofusingthecomputerandthenumericalcalculustechnologytomakedatabaseofthewind—loadcomputationalmethodsandaccordinglydevelopthesoftwareofDatabase．assisteddesignforwindloadonlow-risebuildings．OnthebasisofthemeanofdomesticandforeignBuildingCodesandwind．tunneltestdataandnumericalsimulationresults．thewind．inducedpressuredistributionsandtheshapefactorsonlow-risebuildingsofflatroofandlean—toroofareanalyzed．Assupplement,thelow—risebuildingsoflean—toroofwithdifferentroofpitchesanddifferentheight—widthratiosindifferentwinddirectionsareanalyzed、航tllnumericalsimulationtechniques．Throughparametricanalysisandcomparisonpracticalformulafordeterminationoftheshapefactorsonthebuildingroofareestablished，andtheyareusedinthedatabaseofthesoftwareasaReferencecomputationalmethod．Secondly,thewind·inducedpressuredistributionsofthegableroofandthehiproofaresummarized，andtheSimilaritiesanddifferencesofdomesticandforeignBuildingCodesinthispartisanalyzed．Severalmainpossiblefactorsthataffectthewind-pressuredistributionofthebuilding，includingthebuildinggeometry,roofslope，parapetanddominantopeningsonthewallandroof,roofprotrusionhavebeendiscussedandsummarized．Theprimarybehaviorsofthesurfacemeanpressure，localfluctuatingpressure、加ththeabovefactorsarepresented．Thenapplyingthemtothedatabaseofthewind．resistantsoftware．thewind．inducedpressuredistilbutionsoftheroofprotrusionswithdifferentshapesareobviousdifferentfromtheordinaryhouse．FirstthemethodofBuildingCodesissummarized,thennumericalsimulationtechniquesaleemployedtostudythewind-inducedpressuredistributionsoftheroofprotrusionswithdifferentshapes．11把studyemphasesareputontheeffectsofthepositionofprotrusions，theheightandareaofprotrusions，theshapesoftheprotrusions，parapet，andseveralespecialformsoftheprotrusions．Throughparametricanalysisandcomparisonpracticalformulafordeterminationoftheshapefactorsonthebuildingroofareestablished．Finally,thedevelopmentoftheDatabase．assisteddesignforwindloadsoftwareandthesoftwareofDatabase—assisteddesignforwindloadonlow-risebuildingswhichisdesignedbyauthorispresentated．ThentheComputationtheoryofwindloadandthedatabasealesummarizedandsomeexamplesisgivenfortheapplication．Keywords：low-risebuildings；windloads；lean-toroof；protrusion；windpressurecoefficient；buildinggeometry；Database—assisteddesignforwindload；height-widthratio；p龇apet；numericalsimulation 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究第一章绪论1．1引言地球表面的大气由于温度、气压等因素的变化引起流动，便形成了自然界中最为常见的现象一风。风在流动过程中与近地面的物体发生相互作用，产生不同的风效应。风对建筑物的作用效应通常表现为两个方面：一是平均风引起的静力效应，另一种是脉动风引起的动力效应。对于大多数建筑物来说，由于近地风的卓越周期与结构的基本周期相差较远[1,23,4】，因此风对这些建筑物的作用主要表现为静力作用，其风振影响通常不显著。近地风特别是强风对地面建筑物的作用往往给人们带来不同程度的损失和灾害，国内外统计资料表明，在所有自然灾害之中，风灾造成的损失为多种灾害之首¨’2J，风灾中量大面广的低层房屋的毁坏或倒塌及由此带来的人员伤亡是造成风灾损失巨大的主要原因。近年来，世界各沿海地区台风、飓风、龙卷风等活动频繁，台风经常造成大量建筑物的损坏甚至倒塌。例如，1991年的第19号台风席卷了整个同本，破坏了大量的建筑结构。当年保险公司支付此项自然灾害的保险金额高达5675亿日元，居世界当年自然灾害赔偿金额之首位。1992年美国安得鲁飓风横扫佛罗里达州，将100多万平方英里的地区夷为平地，损失达300亿美元。我国也是一个风灾发生较频繁的国家，如其中1994年的17号台风正面袭击浙江温州、台州等地，造成了20多万间民房倒塌和1000多人死亡的重大灾害【5】o2007年8月在福建登陆的第9号台风“圣帕”使得该省157．54万人受灾，房屋倒塌0．32万问，停产工矿企业525个，公路中断24条次，毁坏公路路基59．18千米，损坏水电站7座，冲毁塘坝33座。全省直接经济损失11．46亿元，水利设施直接经济损失1．17亿元．图1．1和图1．2为这次台风中所损房屋的图片。图1．1“圣帕”台风造成福建民房倒塌、屋顶掀走 浙江大学硕上学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图1．2“圣帕”台风造成浙江苍南大量民房倒塌东南沿海地区是我国主要的台风多发地区，该地区经济比较发达，分布着大量的普通民房、工业用房和商业用房等低层房屋，每次台风过后，造成大量的建筑物倒塌或破损，严重制约该地区的经济发展，所以，开展低层房屋的风工程研究具有十分重要的现实意义。1．2风对低层房屋的作用风是地球表面空气运动的结果。由于地球表面不同地区的大气层所吸收的太阳能量不同，造成了不同地区大气压的不同，例如一个地方上面的空气冷，密度就大，气压也就大些，另一个地方上面的空气暖，密度小些，气压也就小些，这样空气从气压大的地方向气压小的地方流动，这种流动就形成了风。工程结构中涉及到的风主要有两类：一类是大尺度风，如温带及热带气旋。温带气旋(ExtratropicaiCyclone)是由于高山阻碍对大尺度气流的影响，或者由于具有相对均匀物理特性的空气团在大范围内相互作用所引起的，温带气旋常发生于纬度35。到700，其宽度可达1500km。热带气旋(TropicalCyclone)是发生在热带海洋中的大气旋涡，其能量来自水蒸气凝结时所释放的潜热，其直径可达几百公里，旋涡中心可达数公里，风速超过33m／s的热带气旋又称为飓风(Hurricane)，飓风在远东称为台风(Typhoon)，在澳洲及印度洋地区则称为气旋。另一类是小尺度的局部强风，如龙卷风、雷暴风、焚风、布拉风等。龙卷风(Tornado)是由直径可达300m的空气旋涡所组成，它是在强烈的雷暴风中产生的，相对地面移动速度可达lO～70m／s，它的水平尺度在地面处的直径一般在几米到几百米之间，其持续时间不长，只有几分钟到几十分钟，但破坏力很大，是一种破坏力最强的小尺度风。目前，人们还无法确定龙卷风里的风速，因为任何风速计都经受不住它的摧毁，一般情况，风速可能在50～150m／s，极端情况下，甚至达到300m／s或超过声速。雷暴风(Thunderstorm)是．2． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究由于水蒸汽在高空的冷凝所引起的，其瞬时风速一般为15"--'25m／s，其发生时还伴有闪电雷鸣和阵雨。焚风(Foehn)也称热燥风，是由于下沉运动使空气温度升高、湿度降低的风，常出现在山脉的背风面。布拉风(Bora)是常发生于陡峭斜坡隔开的高地与平地之间的风。不管什么类型的风，与建筑物有关只是靠近地面的流动风，即所谓的近地风。由于近地风靠近地面，因此当其穿过不同的地区或地形带(如海洋、陆地、山地、森林和城市等)时，其本身的结构(如湍流、旋涡尺度等)就发生变化，不同的时间和空间，风速也不相同。因此，近地风具有明显的紊乱性和随机性。根据气象部门对近地风的大量实测资料，实际上近地风通常分成平均风和脉动风两部分。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，其周期较长，其性质相当于静力作用。脉动风是由于风的不规则性引起的，其速度和方向是随时间和空间而变化的，具有强烈的随机性，其周期较短，性质相当于动力作用。对于机构设计来说，重要的是建筑物表面的风压分布，特别是具有拟静态作用的相应于平均风的平均风压分布，因此研究平均风条件下对建筑物的作用具有十分重要的意义。低层建筑的定义，在我国是指7层或7层以下，高度小于24m的各类建筑，包括居住建筑，厂房建筑，商业建筑和公共建筑。他们在建筑体型、屋面形式、平面布置上千差万别，而且在建造地点上又具有不同的地形地貌，真可谓量大面广。这类房屋在沿海频繁活动的台风作用下经常造成损坏甚至倒塌。而我国的风工程研究，多集中在高耸、高层建筑、大垮桥梁。但在低层房屋风荷载方面，目前除有关网壳、索膜等大跨轻柔屋面的风洞试验研究已开展以外，尚未见其他有关低层房屋的风压分布特性实验研究的报道。我国目前的荷载规范中嗍，虽然对各种体型的低层房屋的平均风载体型系数有所规定，但尚未详细考虑几何尺寸、风向角等因素的影响，对局部风载体型系数的取值以及局部风压的波动和内外风压的相互影响等问题，均无详细描述，对如何在多台风区通过改进房屋的体型和结构构造以优化结构的抗风性能也无具体建议。而历次风灾调查表明，低层房屋破坏造成的损失超过总损失的一半。由此可见，进行低层房屋的风荷载特性研究十分必要。处于风场中的建筑物，在相同风速的作用下，对于外形不同的建筑物可引起完全不同的风压值和分布，建筑物的迎风面会受到一定的风压力，背风面可能产生旋涡引起的吸力和横向干扰力。对非流线型建筑物，这种可能性更大，整个结构表面的风压力、吸力和横向干扰力的分布是不均匀的。随着结构的高度、体型、迎风面积的不同，风速、风向和湍流结构的变化，风的各种压力也会随时改变。因此，风对建筑物的作用是一个很复杂的过程，一般来说风对建筑物的作用具有以下特点[61：(1)作用于建筑物上的风含有静力和动力两部分，且随高度变化而变化。(2)风对建筑物的作用与建筑物的外形直接有关。-3· 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(3)风对建筑物的作用受周围环境的影响较大，位于建筑群中的建筑物有时出现更不利的风力作用。(4)风力在建筑物上分布很不均匀，在角区及立面向内收缩区域会产生较大的风力。(5)相对于地震来说，风力作用持续时间较长，往往达几十分钟甚至几个小时。东南沿海，是我国主要的台风多发地区。该地区分布着大量的普通民房、工业用房和商业用房等低层房屋，每次台风过后，造成大量的建筑物倒塌或破损。根据风灾调查，低层民房的几种典型强风破坏特征有【7】：1、屋顶被风吹走极大多数民房的屋顶无特别加强措施，屋顶被吹走的很多。门窗不关或塑料纸窗户，在台风的内外力作用下破坏很快。2、侧墙被吹倒在12级台风(36m／s风速)下，10m高度的侧墙的基本风压为0．8斟／m2．考虑峰值系数2．5～4．0时，侧墙的风压可达2．35kN／m2。民房开窗过大，窗间墙宽度过小，使整片墙的刚度和承载能力削弱过大。3、涡致脱落破坏屋檐、山墙顶边或女儿墙，在气流中属于钝体的棱边，气流在那里产生明显的分离，形成涡流脱落，有交变的力作用，在尾流区又有很大的负压区，形成屋檐、山墙的顶边和女儿墙的破坏，这是常见的台风破坏，时间长久后会形成整体破坏。4、木结构房屋容易受到风灾破坏1．3低层房屋风荷载特性的研究现状1．3．1概述低层房屋，在我国一般是指7层或7层以下，高度小于24m的各类建筑，包括住宅、厂房、商业及公共建筑等。它们在建筑体型、屋面形式、平面布置上千差万别，而且在建造地点上又具有不同的地形地貌，真可谓量大面广。这类房屋在沿海频繁活动的台风作用下经常造成损坏甚至倒塌f5】。而我国的风工程研究，多集中在高耸、高层建筑、大跨桥梁。但在低层房屋风荷载方面，目前有关网壳、索膜等大跨轻柔屋面的风洞试验研究已开展得较为广泛，但有关低层房屋风压分布特性试验研究的报道则比较少。我国目前的荷载规范中IS]，虽然对各种体型的低层房屋的平均风载体型系数有所规定，但尚未详细考虑几何尺寸、风向角等因素的影响，对局部风载体型系数的取值以及局部风压的波动和内外风压的相互影响等问题，均无详细描述，对如何在多台风区通过改进房屋的体型和结构构造以优化结构的抗风性能也无具体建议。而历次风灾调查表呀4】，低层房屋破坏造成的损失超过总损失的一半。由此．4． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究可见，进行低层房屋的风荷载特性研究十分必要。如前所述，建筑物表面的风压可分为平均风压和脉动风压两种。脉动风压会使得一些高、细、柔的建筑物产生风振现象。但对低层房屋而言，脉动风压的存在一般只是使其表面的风压分布产生波动，形成随时间和空间而变化的峰值压力(Peakpressure)。因此，研究低层房屋的风荷载特性主要是研究其表面平均风压的分布规律及其压力峰值随时间和空间变化的规律。1．3．2低层房屋风荷载特性研究的方法低层房屋风荷载特性研究的方法，总体来说不外乎足尺模型的现场实测、大气边界层风洞试验及数值模拟三种，但鉴于低层房屋的特点，研究方法也有不同的侧重。一、在自然风环境下的全尺寸现场实测相对于高层建筑来说，低层房屋的全尺寸现场实测开展得较多。国外有关学者对此开展了大量的工作，并取得了不少富有意义的成果。其中较为著名的有英国的艾尔斯伯里试验楼(Aylesburyexperimentalbuilding)和西尔斯结构试验楼(Siloes仃ucturebuilding)以及美国的德克萨斯理工大学试验楼(TTUbuilding)。全尺寸现场实测开展较多主要有两个方面的原因【9J：一是低层房屋的全尺寸现场实测较易进行；二是通过风洞试验的方法来确定低层房屋的风荷载显得较为困难。主要是几何缩尺比问题，风洞试验中需对大气边界层进行模拟，受风洞条件的限制，大气边界层模拟通常采用1／200-1／500的几何缩尺比。根据几何相似原则，模型也采用同样的缩尺比，这就使得模型过小，以至于无法安装测点。而且无法模拟建筑物的细部，如阳台、檐口、女儿墙等。而这些细部恰恰对低层房屋的风荷载特性有着较大的关系。其次模型尺寸过小还将导致雷诺数的降低，使气流发生变化，从而导致风压分布的改变。二、低层房屋的风洞试验为更全面的、定量的研究低层房屋的风荷载特性，并为制定荷载规范提供相应的数据，研究者进行了大量的风洞试验，内容涵盖了对各种体型及屋面形式的低层房屋的风压分布研究【8】【10l；低层房屋屋面压力峰值及其波动的研究【7】；屋顶的构造对风压分布的影响【11】-【20】；覆面材料对风压分布的影响【20】。124]；建筑物之间相互干扰的影响。三、数值模拟随着计算机的发展，借助计算机数值模拟方法研究风的三维绕流问题已成为可能。数值模拟的主要工作是在假设流动风为不可压缩粘性流体的基础上对流体连续性方程和动量方程进行离散，根据离散方式的不同主要有以下几种模拟方式：理论分析方法、直接数值解、平均N．S方程和湍流模型方法、亚格子模型的大涡模拟·5- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(LargeEddySimulation)。目前，国内外的学者主要是通过标准k-￡紊流模型对稳态的紊流Navier-Stokes方程进行封闭处理，再用离散化方法获得风场的数值解Ill】．【”】。由标准k．￡紊流模型得到的建筑表面风压及紊流动能等时均值与边界层风洞试验值有一定吻合，但在建筑物背面及侧面计算值偏小，回流区域也明显减小，存在较大误差【ll】．【13J。由于建筑物背、侧面处气流将出现回流和分离现象，表现为强烈的非各向同性，而标准k．￡紊流模型是在紊流涡粘性假定基础上，其基本方程中的许多项是在紊流各向同性假定下导得的，因此对预测非各向同性紊流不甚理想。1．3．3低层房屋的研究成果和现状进一步的调查还表明：低层房屋的受风破坏，几乎都是从表面围护结构的破坏开始的，特别是屋面围护结构【5】。所以深入研究低层房屋的围护结构(尤其是屋面结构)的受风作用规律，是减少台风等风灾害所造成损失的工作中首当其冲的问题。研究低层房屋围护体系的受风作用规律最早是从房屋结构的几何尺寸入手的，包括房屋的高宽比，横向宽度，墙面开洞情况，屋面坡角，屋面形式(平屋面、坡屋面等)等等诸多方面【14】．【261。由于这方面的研究开展较早，所以研究也非常透彻，许多专家学者都通过不同的试验得出了一系列非常有价值的结论。简述新近的研究结果如下：对于高宽LtH／B对低层房屋围护系统的影响，虽然早有定论，但是随着研究的进一步深入，人们对这一问题的看法却不很一致了。目前对各国的建筑标准和建议性规范而言，绝大多数认为当房屋的高宽比(爿7曰)小于0．5时，其对房屋各个表面的风压系数的影响较小，可以忽略不计【9】。但是格哈德(Gerhardt)和克莱默(kramer)等人【20】在对具有较大宽度的平屋面低层房屋进行风洞试验时发现，当房屋的高宽比(肿)大于或等于0．1时，其屋面的风压分布受房屋相对高度的影响十分明显。低层房屋由于建筑造型，使用功能和排水等方面的需要，常采用坡屋面的形式。工业厂房由于对采光和通风有较高的要求，故常采用单坡、双坡及锯齿形屋面等。而对于量大面广的低层民用建筑来说，最常采用的是双坡和四坡屋面。对于坡屋面而言，则主要考虑屋面坡角的变化而引起的风压分布以及风压系数的变化规律。经过长时间的实验研究，得知：屋面局部风压峰值一般出现在迎风屋檐或屋脊附近，其值大小与屋面坡角直接有关。另外，屋面局部风压还受风向角影响较大，各种风向角下屋脊处的峰值吸力(绝对值)随着坡度增加而增大；而迎风屋檐处的峰值吸力随着坡度增加而减小【21卜圈。Sparks和Meecham等人【23】通过实验对比指出四坡屋面较双坡屋面在抗风破坏方面有着较大的优越性。四坡屋面的最大峰值吸力较双坡屋面的最大峰值吸力可降低50％左右，有效的降低了低层房屋屋面的风荷载作用。．6． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究低层房屋屋顶的构造(檐口、女儿墙等)和屋面材料(屋面瓦、保温隔热层等)等对风压分布也有着特殊的影响。对于低层坡屋面房屋，其屋檐更多的是采用挑檐的形式。由于挑檐在迎风面上下表面均有较大的风荷载作用，因此该部位较之屋面其它部位更加不利，更易受损。对此问题，风工程界不少专家都予以了特别的关注，也作了一大批有无挑檐、挑檐的受风作用特性以及挑檐对屋面体系风压分布的影响的实验，获得了很好的研究成果。对于低层房屋平屋面而言，女儿墙的设置对于减小迎风屋面边缘和角部的局部风吸力是十分有效的瞄】。女儿墙对屋面风压分布的影响与房屋的几何尺寸、女儿墙的相对高度等因素有关。全尺寸实测试验得出，在斜风向作用下，迎风屋面角上的最大吸力随女儿墙高度的增加而减小。但是女儿墙本身会引起峰值吸力分布范围的扩大，屋面某些部位的面积平均风压，反而会因女儿墙的设置而增大。后来的进一步风洞试验首先得出，低层房屋屋面角部的平均风压受女儿墙h／L(办为女儿墙高度，三为房屋长度)的影响较大，不单只受其高度影响。其后的全尺寸实测实验证实这一观点，并进一步确定了h／L仅在O．1、0．2之间时屋面角部及边缘处的平均负压值增加较快，这一结论对于工程设计非常价值。女儿墙的外形的不同，对低层平屋面的风压分布也有很大影响，Pindado和Meseguer等人【26】通过风洞试验对竖直实面、竖直有孔洞的、顶部有悬挑的三种不同形式的女儿墙对平屋面平均风压的影响，做了系统地分析，得出了如下结论：当h／H(办为女儿墙高度，砌房屋高度)小于0．05时，孔隙率为50％的有孔洞的女儿墙相对于实面竖直女儿墙，能够很有效地降低屋面角部的最大负压值；随着脯的不断增大，不论是有孔洞的女儿墙还是实面的女儿墙，对屋面角部的最大负压值的减小，效果都不明显。对于上端有悬挑的女儿墙，相对高度较小(彬删、于0．031)时，其降低屋面角部和边缘的最大负压的效果比前两种形式都好；但是这种女儿墙，增加了施工制作的难度，且同样不适于臌大的情况。屋面覆面材料如屋面瓦片、保温隔热板等在遭遇强风作用时的脱落和损坏，有时也会导致整个屋盖系统的破坏。对于这个问题，一般的解决办法是在屋盖覆面层的下面引入小小的一层空气隔离层【271。这样既能使其表面的风压力得到较好的平衡，又能使其所受的净风压力大大减小。但是有关这方面研究结论的看法目前仍有争议。大量有关低层房屋风压特性的研究都是只考虑单体的，这主要是因为一方面影响单体本身风压特性的因素就很复杂，另一方面考虑建筑群体相互干扰的风洞试验通常需要在模拟大气边界层风洞中进行，但是由于几何缩尺比的关系，考虑低层房屋建筑群体相互干扰的风洞试验很难实现。但对于低层房屋中最大量的居住建筑来说，经常是规则或不规则的成片布置的，建筑物之间的气流干扰是不容忽视的。但-7- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究到目前为止，这方面的研究‘一1仍比较少，也仅仅只停留在群体建筑规则排列的层面[291-[30]。低层房屋屋面的角部、边缘、和屋脊等部位所测得风压比屋面平均风压要大得多，风灾中这些部位往往最先受到破坏。屋面压力峰值的形成与气流分离有关，由于气流的分离会在其尾流中产生锥状涡旋脱落，从而形成风压的波动，因此了解屋面峰值风压的分布及其风压波动的情况是十分必要的。但这方面的研究结果通常很不一致，主要是因为压力峰值受诸多因素的影响，如大气边界层的模拟、气流的横竖向扰动、测压孔的布置及其间距等【28】。1．4基于数据库的低层房屋风荷载设计1．4．1研究背景和DAD的发展过程建筑规范中通常采用简表或简图的简略方法(slide．rule)计算作用在建筑上的风荷载，由此带来的风效应估计值可达到50％的偏差以上【3l】。随着现代计算机技术的发展，这种偏差完全可能得到减小，从而使得结构设计(包括承受典型动力风荷载的柔性结构)变得更加安全、经济。基于数据库设计(database．assisteddesign，DAD)的风荷载设计平台软件(WindLoadDesignEnvironment．WILDE)正是基于这种状况开发的1321。在风工程领域，DAD设计方法不仅能在设计阶段对局部与整体破坏的结构做出真实有效的极限承载力的估计，以后还能对结构的其他非线性行为的极限承载力做出真实评估。以前由于没有足够的相关信息而不能完整地考虑风荷载的空间及瞬时变化特点，规范中因此包含了风荷载和荷载效应的风险不一致性。比如，由于过分简化，作用在结构上的荷载有的取值过大而有的取值过小，相应的内力亦如此，结构设计中有的截面设计的过大，利用不高，而有的却在正常使用过程中有失效的风险f33J-【3引。为了弥补这些缺陷，国外规范(如美国ASCE7．98)利用风洞实验积累了一些数据资料做为设计时的补充和参考，但一方面由于数据量过于庞大产生了存储的问题，另一方面这些数据不能直接应用到设计中，所以就有必要提供一种能简单快速有效处理这些数据的方法便于实际设计需要，DAD应此而生。DAD有以下方面的特点和应用：(1)风向效应分析DAD中提供了两种分析模型：一种是不计风向的极值风速估计，此时只考虑结构空气动力学方向的影响，它极值风玫瑰图是圆形，风由各个方向等速吹来，忽略气候学的方向对极植风速的影响，通过研究发现，这种情况下有较大的风险不一致性。另一种是方向风速分析，这种情况下极值风气候的方向与建筑空气动力学方向均需考虑。英国的BS6399规范和美国的ASCE7_哆8均采用了后一种情况进行设计。在达文波特的建议下ASCE7--98采用幻=0．85的方向折减系数来考虑极植风气候的-8- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究影响，但通过对比实验表明这种取值是不安全的，在强度设计中低估了实际风效应。而在DAD中Simiu、Heckert、Rigato等分析认为有效的风向折减系数应该是平均重现期的一个函数，而非常数，且假设对于50年重现期应取0．85—O．90，重现期越大，该系数越趋于l。目前应用于WILDE中的气候风向分析是由Batts研究出的飓风风速模拟方法组成的。(2)计算结构非线形行为的极限承载力(3)风效应极值的非高斯分布研究表明作用于低层房屋上的风效应的时程服从典型的非高斯分布并将其应用到DAD中。(4)结构可靠度评估随着极值风速模型和相关的微气象学特性的发展，DAD可以应用这些发展对风效应的概率分布作出有效估计，它综合考虑了风速的随机特性和相关信息不充足所带来的不确定性，后者包括：风速分布、地形特点、气象站记录的极值阵风风速和风洞模拟下的时均风速之间的转化、不同地形粗糙度下风速之间的关系、风洞和全足尺风压之间的关系、风效应时程的极值估计中的抽样误差等。WiLDE-LRS软件能容易的综合考虑上述可靠度分析，从而进行更有效的计算，进而对规范的更新、设计、风灾损失估计提供很大帮助。上述模型已经在2002年整合进WILDE中。(5)地面粗糙度对空气动力学系数的影响通过风洞实测与ASCE7规范的计算对比发现，ASCE7—98中空气动力学系数与地形粗糙度无关的假设是错误的，目前这部分的工作仍在进一步研究中。(6)极值风速估计中的抽样错误ASCE7假忽略了极值风速的抽样误差，但这种假设没考虑因飓风模拟的气候等资料数据相对较少会引起较大抽样误差。DAD中考虑了这种误差，并由Simiu等人给出了N年重现期时风速估计的抽样误差的表达式。(7)风压系数测定中的时序长度风效应估计取决于风洞实验中的风压时序长度f，f过大会产生建筑上的空气动力学数据过大的存储问题，太小则会引起极值风效应估计时抽样误差过大，为了规范需要，对于底层框架的极值风效应时序取30分钟为宜。(8)建筑物间距对风效应的影响大多数规范假设设计风压与建筑物之间的距离无关，而DAD则考虑了这一因素，利用一个反相关函数来修正设计风压。DAD面临三个需解决的问题，首先，各种数据资料要易于组织管理和整合到分析中，第二，从风洞实验或者CFD计算而来的风压数据要容易导入，第三，软件分析的时间长度要合理，太耗时的计算不利于设计需要。第一代DAD应用软件为WILDE．LRS，是从Frameloads软件(可用于低层门式．9． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究钢架风荷载设计)发展而来的，用Matlab语言编写，它能根据空气动力学压力数据和结构信息的处理得到结构及其构件的风载效应的时程分析结果，它还能很容易的和其他分析模型结合使用，能与计算结构动力性、结构非线性、结构可靠度、流体力学的软件相整合。J．S．Yang开发了拥有图形用户界面(GUI)的第一个版本(WILDE2．1)的此类软件。在当前的最新版本晰LDE2．7中，整个结构设计信息的处理更加清楚且易于操作，在后处理中，更能基于整个时程的计算出真实而有效的风荷载响应统计值，而非以前的抽样极值。WiLDE拥有了当前其他设计软件所不具备的更广范围的结构分析能力。UWO和NIST(美国标准和技术协会)、刑(TexasTeehUniversity)正在合作完成一项空气动力学数据库标准，来采纳那些能应用于DAD数据库中的数据。WILDE的计算步骤为：(1)输入建筑几何尺寸、结构属性、风况资料、空气动力学压力等数据。(2)计算风效应(包括弯矩、剪力、轴力)(3)输出计算结果。目前的WILDE最新版本能输出两种结果：简表统计结果和极值统计结果。前者能以简表的方式显示三种荷载效应(弯矩、剪力、轴力)的均值、最大值、最小值，后者可以绘制荷载效应时程统计曲线。在工程防灾抗灾领域，建筑规范面临的头等任务就是规范上所采用的各种数据、设计分析模型、建筑结构满足的条件等内容的进一步改进和合理化，为了有效减小风灾损失风工程规范在今后十年的关键之处就是对风荷载信息的完善，而有效的传达及处理风荷载信息是实现以上目的的必要手段。对于主要承受风荷载作用的结构，应用DAD的设计方法可充分利用好建筑构件的性能，从而达到节省建材，降低工程造价，节约建筑施工过程中的能源，还能减少极端气候下的建筑损失，并能对需要加固的已建建筑的缺陷进行评估。1．4．2DAD应用和软件开发展望应用DAD对承受风效应的建筑进行设计明显能取得更好的经济性和安全性。目前基于DAD已开发出WILDE软件用于低层房屋的设计，其他类型的结构风荷载计算也能从中得到启发。美国的LehighUniversity目前正用DAD作金属结构的梁、檩条和其他构件的分析软件开发，以下简要说明一下DAD以后的研究方向：(1)在屋檐、屋角等地方的利用风洞测试得到的应力值与全足尺模型得到的不一致，这些资料必需更正后才能应用到DAD的数据库中。(2)极限承载状态的估计需要风洞压力测试得到从属荷载的空间变化情况，这种变化必需要建立其可用于设计的公式。(3)建筑几何特性、尺寸等数据需完善，几何结构上相对相差不大的建筑物的．10． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究风压分布的相似关系需建立，目前这项工作在加拿大ConcordiaUniversity的研究中。(4)如何更好的处理风压数据也是摆在我们面前的一个重要问题。目前，加拿大WesternOntarioUniversity正致力于对风压数据的标准格式化工作。(5)随机性导致不同风洞实验取得的数据也不一致(相同条件下)，为了更好更有效的利用别的风洞数据，风洞测量必需满足一个最小标准。DAD数据靠UWO测量的风压系数而来。风洞测量的质量控制与准入条件正在研究中，内部实验测试比较是实现这个目标的第一步。目前NISm，等正在进行这项工作。(6)因雷诺数不同的影响，风洞实验与全尺度实验测出的风压系数在结构拐角和屋檐处不一致，必需要经过修正。目前已积累了很多这方面的对比资料。鉴于中国国内这方面的研究还处于起步阶段，而DAD发展较快的国家，如美国和加拿大，WILDE中许多数据，如气象学数据是来源于美国一些相应区域，我们可以积累自己这方面的数据和信息来适应国内WILDE设计的需要。其次，WILDE主要针对低层房屋，对其他结构如大跨结构等的风洞实验和数值模拟数据也可以进行收集，借鉴WILDE中所采用的方法对大跨结构进行研究，以期得到满意的应用成果。最后，DAD本身还有许多理论以及数据资料待完善的地方。1．5本文研究的主要内容本文的工作主要有以下几个方面：1、为了系统的对作用于低层房屋的风荷载和房屋自身的抗风特性的规律进行总结，编制相应的数据库进行抗风设计应用，对平屋面和单坡屋面低层房屋风压分布规律和计算进行了探讨，对比了国内外规范上对于平屋面和单坡屋面房屋风荷载体型系数的计算方法，针对国内规范的不足，利用数值模拟的方法对单坡屋面房屋在坡角、高宽比、风向角等因素影响下的风压分布进行研究，将得到的分区体型系数实用计算公式编入作者开发的基于数据库的风荷载设计软件中作为国内规范以外的一个参考方法。2、对双坡屋面和四坡屋面低层房屋风压分布规律和计算进行了探讨，对比了国内外规范上对于双坡屋面和四坡屋面房屋风荷载体型系数的计算方法，针对国内规范的不足，通过一些足尺实验和数值模拟的结果总结了双坡屋面和四坡屋面低层房屋在坡角、高宽比、风向角、墙面和屋面开洞等因素影响下的风压分布规律和体型系数的实用计算公式，将其编入作者开发的基于数据库的风荷载设计软件中。3、采用可实现的七一s湍流模型对低层房屋屋顶有突出物的情况进行了比较系统的分析，分别研究了楼梯间突出、局部房间突出，分析了他们在主体建筑屋顶的不同位置，其不同高度和面积变化，突出物为平屋顶、单坡屋顶、双坡屋顶的情况，有无女儿墙的情况，以及突出物形状变化等一系列不同工况下的风流场变化规律进．11． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究行了数值模拟分析，获得了可供设计参考的体型系数的实用计算公式，并将其应用到抗风设计软件中。4、在综合大量国内外规范，风洞实验、数值模拟的基础上，用VisualBasic6．0中文版为开发平台，后台采用Jet数据库引擎操作Access数据库，进行有关数据的处理和存储，采用可视化的输入输出界面，对低层房屋的抗风设计编制了软件包，实现了低层房屋抗风设计荷载的快速计算。最后对国内抗风规范的不足之处提出了一些合理建议。5、最后，对本文的研究工作进行总结，归纳出主要结论，并提出进一步研究的设想。．12． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究第二章平屋面和单坡屋面低层房屋的风荷载分布特性研究2．1引言为了较系统地掌握作用于低层房屋的风荷载分布规律和房屋自身的抗风特性，编制相应的数据库进行抗风设计应用，有必要对影响低层房屋风荷载的参数进行定性和定量的分析。低层房屋由于建筑造型、使用功能和排水等方面的需要，常采用平屋面和坡屋面的形式。工业厂房由于对采光和通风有较高的要求，故常采用单坡屋面、锯齿形屋面等等。而对于量大面广的低层民用建筑来说，最常采用的是平屋面、双坡和四坡屋面。对于低层房屋而言，屋面是抗风薄弱部位，房屋的损害大多和屋面有关，因此对屋面的风荷载分布特性的研究是最关键的。不同的屋面形式其表面风荷载分布特性有非常大的区别，影响因素很多。对于风荷载计算最重要的体型系数，国内荷载规范【8】给出的取值相对比较粗略，仅仅考虑了二维状态下的整体体型系数，对体型系数有较大影响的高宽比、风向角等都没有考虑，与国外风荷载研究比较发达的国家如日本、加拿大、美国等的建筑荷载规范【60彤】存在不小的差距。本章就平屋面和单坡屋面低层房屋的风荷载分布特性及相关体型系数取值的改进(与国内规范比较)进行探讨。2．2平屋面低层房屋风荷载分布特性研究2．2．1建筑规范中平屋面低层房屋风荷载计算按照国内建筑荷载规范的规定，垂直于建筑表面的风荷载Wk(1烈／m2)，根据结构的功能分以下两种计算方法：对于主要承重结构：Wk=尾从∥：Wo(2—1)对于主要围护结构：wk=p弘弘spzWoQ_2)-13- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究其中成为高度Z处的风振系数，艮为高度Z处的阵风系数，以为风压高度变化系数，‰为基本风压。对于低层房屋，由于刚度较大自振周期小，风振可以不予考虑，但需要考虑阵风系数，由上式可见，确定房屋在总体上受到的风荷载的大小关键在于确定其各个面上的风载体型系数以的大小(或面平均风压系数的大小)。建筑物表面任何一点的沿顺风向的净风压力w，除以建筑物远前方上游自由流风的平均动压去p；2，得到一个无量纲系数一该点的风压系数∥鲥，即∥酊：#L(2．3)∥盯2丁三u。J互∥由于各面上各点的风压比值并不相等，工程上为了简化，常取各面上的平均值或整体的平均值，来表示该面或整体所取代表面(常取垂直风向，最大投影面积)上的压力比值。在我国规范中，该压力比值称为风载体型系数，由式(2-4)表示：∑％4以2』苎}(2-4)平屋面低层房屋风荷载体型系数熊的计算按二维平面下进行取值：迎风墙面：+o．8屋面：-0．6背风墙面：一O．5两侧墙面：一0．7以上的取值均为整体体型系数，不考虑高宽比的影响，比较日本的建筑规范，对于低于45m的矩形截面建筑物，迎风墙面的体型系数和高宽比是有直接关系的，计算方法如下：当高宽比B／H一<3时，以=O．8k：，其中七：为竖向风剖面系数当高宽比B／H>3时，以=O．6就目前各国所采用的建筑标准和建议性规范而言，绝大多数认为当房屋的高宽比I-I／BR<0．5时，其对房屋各个表面的平均风压系数影响较小，可以不予考虑19]，但格哈德(Gerhardt)和克莱默(Kramer)等人120】对具有较大宽度的平屋面低层房屋进行风洞试验时却发现，当房屋的高宽比H／B>O．1时，其屋面的风压分布受房屋相对高．14． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究度的影响十分明显，见图2．2．1。黝1．74瞪刚TT口WIDTHRATIrl(h／b)—-1卜一O．20——·一位10—-．卜一O．05J翻S[NN【别BER(J)=tIEXPON￡NT口FVELOC丌YPROFlibE(e0=024图2．2．1房屋宽度较大时屋面相对高度H鹏对风压分布的影响【20】通过对文献【37】中的足尺实测试验数据以及作者算得的相关结果进行分析，得出以下一些结论：1、当房屋的平面尺寸相同时，背风墙面的平均风压系数随着房屋的高宽比DI／B值的增加而增大。2、迎风墙面的平均风压系数受房屋几何尺寸的影响较小。3、当房屋的高宽比相同(相近)时，屋面的平均风压系数随着檐口高度的增加而增大。由于低层房屋高度都小于24m，高宽比变化带来的在风压分布和局部风压峰值上有一定的影响，对于整体体型系数影响不是很大，简化计算时可以按照国内规范中的规定取均值，如果有特殊要求，可以参考国外如日本规范的建议采用和高宽比有关的体型系数进行计算。2．2．2女儿墙对平屋面低层房屋风压分布的影响平屋面低层房屋檐口构造的一种常用形式是女儿墙檐口。女儿墙的形状、几何尺寸都对屋面风压分布产生明显影响。Christian等人M利用风洞试验研究了平屋面靠近迎风屋面角上的最大吸力随女儿墙的高度变化的情况；Baskaran和Stathpoulos等人【12】【41】研究了平屋面角部吸力与女儿墙设置的关系；Surry和Lin等人【14】【42】对具有锯齿形、方形、圆形等不同边界形状的女儿墙进行了风洞试验，并与普通女儿墙进行了比较，并得到了一系列重要的结论。国内规范上有一种设置女儿墙时体型系数的计算，迎风墙面的体型系数仍然为+o．8，背风墙面体型系数为一0．5，与不设置女儿墙时的体型系数一样，仅在迎风墙面的女儿墙水平顶面上考虑+1．3的体型系数，背风墙面女儿墙顶面体型系数为0，并且在女儿墙高度有限时屋面体型系数按无女儿墙的屋面采用。国外风工程专家对平屋面女儿墙的研究已经比较深入m喇】，而对坡屋面女儿墙的研究则涉及较少。结合到我国的实际情况，女儿墙建筑是较为普遍的，例如带码头墙的低层民居、有特定使用功能及排水功能的工业厂房等。而在我国的荷载规范-15- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究中，却只简单给出了一种带女儿墙的坡屋面的风载体型系数，目前尚没有对女儿墙的影响进行较细致的研究，导致在工程设计时无据可循。因而，女儿墙对平屋面风压分布及风荷载影响研究，是十分必要的。对于女儿墙引起气流变化的规律和成因，Gregory等【43】通过详细研究后获得如下结论：(1)对于连续的周边女儿墙，女儿墙抬高了屋面的屋角旋涡。较低女儿墙增加了屋面局部风吸力；较高女儿墙时，屋面风荷载将减少至低于那些未设女儿墙的情况；在所有情况下，女儿墙扩大了屋面旋涡的范围。(2)对于单片女儿墙，来流在女儿墙竖向边缘的分离，改变了屋面来流的旋涡结构。较高女儿墙时，屋面风荷载变得更大，峰值吸力偏离屋角。(3)女儿墙同样会引起屋面正风压。一旦存在女儿墙，规范值就会变得欠保守。ASCE7规范中有关锯齿形屋面的条文，应用于几乎平坦、带有女儿墙的双坡屋面是偏安全的。对于女儿墙自身的风压变化规律，Cb_dstian等【40】通过对女儿墙对低层房屋女儿墙荷载影响的详细研究后获得如下结论：(1)女儿墙外表面面积平均正风压系数随屋檐高度的减少而增加，但变化不是很明显；(2)女儿墙内表面风荷载随着屋檐高度的增加而增加；(3)女儿墙净荷载变化与内表面有相同的趋势，但是在从属面积大于10m2的情况下，屋檐较高的女儿墙外表面风压的稍微减少导致净风压趋于相同值。文献【39】的数值模拟研究了女儿墙布置形式、女儿墙高度等方面对女儿墙对低层房屋的屋面风压的影响进行考察，总结出以下结论：(1)对于低层房屋而言，女儿墙的设置对减小屋面的局部风吸力、改善屋面风压分布不均匀性有很好的效果。(2)女儿墙的设置可以大大减小迎风檐口处的负压，且使得屋面风压分布趋于均匀，有利于屋面抗风。(3)女儿墙的设置形式对屋面抗风也有一定影响：垂直于风向的女儿墙的设置对于减小迎风屋面边缘和角部的局部风吸力是十分有效的；平行于风向的女儿墙改变屋面风压的效果不显著，但可使得风压分布更为均匀；斜向的女儿墙会引起角部的局部风吸力明显增大。(4)女儿墙的高度对屋面风压影响不大，对常用的上人、不上人屋面设计，可忽略女儿墙高度的影响。另外，对于用设置女儿墙来改善屋面风压分布的各种方法，设置扰流板和多孔女儿墙是减少屋角、屋面边缘及内部区域风压系数的有效方法，这些方法产生比不设女儿墙时低得多的面积平均局部风荷载；与实体女儿墙相比，提高屋面四角女儿．16． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究墙的高度，将会减少所有区域的风荷载；屋角女儿墙开槽同样是有利的，但其效果稍差些；单面设置女儿墙是最差的情形；对于小面积来说，屋面四角不设女儿墙，其效果将比实体女儿墙差；然而，对于单片女儿墙，在到达屋角之前收头，有利于减少屋角区域的风荷载(与单片女儿墙一直伸到屋角相比)。女儿墙的设置对平屋面低层房屋风压分布影响的规律比较复杂，目前还不能得到实用的计算公式，国内规范上对于女儿墙的影响情况考虑的非常简单，不足以归纳各种相关情况，因此只能做定性的分析，作者编制的软件数据库中暂时没有考虑这个因素，如果今后这方面的研究有新的进展，能够提供可供设计使用的数据，可以添加进本软件的数据库中。2．3单坡屋面低层房屋表面风压分布特性研究2．3．1建筑规范中单坡屋面房屋体型系数取值的相关规定对于国内建筑规范，单坡屋面风压体型系数的数据，但都是考虑二维状态下不考虑风向角，不考虑高宽比影响，不考虑屋面坡角变化，也没有考虑到低层房屋局部体型系数的扩大如屋檐处、墙角、女儿墙等钝体分流处局部风压的变化和分区计算。体型系数∥。的取值规定如下：房屋低侧墙面位于顺风向时，各区的体型系数为：迎风墙面：+0．8背风墙面：一0．5屋面如下表2．1所示(注：硝屋面坡角)：口≤15。300≥60。Hs—O．6O+O．8表2．1中国建筑荷载规范单坡屋面房屋屋面体型系数【8】坡角为其他度数时按表2．1插值计算。房屋高侧墙面位于顺风向时，各区的体型系数为：迎风墙面：+0．8背风墙面：一0．5屋面：一O．5规范中对于单坡屋面房屋体型系数的算法已经编入软件，对房屋低侧墙面位于顺风向时的屋面体型系数的插值计算进行编程，可以由输入的坡角很方便的计算出相应的体型系数。但是这种取值比较粗略，对风荷载计算要求不高或形体很简单的单坡屋面房屋可以采用这种方法进行设计，如果要想获得更细致的房屋分区风荷载-17- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究就要参考国外规范相关规定，作者也利用数值模拟的方法对单坡屋面房屋进行研究，并且参考日本规范的方法获得了分区体型系数，将结果应用到软件的数据库中作为对国内规范的补充。经过长时间的实验研究，得知：屋面局部风压峰值一般出现在迎风屋檐或屋脊附近，其值大小与屋面坡角直接有关。另外，屋面局部风压还受风向角影响较大，各种风向角下屋脊处的峰值吸力(绝对值)随着坡度增加而增大；而迎风屋檐处的峰值吸力随着坡度增加而减小。参考国外规范，如日本、澳大利亚、美国、加拿大[60-631等研究风荷载比较成熟的国家的建筑规范对风荷载的规定可以看到，他们对单坡屋面建筑都利用分区的方式计算不同坡角、不同风向角、不同高宽比下的局部体型系数，计算得知这些系数的变化比单一的整体体型系数差别很大。单一应用二维整体体型系数的带来的结果，一方面使得建筑风压较小的部位扩大计算了设计风荷载值，材料强度大大富余而造成浪费(对于外装修构件和连接构件尤甚)，另一方面在风压远远高于整体的平均体型系数部分又估小了风荷载，使得建筑局部风压较大的部位存在抗风设计不足的危险，正如低层房屋风致破坏的部位很多都是这些局部风压较大的地方。所以对单坡房屋考虑其在三维状态下的局部体型系数是很有必要的。本章利用FLUENT软件在具有2G内存和2．4G时钟频率的服务器型微机上对对10。、15。、20。、25。、30。坡角(一般30。为单坡建筑坡角上限)，0．32、0．64、0．96、1．28的高宽比(对应单层、两层、三层、四层房屋)的单坡屋面建筑在0。、90。、180。风向角60个工况下的屋面风压进行了较详尽的计算与分析，数值模拟基于Reynolds时均方程和可实现的k-e湍流模型，通过对屋面平均风压随高宽比、坡角变化、风向角的参数分析，获得了墙面和屋面风压随坡度、高宽比和风向角变化的趋势与规律，并计算了屋面各区块的风载体型系数，可直接供工程抗风设计参考和应用。2．3．2单坡屋面低层房屋风压分布的数值模拟2．3．2．1研究对象和计算模型本节的研究对象是具有不同高宽比、不同坡角的低层单坡屋面房屋。房屋平面尺寸为7．5mX10m，檐口处高度有3．2m、6．4m、9．6m、12．8m。数值模拟时计算区域取为150m×75mX60m的三维长方体区域，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、10倍和5倍。由于对象为低层房屋，其高度多在20m以下，其表面风压受大气边界层风速变化的影响较小，故来流风取为均匀流。来流风的湍流强度采用日本建议的湍流强度公式【蚓：，(z)=o．1乜／zG)1吨05(2．5．)一18- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究在B类地貌下，上式ZG=350m，Ⅱ=O．15。对计算区域的离散采用了具有良好拓扑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。近壁面的流动采用非平衡的壁面函数法【27】处理。对不同情况的网格总数为20万左右。图2．3．1给出了建筑物附近的一个典型网格划分情况。图2．3．2为0。风向角，坡角为20。的计算区域中心竖直剖面的风速矢量，矢量图中各线段的长度和指向表示该处平均风速的相对大小及方向。由图可见，数值模拟较好地反映出了迎风前角附近的气流分离和背风面处的回流等复杂流态及相对流速大小。图2．3．1单坡屋面房屋典型网格划分(a)0。风向(b)180。风向图2．3．2中心竖直剖面的风速矢量翮图2．3．3风向角定义．19． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究2．3．2．2不同坡角和高宽比对屋面风压的影响分析本文充分利用数值模拟的优势，对O。、90。、180。风向角下高宽比分别为O-32、0．64、0．96、1．28，对应常用的单层(檐口高度为3．2m)、两层、三层、四层的低层单坡房屋在坡角为10。、15。、20。、25。、30。的情况进行了较系统的模拟计算和参数分析。图2．3．4给出了数值模拟得到的五种坡角(10。、15。、20。、25。、30。)檐高6．4m的屋面在0。风向角下的风压分布图线。6亡==令口=10。心亡===>口=15口=20图2．3．4oO风向角屋面风压分布随坡角变化由图2．3．4可见：(1)0。风向角下，迎风屋面的屋檐前缘的风压值随着坡度的增大而先增大后减小，在15。坡角情况下此处出现最大负压．1．6，最大负压在30。坡角时取最小值，最大负压均出现在屋檐前缘分流引起的漩涡中心，最小负压出现在屋面中心靠后侧，10。～25。坡角时屋面不出现在附着现象，整个屋面均为负压，30。时屋面极小区．20． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究域会出现正压(值很小，图中未标出)，代表着再附着的出现。主要是由于坡度增大，能形成较短的附着距离。随着坡角的增大，屋面中部风压绝对值最小的区域越来越大。图2．3．590。风向角屋面风压分布随坡角变化(2)90。风向角下，所有的屋面平均风压系数都是负值，且风压分布随坡角的变化很小，最大的负压值出现在迎风的屋檐处，值约为一1．4；最小的负压值出现在屋面最后边，值约为一O．34。．21． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究180。<===]图2．3．6180。风向角屋面风压分布随坡角变化(3)180。风向角下，所有的屋面平均风压系数都是负值，且风压分布随坡角的变化很小，最大的负压值出现在迎风屋檐两边角处，值约为一O．72(10。坡角时达一O．85)；最小的负压值出现在迎风屋檐处，10。、15。时值为．0．28，其他几种为．0．18。H／B=O．32H／B=0．64H／B=0．96H／B=1．28图2．3．7ooR,向角屋面风压分布随高宽比变化．22． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(4)图2-3．7给出坡角为15。(15。为比较典型的坡角)，檐高分布为3．2m、6．4m、9．6m、12．gm的屋面风压分布图线，由此得到屋面风压分布随高宽比的变化规律。0。风向角下，迎风屋面的屋檐前缘的风压值随着高宽比的增大而增大，但增大幅度很小，在H／B=1．28时出现最大负压．1．8，最大负压均出现在屋檐前缘分流引起的漩涡中心，最小负压出现在屋面中心靠后侧，平均约0．3，随着高宽比的增大，屋面迎风后部风压绝对值最小的区域越来越小，风压趋于平均化。H／B=0．32H／B=0．64H／B=0．96H／B=1．28图2．3．890。风向角屋面风压分布随高宽比变化(5)90。风向角下，屋面的风压值整体上随着高宽比的增大而增大，但增大幅度很小，在H／B=1．28时出现最大负压．1．46，最大的负压值出现在迎风的屋檐处，最小的负压值出现在屋面最后边，值约为一O．3，屋面较高一侧风压略大于低侧风压。H／B=0．32H／B=0．64H／B=0．96H／B=1．28图2．3．9180。风向角屋面风压分布随高宽比变化(6)180。风向角下，所有的屋面平均风压系数都是负值，且风压分布随高宽比的变化很小，最大的负压值出现在迎风屋檐两边角处，值约为一0．8，最小的负压值出现在迎风屋檐处，10。时值为．0．13，其他几种约为．0．24。-23- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究一一一一=，．一一j一一一一一一=●一一—_一一H／B=O．32(口=15。)H／B=I．28(OS--15。)图2．3．100。风向角中心竖直剖面的风速矢量(高宽比比较)口=109(H／B=O．64)口=309(H／B=O．64)图2．3．110。风向角中心竖直剖面的风速矢量(坡角比较)(7)图2．3．10和2．3．1l列举了具有典型意义的高宽比对风场影响的两个例子，在图2．3．10中可以看到，高宽比主要影响建筑前后墙面的风流场分布，高宽比较大的建筑在迎风墙面下部可以形成较明显的驻涡区，而对于高宽比较小的建筑，气流到达迎风面时可以比较容易的爬过建筑向上流动，流到下部的气流很少，不容易形成驻涡。对于背风墙面，高宽比较大的建筑形成的涡流更充分，近尾流区域更长。(8)从图2．3．11中可以看到坡角主要影响屋面气流的再附着，坡角较小时气流能较容易的附着在屋面，在迎风屋檐处出现分离涡，屋面整体表现为吸力，当坡角增大到一定程度时再附着现象不再出现，屋面整体表现为压力。2．3．2．3分区计算体型系数以上对屋面的风压分布及峰值压力等进行了分析。在实际工程中设计者往往更关心的是屋面的整体风压及其变化情况，鉴此本节主要对屋面坡角为10。、15。、20。、25。、30*，高宽比为0．32、O．64、0．96、1．28以及风向角为0。、90"、180。共60种工况进行了数值模拟计算。结合《日本建筑学会对建筑物荷载建议》对单坡屋面低层建筑局部分区计算风．24． 饕o．娶o．匿割0．浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究压系数的方法，按照风压相近的区域划分为一片的原则对不同风向角下的房屋进行相应的分区，如图2．3．12和2．3．13所示，图中U为迎风墙面、RU为迎风屋面、R为墙面、S为侧墙面、L为背风墙面、RL为背风屋面，此分区与日本建筑规范有些地方不同，主要是考虑有些分区的体型系数相差较小，将其予以合并。图中L取2H和B(房屋宽度)中的较小值。图2．3．120。风向角建筑体型系数计算分区(a)90。风向角(b)180。风向角图2．3．13建筑体型系数计算分区图2．3．14给出了O。风向角时各分区体型系数随屋面坡角和高宽比变化曲线。—◆_H／B--0．32O1020坡角0．9O．8燕o．1谣剥o．蔷o．墓o．裂o．O．．25．O高宽比10度坡角15度坡角20度坡角25度坡角30度坡角 O．0籁0．1．|Il；剥0．2蕊阻0．3辨譬0．40．5．0-．1_．2_1_．3_．5-．7_．9--1—0．10O．O赣一0．1谣剥—O．2簟旧一0．3蜜=一0．4一O．5203040O坡角0O．511．5高宽比0—0．6一O．7O1020坡角20坡角图2．3．1410度坡凭15度坡完20度坡焦25度坡凭30度坡焦30．32．64．96．280．0—0．1一O．2—O．9一1．0O．O—O．1一O．6—0．7O0．540010．32．64．96．28203040坡角高宽比00．50。风向角各分区体型系数．26．20坡角高宽比1．510度坡角15度坡角20度坡角25度坡角30度坡角4010度坡角15度坡角20度坡角25度坡角30度坡角345678∞∞吨加加加簌峨翮茸旧辩N一3456789O一．一。籁睡耐雄旧辨．【，l2345加∞∞∞籁帐刹肇旧暴fN∞籁帕剥肇旧疆-【∞01234567890n吼nmnmL一蝼帐剥堆旧吾f医斟2345∞田m骚幅匐诺诗口鬈f￡∞ 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究吨5—0．6慧-0．7馨-o．8筐-0．9蓑_1．o—1．1—1．2由图2．3．14可看出，迎风墙面U体型系数随高宽比的增大而近似线性增大，随坡角的变化不明显，实际使用时可以高宽比为参数总结实用计算公式，未列出的高宽比可按其线性插值计算。背风墙面L1、L2体型系数随高宽比的增大其绝对值增大，随坡角的增大其绝对值也增大，最不利情况为高宽比为1．28，坡角为30度时，当坡角为10。时体型系数与其他几种情况相差较大，其余几种坡角体型系数相差较小且随高宽比近似线性变化，实际使用时中可以以10。为分界单独列出随高宽比变化的计算公式。侧墙面S1体型系数随高宽比的增大其绝对值减小，随坡角的增大其绝对值增大，最不利情况为高宽比为0．32，坡角为30度时，当坡角为lO。时体型系数与其他几种情况相差较大，其余几种坡角相差较小，实际使用时中lO。单独列出随坡角线性变化，其他取为一个常数。侧墙面S2体型系数在高宽比小于0．64时线性变化，大于0．64时可取常数。侧墙面S3体型系数在高宽比等于0．32时随坡角增大其绝对值线性增大，可得出计算公式，其他几种变化不明显取为常数。迎风屋面RU体型系数随高宽比的增大而线性增大，随坡角的增大而减小，且不同之间坡角时体型系数相差较大，实际使用时可以按坡角分界以高宽比为参数总结实用计算公式，未列出的可按其线性插值计算。图2．3．15给出了90。风向角时各分区体型系数随屋面坡角和高宽比变化曲线。(图中10、15、20、25、30均为坡角，0．32、0．64、0．96、1．28为高宽比)高宽比赣-o·1I谣副-0．210堆磊弘25；祉-o．430-0．5高京比1．OO．O-o．1籁-0．21躐副一0．3菩一o．4娶-o．5露-o．6—O．7—O．81．5．27．高宽比1．0l0O0O0O0籁峨剥母恒磐匿尉 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究o．O吨I赣-0．2瞩矧-0．3蔫_o．4墨．o．5晕吨6．0．7O．0—O．2籁1|Il∈一0．4副母-0．6N篮—O．8高蠢比O．O—0．110_0．215．．吨320惹训，￡剥吨5：：：譬-0．6JU筐一o．7一o．8—o．9一1．01．5010籁帕酬簟∞篮051015202530010持席203040坡度图2．3．1590。风向角各分区体型系数由图2．3．15可看出，迎风墙面U体型系数除lO。坡角外其他坡角随高宽比的增大而近似线性增大，随坡角的变化不明显，实际使用时可以高宽比为参数总结实用计算公式，未列出的高宽比可按其线性插值计算。背风墙面L体型系数随高宽比的增大其绝对值线性增大侧墙面Sl、S2、S3体型系数随高宽比的增大其绝对值线性增大，可列出随高宽比变化的计算公式。迎风屋面R1、R2、R3在坡角为10。时体型系数随高宽比的增大而线性增大，其他坡角的体型系数变化很小，可取为常数。图2．3．16给出了180。风向角时各分区体型系数随屋面坡角和高宽比变化曲线。高宽比。藿5饕0基5基。矗．28．O∞加加加加加加加加1O加加加加加加加加加1lO0O 籁倏刹葚J}耳辑区缸浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究高宽比1015202530谣剥蛙H∽l耳鳃暮lO152025300·00·51·U1·50．000．501．00高宽比图2．3．16180。风向角各分区体型系数由图2．3．16可看出，迎风墙面U体型系数除10。坡角外其他坡角随高宽比的增大而近似线性增大，随坡角的变化不明显，实际使用时可以高宽比为参数总结实用计算公式．未列出的高宽比可按其线性插值计算。迎风屋面RL体型系数随高宽比的增大其绝对值线性增大，可列出随高宽比变化的计算公式。背风墙面L体型系数随高宽比的增大其绝对值线性增大，可列出随高宽比变化的计算公式。侧墙面Sl、S2、S3体型系数除lO。与其他坡角相差较大单独列出，其他四组坡角综合为一组，它们都随高宽比的增大其绝对值线性增大，可列出随高宽比变化的计算公式。根据以上的分析，可列出以下的分配屋面体型系数实用计算公式如下：oo风向角时各分区体型系数如下：(高宽比H／B=多，口为坡角)迎风墙面U：0．68+0．012B．29．1015202530O加加∞加加加加加加oO咱加吨加加加∞加加1O加加加加m加加加加qO呻加加加加加加加咱■ 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究迎风屋面RU：坡角RU体型系数10。-0．51一O．211315。--0．29-o．311320。_0．17—0．31325。-0．07—0．26B30。-0．34-0．2213表2—2O。风向角单坡屋面房屋迎风屋面体型系数背风墙面LI、L2：坡角L1体型系数L2体型系数10。-0．1—0．2413一O．16—0．2113>10。-0．28—0．1213-0．38—0．0413表2．30。风向角单坡屋面房屋背风墙面体型系数侧墙面Sl、S2、S3区域13≤0．3213>O．32Sl-0．64-0．014口-0．7S3一O．16—0．01口-0．46-0．004a13≤0．6413>O．64S2-0．37—0．009口-0．57表2-4O。风向角单坡屋面房屋侧墙面体型系数90。风向角时各分区体型系数如下：迎风墙面U：坡角体型系数10。O．61+0．18B>10。O．74+0．0713表2．590。风向角单坡屋面房屋迎风墙面体型系数背风墙面L：_o．1加．1213屋面R1、R2、R3区域13≤0．3213>0．32Rl-0．7一O．003口-0．82R2-0．4-0．006a-0．65R3-0．12一O．005口-0．46-30- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究侧墙面Sl、S2、S3表2-690。风向角单坡屋面房屋屋面体型系数区域体型系数S1-0．78—0．213S2-0．39—0．1813S3一O．17—0．1813表2．790。风向角单坡屋面房屋侧墙面体型系数180。风向角时各分区体型系数如下：迎风墙面U：坡角体型系数10。0．53+0．2713>10。0．77+0．07B表2-8180。风向角单坡屋面房屋迎风墙面体型系数背风屋面RL：-0．57—0．1113背风墙面L：一0．2—0．1913侧墙面S1、S2、S3：区域10。>100Sl-0．78一O．1113-0．63—0．06BS2-0．49-0．08B-0．55-0．06B13≤0．3213>O．32S3-0．57一O．0613-0．26-0．55-0．03B表2-9180。风向角单坡屋面房屋侧墙面体型系数2．4本章小结(1)本章主要研究了低层房屋中平屋面和单坡屋面两种屋面形式下风压分布规律，比较了国内外规范上相关体型系数的取值，讨论了各自的适应性、异同点，并将其作为作者编制软件的数据库资料以供设计使用，说明了不同情况下不同体型系数选用的原则。(2)讨论了国内规范规定对平屋面低层房屋体型系数的计算方法的适应性、局限性，比较全面的研究了高宽比和女儿墙对平屋面低层房屋体型系数的影响，在上述基础上将体型系数的计算方法应用于数据库中。(3)利用数值模拟的方法详细研究了屋面坡角、风向角、高宽比对体型系数的-3】· 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究影响，在对屋面各分区的体型系数的变化规律进行分析、归纳和简化的基础上结合日本规范分区计算体型系数的方法获得了单坡屋面房屋在不同风向角下的屋面风载体型系数的实用计算公式，该公式对屋面不同分区归纳到了若干简单的表格之内，可直接供工程抗风设计参考和应用，从而为单坡屋面房屋的抗风设计提供了良好的依据。实用公式编入数据库中提供相关方面的计算参考。(4)通过数值模拟分析表明，在0。、90。、180。三种风向下房屋的体型系数差异较明显，特别是屋面的体型系数，O。风向角时体型系数由于坡角和高宽比的不同而比较发散，变化范围在一0．019"-'-0．789，90。风向角时体型系数由于分区不同而规律不同，靠近迎风屋檐处风压较大且比较集中，在-0．72"--'--．0．83之间，其他两个区域相对小些，体型系数也比较发散。180。风向角时体型系数较集中，在-0．6～一0．7之间变化。(5)高宽比主要影响迎风和背风墙面前后的风流场分布，高宽比较大时迎风墙面易形成驻涡区，背风墙面后部的竖向涡发展的比较完善，总体上房屋各个面上的体型系数(绝对值)随高宽比的增大而增大。(6)坡角主要影响屋面气流的再附着，坡角较小时气流能较容易的附着在屋面，在迎风屋檐处出现分离涡，屋面整体表现为吸力，当坡角增大到一定程度时再附着现象不再出现，屋面整体表现为压力。当坡角较小时(<30。)总体上房屋各个面上的体型系数(绝对值)随坡角的增大而增大。-32- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究第三章双坡屋面和四坡屋面低层房屋的风荷载分布特性研究3．1引言双坡屋面和四坡低层房屋是工业与民用建筑中广泛采用的房屋形式，对于这两种屋面形式的低层房屋的风荷载设计是一个重点内容。目前国外的部分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【37】[64】对l2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(O．3和O．7)情况下的体型系数参考取值，供极端气候条件下的1～2层低层居住房屋抗风设计采用。国内规范只是简单取坡角变化下的体型系数计算公式而没有考虑高宽比的影响，而四坡屋面国内规范中根本没涉及到。本章对双坡和四坡屋面低层房屋风荷载分布规律进行研究，比较国内外规范对相关体型系数的规定进行比较和总结，另外结合数值模拟的方法对在不同高宽比、风向角、坡角下的体型系数进行补充，将相应的结果编入数据库中。3．2双坡屋面低层房屋风压分布规律研究3．2．1国内外规范中双坡屋面房屋体型系数取值的相关规定对于国内建筑规范，双坡屋面风压体型系数的数据，但都是考虑二维状态下不考虑风向角，不考虑高宽比影响，不考虑屋面坡角变化，也没有考虑到低层房屋局部体型系数的扩大如屋檐处、墙角、女儿墙等钝体分流处局部风压的变化和分区计算。体型系数∥。的取值规定如下：迎风墙面：+0．8背风墙面：一0．5背风屋面：一O．5两侧墙面：一0．7迎风屋面如下表3．1所示(注：动屋面坡角)：口≤15。300≥600ps一0．60+O．8·33· 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究表3．1中国建筑荷载规范双坡屋面房屋迎风屋面体型系数阎坡角为其他度数时按表3．1插值计算。规范中对于双坡屋面房屋体型系数的算法已经编入软件，迎风屋面体型系数可以由输入的坡角很方便的计算。但是这种取值比较粗略，对风荷载计算要求不高或房屋形体很简单时可以采用这种方法进行设计。参考国外规范，如日本、澳大利亚、美国、加拿大[60-631等研究风荷载比较成熟的国家的建筑规范对风荷载的规定可以看到，他们对双坡屋面建筑都利用分区的方式计算不同坡角、不同风向角、不同高宽比下的局部体型系数，计算得知这些系数的变化比单一的整体体型系数有一定的差别，所以对于国内规范单坡房屋在考虑三维状态下局部体型系数是很有必要的。基于上面的分析，本章参考文酬37】中对双坡屋面低层房屋数值模拟的分析结果将更加详细的体型系数实用计算公式添加到软件的数据库中，提供需要详细设计低层房屋风荷载时另外一个供参考的计算方法。3．2．2双坡屋面低层房屋风压分布的数值模拟结果文献【了7】对”U足尺实验中的12个双坡屋面房屋模型的屋面风压进行了数值模拟，在验证了数值模拟的J下确性和有效性的基础上对同类房屋在不同高宽比和不同坡角情况下的变化规律进行了较系统的参数分析。数值模拟基于Reynolds时均方程和可实现的缸占湍流模型。通过对屋面平均风压随高宽比、坡角变化的参数分析，归纳出了屋面坡角在10。-30。时的风载体型系数随坡角和高宽比变化的实用计算公式，可直接供同类结构的抗风设计参考和应用。图3．2．1计算模型【37】低层双坡房屋的屋面风载体型系数(加权平均风压系数)的实用计算公式如表3．1和表3．2所示。在实际抗风设计中，如果房屋坡角和高宽比与表中某一栏相吻合，则可直接按表3．1和表3．2计算出迎风和背风屋面的风载体型系数；如果坡角和高宽比的数值介于表中相邻两栏之间，则根据这两栏求得的体型系数再进行线性插值计算。．34． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究由表3．1、表3．2可以看出，当高宽比较小时，屋面风载体型系数变化幅度不大。为了简化计算，表3．3给出了高宽比小于0．35时屋面风载体型系数的统一计算公式。实际抗风设计中，对于高宽比较小的双坡屋面房屋，也可直接按该表进行计算。(厂为高宽比)表3．1迎风屋面风载体型系数的实用计算公式【391淤．10。15。20。25。30。高宽比＼0．14一y-0．68-y-O．69-％-0．46一y—0．2l-y+O．02O．2一y一0．613-7"-0．62—7_o．52—7_o．15-y+O．05O．27-y-0．69-y-O．63-y-0．5一y_o．15-y+O．070．32-y-0．7—7-0．65-y-0．5-y-0．16-y+O．06O．67一y_0．37-y-O．37一y_o．37一厂-y+O．05表3．2背风屋面风载体型系数的实用计算公式【39】试10。15。20。25。30。高宽比＼0．14一y-O．26-％-0．4-y-O．42一，，一0．42-y-O．37O．2-％-0．19-y-O．28-y-O．38-y-O．37-y-0．33O．27-y-O．13-y-O．24-y-0．27-y-0．26-y-O．270．32-y-O．12-y-O．18-y-O．24-y-O．26一y一0．240．67-y+O．07-y+O．09-y+O．05-y+O．01-y+O．04表3．3y≤0．35屋面风载体型系数的实用计算公式【391＼＼＼坡角10。15。20。25。30。屋面＼＼迎风屋面-y-0．67-y-0．65-y-0．5—7加．17-y+O．05背风屋面-y-0．18-y-O．28-y-O．33-y-0．33—7-0．31相关结论：(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)。-35· 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究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。~25。。(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O．35时，背风屋面的风载体型系数对不同坡角情况均大致在-o．4~一0．6之间变化。3．2．3屋面和墙面开洞对双坡屋面低层房屋风压分布的影响分析3．2．3．1规范中对开洞情况的体型系数计算历次风灾表明，低层房屋门、窗在台风中很容易招到飞行碎片的破坏而形成洞口，结果使低层房屋在内、外风压的共同作用下，更容易招致破坏。为了考虑墙屋面开洞的情况对双坡屋面低层房屋风压分布的影响，有必要对其规律进行整理，将结果应用到软件的数据库中。国内建筑荷载规范中考虑了房屋单坡开敞、双面开敞、四面开敞和半开敞几种情况，体型系数计算如下：一1．5(a)单面开敞式双坡屋面oII∞!lI罗(b)四面开敞(C)两端有山墙(d)前后纵墙半开敝图3．2．2国内外规定对开洞时双坡屋面体型系数的规定．36． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究口≤150300≥600ps—O．60+o．8表3．4单面开敞和半开敞双坡屋面迎风屋面体型系数[81口HsIP,2≤lO。一1．3一O．730。+1．6+O．4表3．5四面开敞式双坡屋面屋面体型系数【81由图3．2．2可以看到，国内规范上对开洞情况考虑的比较简单，由于是房屋模型是二维状态，开洞位置，开洞率等都没有考虑到，而且也没有屋面开洞的情况，因此对体型系数的计算偏于简单，要求不高时可以作为风荷载设计的依据，作者的软件中将这种计算方法编入了数据库中，随坡角变化的屋面体型系数可以很方便的输入坡角后计算得到。3．2．3．2风洞试验和数值模拟对墙屋面开洞风压分布的研究由于开洞的情况比较复杂，如果洞口是突然产生的，那么有可能由于瞬时效应而使内压产生明显的峰值。另一方面，在定常响应中，亥姆霍兹共振现象也会使实际的内压峰值比准静常理论所估算的值高。Holmes【45】最早在文献中论证了瞬时效应及亥姆霍兹共振现象，随后许多研究者【4∞50】也进行了一系列研究。当迎风墙面开洞时，平均内压与洞口附近的外部风压较为接近。在内外风压的共同作用下，减轻了迎风墙面的风压，却加强了其它墙面的外部吸力，屋面尤甚。图3．2．3给出了迎风墙面开洞时房屋的风压，图中假定房屋内部大部份地方的风压是相同的。图3．2．3迎风墙面开洞时房屋风压【5I】低层房屋在正常情况下(门窗洞口关闭时)其外表面的孔隙率约为占=2X10_4～lX10_3(占定义为房屋的有效通风面积与表面积之比)，在此情况下，其内部压力-37- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究一般较小，且不受外部气流的影响，约为25--一100Pa，然而当房屋门窗在突遇强风而招致破坏时，房屋内部风压会有明显的增强，当房屋外表面脉动负压与房屋内部正压共同作用时，对某些结构构件，尤其是屋面覆盖单元及其连接构件而言受力非常不利，风灾调查也显示许多房屋在遭遇强风破坏时，不单单是外部风荷载过大所致。当房屋外表面开有门窗洞口时，其外墙面及屋面上风载是由内外风压的代数和决定的，如果建筑物迎风面(或背风面)上开孔，而其它面均密封，风的流动将形成正的(或负的)内部压力【3】。此时，房屋内部压力分布及大小不仅与迎风或背风面上的开洞大小及位置有关，更与其外部来流特征及外部压力分布有关[53J。从工程设计角度而言，提供房屋开洞时作用在建筑表面包覆材料上合理、安全的净风压值是十分必要的。为此，各国风工程研究者们做了大量的试验研究工作，取得了很多有意义的成果。如Woods等人【53】对低层房屋在不同开孔条件下的内压变化进行较为详细的多参数对比风洞试验，揭示了当房屋单面开洞和双面开洞以及孔口的大小及位置变化和风向角的变化对平均内压和峰值内压的影响：Ginger等人【52】通过对WERFL低层建筑的足尺试验测量得到了不同测点的内压和外压，研究了作用在名义上封闭和有单一开孔的建筑物上各测点上的净压，并与规范ASll70．2作了比较：Sharma等人【5l】对低层建筑在迎风面具有两个不同大开孔时屋面上不同位置净风压进行了深入的研究，按照l：50的几何缩尺比对TTU建筑进行了边界层风洞试验，得到了不同风向角下屋面内外平均压力系数。结合文献【54】对此问题的研究，分为墙面和屋面开洞位置、开洞率、屋面坡度、檐高几种情况进行数值模拟，总结的规律如下：l、墙面开洞位置对屋面外侧风压系数的影响不是很大。450和1350风向角为最不利风向角，最不利抗风位置发生在背风屋面靠近屋脊区域。屋面内侧风压分布，在不同开洞位置、不同风向角下，没有统一的变化规律。2、墙面开洞率对屋面外侧风压系数影响不是很大。屋面外侧风压系数均为负值，450风向角时风压系数绝对值最大，发生在背风屋面靠近屋脊区域，为最不利风向角。3、墙面开洞时屋面外侧风压系数均为负值。总体上说，当屋面坡度为300时，前屋面净风载体型系数最大，为抗风最有利屋面坡角。900为抗风最有利风向角。在来流风垂直屋脊时，背风屋面为抗风最不利位置。4、墙面开洞时屋面外侧风压系数均为负值，5、对于屋面开洞，屋面外侧风压系数均为负值。在同一风向角下，随着开洞位置的变化，屋面外侧风压系数没有统一变化规律；450及1350最为抗风最不利风向角。5、没开洞、1350风向角为前屋面抗风最不利工况，前屋面开洞、00风向角为前屋面抗风最有利工况；没开洞、450风向角为后屋面抗风最不利工况，前屋面开洞、00风向角为后屋面抗风最有利工况。由于开洞情况比较复杂，目前难以通过实验的方法获得可供设计使用的体型系-38- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究数，数值模拟方法有望在这方面取得开洞下的房屋风荷载体型系数，以后可以添加进软件的数据库中。3．3四坡屋面低层房屋风压分布规律研究3．3．1引言我国荷载规范提供了多种情况下双坡屋面风压体型系数的计算数据，但没有四坡屋面房屋的信息。Xu和Reardon[65】在边界层风洞中对15。、20。、30。坡角的四坡屋面房屋模型在三种风向角下的屋面风压进行了风洞试验测定，他们的分析侧重于屋面各测点处的风压随坡角的变化，没有涉及各区块平均风压的分布规律。由于四坡屋面低层房屋在我国应用十分广泛，所以有必要对这类房屋的抗风设计提供可靠的风压分布规律和实用设计公式。3．3．2四坡屋面低层房屋风压分布的数值研究由于规范上没有四坡屋面体型系数的计算方法，因此利用文献【30】采用数值模拟方法，并结合风洞模型试验，对15。、25。、35。、45。坡角下的四坡屋面在0。、45。、90。风向角下的屋面风压进行了较详尽的计算与分析，获得了屋面风压随坡度和风向角变化的趋势与规律，计算屋面各区块的风载体型系数，并将其应用到软件的数据库中。图3．3．1风向及屋面分区示意图【30】图3．3．1表示屋面的四个分区：四边形区域A、B和三角形区域C、D以及风向角的定义。综合考虑屋面坡度和房屋高宽比的影响，总结出低层四坡屋面房屋的屋面风载体型系数随坡角和高宽比变化的实用计算公式如表3．6和3．7所示。在实际抗风设计中，可分别按表3．6和表3．7计算求得屋面各分区的体型系数，然后酌情取两者的较大值作为设计依据。表3．6屋面体型系数随屋面坡度变化的实用计算公式【301．39． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究区屋面坡趴≤60。>60。域≤45。>45。域A≤25。-0．02岱_o．6-0．6B-0．03货—0．35-0．03货—0．05区>250-0．04a-2．0-0．6区-0．8-0．9C≤35。-0．02a-O．4-0．02衍旬．1D-0．0l∞m．65-0．02货—0．5区35。～45。-0．03a+0．15-0．8区-0．02毋旬．3O．05货—2．1>4500．0l萨1．8-0．8-0．01萨1．8O．2注：硝屋面坡角表3．7屋面体型系数随高宽比变化的实用计算公式【30】区＼＼风向角区域高宽p＼≤60。>60。域≤60。>60。A≤1．O-1．5y+0．4田．5D一0．4y-O．45旬．75，，+o．15区l～20．3y-1．4O．5区．0．90．2y-O．85≥2—1．5y-O．5．o．5-0．17-0．7-0．1Y-0．25B≤1．O一0．4y-O．5_o．7y+O．3C-0．5厂一0．4-0．3Y一0．3区1～3．1．0加．75区．1．O一0．85≥3-0．2y-0．3．O．75-0．2y-O．4．0．85注：y为高宽比相关结论：(1)四坡屋面房屋的屋面局部风压峰值一般出现在迎风屋檐或屋脊附近，其值大小与屋面坡角及风向角直接有关。最大局部风压系数出现在35。坡角受斜风作用的情况，其值为．2．7。(2)从总体上看，各种风向角下屋脊处的峰值吸力(绝对值)随着坡度增加而增大；而迎风屋檐处的峰值吸力随着坡度增加而减小，30。以后转变为正压。若综合考虑这两处的峰值压力，则坡度在25。左右对屋面抗风较为有利。(3)房屋长宽比对屋面体型系数的影响较小，坡度和高宽比的影响则比较显著。(4)不同风向角下，屋面作为侧风面的区域均表现为负压，其体型系数(绝对值)随坡角增大逐渐增大，实用中可近似按线性插值计算；作为背风面的区域也表现为负压，其体型系数随坡角变化较小，实用中可按一较保守的常数取值。．．40．． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究第四章有突出物的低层房屋表面风压的模拟计算4．1引舌低层房屋体型丰富多样，除了最常见的平屋面、单坡屋面、双坡屋面和四坡屋面等在屋面形式上的变化以外，还有很多房屋在立面上造型不规则，各个楼层平面面积不相等，体现为带有突出物的建筑特征。这一类带突出物的建筑，从突出物功能上讲分为以下几个方面：(1)作为上人屋面房屋的顶层楼梯间，这类突出物在农村建筑中十分常见，位置和下层楼梯的布置一致。城镇中多层楼房也有很多使用这种造型。(2)为了建筑功能需要上下楼层平面面积不相等，这类突出物一般用做居住房屋或储物房间使用，有一些是为了在最上一层能形成露台使顶层居住面积缩小，还有一些当作储物间使用，同时能起到对下层的保温隔热作用。(3)作为储水问或者重型提升设备的存放房间。(4)为了使建筑造型好看而添加的装饰作用的突出物。(5)其他功能需要而做的突出物。带突出物的低层房屋的风荷载分布规律与普通房屋有较显著的区别，为了将这类房屋的风载体型系数编入数据库中，有必要对其进行专门的研究。本章先介绍国内外对带突出物房屋的研究情况，国家规范中对此类问题的体型系数计算，然后通过数值模拟的方法对突出物在主体建筑上的不同位置，不同底面积大小和高度，不同屋面形式，是否含女儿墙，以及几种特殊的突出物形式做了比较全面的分析，在此基础上得出相应的风压分布规律和体型系数的一些实用计算公式，并编入软件的数据库中。4．2建筑规范对有突出物低层房屋的风荷载计算专门针对突出物房屋的风压分布研究在国内涉及很少，建筑抗风领域比较发达的国家如加拿大、美斟删【62】等的建筑规范对含有突出物的屋面都有专门的计算方法。如下图4．2．1所示为国内建筑荷载规范上对带有突出物的封闭式复杂多跨屋面房屋的体型系数规定。．41． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图4．2．1带突出物的封闭式复杂多跨屋面房屋的体型系数图4．2．1中∥。当突出物间距a≤4h时(1l为突出物高度)为0．2，当a>4h时为0．6，可以看出，主体房屋迎风墙面的体型系数为0．8，与没有突出物时相等，背风面体型系数为一0．4，比没有突出物时的体型系数一0．5要小(绝对值比较)，突出物本身的体型系数与不含突出物房屋的体型系数相差比较大，但是这种类别的房屋并不是专门针对带突出物的房屋而言的，也没有一般意义上的带突出物房屋体型系数的计算方法。加拿大国家建筑规范和美国建筑规范中专门针对屋面有突出物这种情况列出了相关的风荷载压力系数，分为双坡屋面和四坡屋面房屋含突出物两种工况，对屋面进行分区来考虑突出物对屋面体型系数的影响，从中可以看到是否有突出物对建筑屋面体型系数有一定的影响。不过由于加拿大和美国规范中计算风荷载的方法和中国有很大差异，屋面压力系数表现为随结构设计从属面积变化的函数，不方便应用于国内建筑风荷载设计，故在本文中利用数值模拟的方法对含突出物的房屋进行风压分布分析，以符合国内风荷载设计的形式给出相关的研究结论。最后将数值模拟的结果应用于软件的数据库中，作为含突出物房屋的一种风荷载设计的参考方法。4．3有突出物低层房屋风压分布的数值模拟分析4．3．1计算模型本文的研究对象中的主体房屋平面尺寸为12mXlOm，檐口高度为6．4m，对应两层楼高。突出物尺寸在不同情况下不一致，在以下章节中各自说明。数值模拟时计算区域取为180mXlOOmX60m的三维长方体区域，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、10倍和7倍。由于对象为低层房屋，其高度多在20m以下，通过数值模拟中来流风采用均匀流和按指数变化的气流发现房屋表面风压受大气边界层风速变化的影响较小，故来流风取为均匀流。文中计算的风压值均以建筑物高度处未受扰动的气流动压作为压．42． 浙江人学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究力参考值，并经无量纲化后以风压系数形式给出。对计算区域的离散采用了具有良好拓扑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。近壁面的流动采用非平衡的壁面函数法【271处理。对不同情况的网格总数为25万左右。图4．3．1给出了建筑物附近的一个典型网格划分情况。图4．3．I单坡屋面房屋典型网格划分4．3．2楼梯间突出物位置变化的风压数值分析楼梯问突出物是上人屋面中最常见的一种突出物，由于楼梯问平面位置的布置灵活多变，带来风压分布规律研究的困难，针对这一特点，本文利用数值模拟的优势对楼梯问5种不同位置和多种风向角做了分析。主体房屋平面尺寸为12m×lOm，檐高6．4m，突出物长宽高尺寸为3m×2．6m×2．2m，主体房屋和突出物均取为平屋面，两者相对位置如图4．3．2所示(平面投影)，突出物平面尺寸大约为主体房屋的1／16(即每个小方格)。角部1／2边部黝㈤中心髟班———_一，_㈣上8a度风向。度．匾向。2．．43．．黝缓勿 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图4．3．2突出物位置变化与风向角定义图中5种位置分别代表了突出物在角部、1／4边部、1／2边部、1／4中心、中心，下面给出几种典型情况的风场速度矢量图(沿顺风方向从突出物中部截取)。(a)oO风向角突出物在角部(b)0。风向角突出物在1／2边部(c)180。风向角突出物在角部(d)oO风向角突出物在正中心图4．3．3中心竖直剖面的风速矢量图4．3．3可以看作突出物处于主体建筑顶面边缘时沿顺风向变化的三个位置，当O。风向角且突出物在角部时气流在突出物屋檐出现严重分离，由于分离流线较低，能够附着在突出物顶面后部，并且也推迟了气流在主体建筑上的再附着，并在顶面形成涡流，尾流在突出物背风墙面形成涡流。0。风向角且突出物在1／2边部时，相对于突出物在角部时位置向后退，使得气流在主体房屋的屋檐分离，遇到突出物迎风面时发生回流，形成漩涡，导致迎风面体型系数大大减低至出现负值，在突出物顶面气流平行流过，不再发生分离，同样，气流在突出物背后出现涡流。180。风向角且突出物在角部时，突出物据主体房屋的迎风屋檐最远，气流在主体房屋屋檐发生分离后经过一个较远的距离到达突出物迎风墙面，形成一个较长的驻涡，气流经过突出物顶面时也不发生分离，直接平行贴项流过。0。风向角且突出物在正中心时，气流的速度矢量图与00风向角且突出物在1／2边部时非常接近，略有区别的是在中心时突出物尾流大体水平流走，而边部时有部．44． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究分向下流动，且气流速度较前者大，主要是由于突出物在中心时两侧均为在主体屋檐分离后上扬的气流，尾流受此影响减弱了向下回流的趋势。图4．3．4给出几种工况的风压分布图(，为风向角)：(a)角部(y=O。)Co)角部(y=180。)(c)1／2边部(y=O。)(d)中心(y=O。)图4-3．4突出物屋顶风压从图4．3．4中可以看出，突出物顶部风压随着它与主体建筑迎风屋檐距离的增大而减小(绝对值)，并且趋于均匀，突出物位于角部且风向角为0。时出现最大的风压峰值-2．2，突出物位于角部且风向角为180。时出现最小的风压峰值一0．89，最大负压均出现在屋檐前缘分流引起的漩涡中心，最小负压出现在屋面中心靠后侧，对于距主体建筑迎风屋檐距离相等的图4．3．7和图4．3．8两种情况，前者风压峰值和整体风压均大于后者，主要是由于突出物在中心时两侧的气流都受到主体房屋分离气流的影响而减弱了对突出物顶面的风力作用。由此可以看出，对于抗风比较薄弱的屋顶来说，突出物屋面风压的最不利工况是离主体建筑迎风屋檐距离最近的情况，计算表明图4．3．5中突出物屋顶的体型系数．45． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究可达一1．13，比单独置于风场中的体型系数增大了60％，这种扩大效应不容忽视。(a)1／2边部(y=O。)(b)中心(y=O。)(c)角部(Y=180。)图4．3．5突出物迎风墙面风压图4．3．5可以看到，这几种情况下迎风墙面都不同程度的出现了负压，表明此时受到主体建筑分离气流后形成的涡流影响比较大，负压在墙面的中下部和顶部边缘，负压最大峰值出现在突出物在中心时达N-O．69，突出物在角部且风向角为180。时负压区较小。另外，通过计算发现，主体建筑各个面的体型系数和风压分布对于没有突出物时变化较小，故在此不作专门的论述，这主要是由于本节中楼梯间突出物体型尺寸相对主体建筑而言比较小，对其风压影响不大。后面章节中突出物体型较大时对主体建筑体型系数的影响会予以考虑。下图4．3．卜图4．3．9给出以上5种位置变化4个风向角共20种情况突出物各个面的体型系数的变化情况。．．46．． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究籁1唾剥蛙茁援．叵区倒o-1．OO．40．20．0一O．2一O．4—0．6一O．8O．60．40．20—0．2一O．4—0．6一O．8一l—1．2一1．4+迎风墙面+背风墙面：＼．．=警。：～t图4．3．6oO风向角突出物体型系数位置图4．3．790。风向角突出物体型系数一j＼jj；◆+迎风墙面+背风墙面+屋面+侧面l+侧面2+迎风墙面+背风墙面+屋面+侧面1+侧面2位置图4．3．8180。风向角突出物体型系数．．47．．42O2468O0糕峨烈蕊嫂尽匮o①搽帐剥葚眠足区越o∞一 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究籁1《刹簟援厘区{越。卜N位置+迎风墙面+背风墙面+屋面+侧面1+侧面2图4．3．9270。风向角突出物体型系数这4图中侧面1、侧面2分布指突出物靠近主体建筑中心的侧面和远离中心的侧面。横坐标1～5分别表示突出物位于角部、1／4边部、1／2边部、1／4中心、中心5种位置。l、从图4．3．6可以看出，0。风向角迎风墙面体型系数除了角部位置为正值0．58外其他均为负值，突出物在中心时迎风面体型系数有最大负值一O．41(绝对值最大)，在1／2边部时有最小负值(绝对值最小)-0．025，此5种情况下迎风面体型系数均大幅小于单独作用在风场中的体型系数O．8，主要是因为气流在爬过迎风屋檐后的速度比较小。另外从离主体建筑迎风屋檐的距离看，此距离越大，迎风墙面体型系数越小，从垂直风向看，离中心位置越远，迎风墙面体型系数绝对值越小。屋面、背风墙面、侧墙面的体型系数随着5种位置的变化均呈减小趋势(绝对值减小)，突出物背风墙面体型系数在角部时最小为一0．74，在中心时最大为一0．33，突出物侧墙面体型系数在角部时最小为一0．99，在1／4中心时最大为一0．5l，突出物屋面体型系数在角部时最小为一1．13，在中心时最大为一O．58，随位置变化其绝对值变化很明显。总体来看，突出物位于主体建筑角部时各个面的体型系数增大的都比较显著，其中屋面增大60％，侧墙面增大40％，这种情况对抗风比较不利，相对而言，突出物在中心时体型系数减小的比较多，迎风面甚至出现较大的吸力，对突出物水平方向的整体抗风比较有利。设计时可以以角部位置为最不利工况进行计算。2、从图4．3．7可以看出，90。风向角迎风墙面体型系数除了角部位置为正值0．19外其他均为负值，突出物在1／4中心位置时迎风面体型系数有最大负值一O．55(绝对值最大)，在1／4边部时有最小负值(绝对值最小)一0．43，负值的4种情况变化幅度比较小，此5种情况下迎风面体型系数均大幅小于单独作用在风场中的体型系数O．8。屋面、背风墙面、侧墙面的体型系数随着5种位置的变化均呈增大趋势(绝对值增大)，突出物背风墙面体型系数在中心时最小为一O．42，在角部时最大为一0．25，刚好与O。风向角相反，突出物侧墙面体型系数在中心时最小为一0．69，在1／4边部时最大为一0．33，突出物屋面体型系数在中心时最小为一0．76，在1／2边部时最大为一O．34。总体来看，90。风向角时突出物各个面的体型系数比单独承受风荷载时要小，处于主．48．oO加加咱加1 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究体建筑角部和中心时体型系数相对较大，设计时可以以角部位置为最不利工况进行计算。3、从图4．3．8可以看出，180。风向角迎风墙面体型系数角部和1／4边部位置为正值，其他3种位置为负值，在角部迎风面体型系数有为0．19，1／4边部时很小，为0．08，突出物在中心时迎风面体型系数有最大负值一O．41(绝对值最大)，在1／2边部时有最小负值(绝对值最小)一0．025，此5种情况下迎风面体型系数均大幅小于单独作用在风场中的体型系数0．8，另外从离主体建筑迎风屋檐的距离看，此距离越大，迎风墙面体型系数越小，从垂直风向看，离中心位置越远，迎风墙面体型系数绝对值越小。屋面、背风墙面、侧墙面的体型系数随着5种位置的变化差距不大，突出物背风墙面体型系数大约在一0．3左右，侧墙面体型系数大约在一0．55左右，屋面体型系数在角部时有最大值一0．36，其余几种情况大约在一O．55左右。总体来看，180。风向角时突出物各个面的体型系数比单独承受风荷载时要小，除了角部位置外，其他几种情况各个面体型系数都比较接近。4、从图4．3．9可以看出，270。风向角时迎风墙面体型系数除了中心位置为负值一0．5外其他均为比较接近的正值0．35，主要是由于这种风向角下前面4种位置的突出物迎风墙面处在主体建筑迎风屋檐处，而中心位置时处在分离气流形成的涡流中，此5种情况下迎风面体型系数均大幅小于单独作用在风场中的体型系数0．8。屋面、背风墙面、侧墙面的体型系数随着5种位置的变化均呈减小趋势(绝对值减小)，但是幅度不大，突出物背风墙面体型系数在角部时最小为一0．74，在中心时最大为一O．42，突出物侧墙面体型系数在角部时最小为一0．99，在中心时最大为一0．69，突出物屋面体型系数在角部时最小为一1．13，在中心时最大为一0．76。总体来看，突出物位于主体建筑角部时屋面的体型系数增大的比较显著，为60％，位于主体建筑边部时屋面体型系数增大30％，各种位置的侧墙面体型系数增大30％。4．3．3突出物高度和面积变化的风压数值分析鉴于以上的分析，考虑到屋面抗风比较薄弱，本节中取突出物屋面最不利的两种位置和风向，O。风向角时的角部位置和270。风向角时的1／2边部进行分析，高度分2．2m、2．6m、3m、3．4m进行变化，底面积有3mX2．6m、3m×5m、3mXlOm、6mXlOm，突出物屋顶形式为平屋顶，主体建筑仍取12m×lOm×6．4m，也为平屋顶。一共14种工况。首先看看高度变化的影响，角部和1／2边部位置分别取了3mX2．6mX2．2m、3mX2．6mx2．6m、3mX2．6mX3m、3m×2．6mX3．4m8种情况进行分析。下面是风场速度矢量图(沿顺风方向从突出物中部截取)。．．49．． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(a)突出物2．2m高(Y=O。，角部)Co)突出物3．4m高(Y=0。，角部)(c)突出物2．2m高(Y=270。，边部)(d)突出物3．4m高(Y-270。，边部)图4．3．10中心竖直剖面的风速矢量图4．3．10可以看作突出物高度变化引起的风场竖向中心剖面速度矢量变化不是很明显，主要区别在于突出物高度较低时由于分离流线较低，能够附着在突出物顶面后部，并且气流在主体建筑上的再附着比较早，分离流引起的涡流比较短，尾流在突出物背风墙面形成涡流比较短。图4．3．11一图4．3．14为上面四种情况下突出物屋顶的风压分布图：图4．3．112．2m高时风压(Y=00，角部)图4．3．123．4m高时风压(Y=00，角部)从图4．3．1l和图4．3．12中可以看出，0度风向角且突出物位于主体建筑角部时．50_ 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究整体上突出物顶部风压随着檐高的增大而小幅减小(绝对值)，等压线密度变疏，表明风压趋于均匀，突出物高2．2m时在远离主体中心的迎风屋檐角部出现最大的风压峰值_2．2(绝对值最大)，高3．4m时在远离主体中心的迎风屋檐角部出现最小的风压峰值一1．8，最大负压均出现在屋檐前缘分流引起的漩涡中心，最小负压出现在屋面中心靠后侧，且风压趋于均匀。屋面整体体型系数当突出物高2．2m时为一1．13，高3．4m时为一1．06，两者相差不大。迎风墙面的体型系数随高度增大而增大，3．4m檐高比2．2m檐高时增大31％，有不小的增幅。图4．3．132．2m高时风压(Y=270。，边部)图4．3．143．4m高时风压(Y-270。，边部)图4．3．13和图4．3．14表明，270度风向角且突出物位于主体建筑边部中心时整体上突出物顶部风压随着檐高的增大而减小(绝对值)，突出物高2．2m时在迎风屋檐角部出现最大的风压峰值一1．44(绝对值最大)，高3．4m时的最大的风压峰值一1．29，最大负压均出现在屋檐前缘分流引起的漩涡中心，屋面中心靠后侧的风压绝对值较小，且风压趋于均匀。屋面整体体型系数当突出物高2．2m时为一O．98，高3．4m时为一O．95。突出物在角部随高度变化的体型系数籁倏副肇+迎风墙面+屋面+背风面+侧墙面1+侧墙面2突出物高度图4．3．15突出物在角部时随高度变化的体型系数(Y=0。)-5l-O0O0∞咱∞加11 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究从图4．3．15可以看出，突出物在角部时迎风墙面体型系数随高度变化相对比较明显，随着高度的增大而增大，檐高h=2．2m时最小为0．58，h=3．4m时最大为0．76，两者相差31％，比单独作用在风场时要小。背风墙面、侧墙面体型系数随高度变化影响很小，与单独作用在风场中的体型系数有所增大，远离主体建筑中心的侧墙面增大了20％。屋面体型系数随高度的增大绝对值略有减小，比单独作用在风场时增大70％，增幅很大，需要特别注意。另外，主体建筑各个面的体型系数和风压分布对于没有突出物时变化较小，这主要是由于本节中楼梯间突出物体型尺寸相对主体建筑而言比较小，对其风压影响不大。突出物在边部中心随高度变化的体型系数籁懒副埭+迎风墙面+屋面+背风面+侧墙面突出物高度图4．3．16突出物在边部中心时随高度变化的体型系数(Y=270。．)由图4．3．16可以看出，突出物在边部中心时迎风墙面、背风墙面、侧墙面、屋面体型系数随高度变化不明显，迎风墙面平均为0．6，比单独作用在风场时要小25％。侧墙面平均为一0．95，绝对值比单独作用在风场时要增大35％。屋面平均为一O．96，绝对值比单独作用在风场时要增大60％。关于面积变化，本章采用了突出物在角部(0。风向角)和1／2边部(270。风向角)两种情况，底面有3mX2．6m、3m×5m、3m×lOm、6m×lOm一共八组工况，突出物高度为3m。1笺蕊l(a)角部，底面3reX2．6m图4．3．17(b)角部，底面6m×lOm中心竖直剖面的风速矢量．52．0O0加加加加11 浙江人学硕士学位论文攮于数据库的低层房屋风荷载研究(a)角部，底面3m×2．6m(b)角部，底面3m×5m(c)角部，底面3m×lOm(d)角部，底面6m×lOm(e)边部，底面3m×2．6m(f)边部，底面3m×5m(g)边部，底面3m×lOm(h)边部，底面6m×lOm．53— 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图4．3．18水平剖面的风速矢量以上给出了8种面积变化工况的水平风场速度矢量剖面图和部分竖向速度剖面图，从图4．3．17中可以看出当突出物沿顺风方向的屋面长度增大时，对气流在突出物屋面和主体建筑的再附着影响比较大，对突出物背后的涡流形成也有影响，6m×lOm的突出物背后涡流很微弱。从图4．3．18可以看出，随着突出物垂直风向方向上宽度的增大和由在主体建筑上的不对称位置变化到对称位置，突出物靠近主体建筑中心的侧面气流从不发生分离，几乎平行流过侧面到宽度增大时两侧气流发生急剧分离且形成明显的漩涡的变化过程，突出物背后的两个涡流也经历了同样的变化。以突出物底面面积与主体建筑底面面积的比值作为变化参数来研究体型系数的变化规律，图4．3．19和4．3．20表示主体建筑上没有突出物、有底面为3mX2．6m、3m×5m、3m×lOm、6m×lOm的突出物，面积比分别为0、0．065、0．125、0．25、0．5时主体建筑和突出物体型系数的变化，图4．3．21的横坐标表示面积比分别为0．065、0．】25、0．25、O．5。1．000．80O．60O．40饕o．20掣o．00。一0．200一O．40—O．60—O．80+迎风墙面+屋面+背风墙面-÷卜侧墙面面积比图4．3．19主体房屋随突出物面积变化的体型系数(角部)1．0O．8O．6O．4藿毗饕o．o—O．2一O．4一O．6—0．8+迎风墙面+屋面+背风墙面*侧墙面面积比图4．3．20主体房屋随突出物面积变化的体型系数(1／2边部)．54． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究0．80．6O．40．2籁0．0誉一0．2擎一0．4-o．6—0．8一1．0—1．2+迎风墙面+屋面+背风墙面5—卜饲墙面面积比图4．3．21突出物随面积变化的体型系数(角部)O．8O．6O．40．2籁0．0訾一0．2簟一0．4一O．6一O．8-1．0-1．2面积比+迎风墙面+屋面+背风墙面5*侧墙面图4．3．22突出物随面积变化的体型系数(1／2边部．)从图4．3．19可知，主体建筑体型系数变化不大，突出物在角部时，主体建筑迎风墙面体型系数比没有突出物时增加14％，屋面体型系数最大减少19％，其他变化不大。图4．3．20表明，突出物在1／2边部时，主体建筑迎风墙面体型系数比没有突出物时增加7％，屋面体型系数最大增加6％。突出物迎风墙面体型系数随面积变化差别不大，屋面、背风墙面、侧墙面随面积的增大绝对值都减小，最不利情况(体型系数绝对值最大)都在底面积为3mX2．6m时出现，表明突出物相对主体建筑越小，其风荷载体型系数的放大倍数越高。4．3．4不同屋面形式突出物的风压数值分析对于低层房屋来讲，屋面是抗风最薄弱的地方之一，由此有必要对不同屋面形式突出物风压分布进行分析，本节突出物模型有：(1)角部位置，3m×5mX3m，单坡屋面，0。风向角，坡角15。(2)角部位置，3m×5mX3m，单坡屋面，180。风向角，坡角15。(3)角部位置，3rexlOmX3m，单坡屋面，0。风向角，坡角15。-55- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(4)角部位置，3mXlOmX3m，单坡屋面，180。风向角，坡角15。(5)角部位置，3mX5mX3m，双坡屋面，O。风向角，坡角15。(6)角部位置，3mX5mX3m，双坡屋面，0。风向角，坡角30。(7)角部位置，3mXlOmX3m，双坡屋面，0。风向角，坡角15。(8)角部位置，3mXlOmX3m，双坡屋面，O。风向角，坡角30。同样，在1／2边部位置也有类似以上的8种工况，位置考虑：角部和1／2边部是突出物最常见同时抗风也最不利的两种位置，风向角考虑：角部时0。和180。对风压分布影响的差异比较大，坡角考虑：单坡屋面时15。比较常见同时体型系数相对其他坡角也比较大，双坡屋面时考虑两种坡角可以进行对比。图4．3．23给出突出物在主体建筑上的平面位置。1／施餐．3×10图4．3．23突出物在主体建筑上的平面布置下图4．3．24为风速矢量的竖直剖面。(a)角部，单坡屋面，Y=0。Co)角部，单坡屋面，Y=180。·56- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(C)单坡屋面，边部，Y=o。(e)双坡屋面，角部，口=15。(d)单坡屋面，边部，Y=180。(g)双坡屋面，边部，a=15。(1cI双坡屋面，角部，口=30。∞双坡屋面，边部，口=30。图4．3．24中心竖直剖面的风速矢量57． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(a)角部，3mX5m，Y=0。∞)角部，3m×lOm，Y--0。图4．3．25水平剖面的风速矢量从图4．3．24的(a)、(c)可以看出，单坡屋面突出物在角部且Y=0。时，气流爬过屋面发生分离并附着在屋面上，屋面中间形成涡流，当突出物后移时，其迎风墙面处形成强烈的漩涡，气流顺着屋面流过，不发生附着和涡流。图(b)、(d)显示突出物在角部且Y=180。时，气流在突出物前墙产生漩涡，当突出物靠后漩涡被拉的很长，强度减弱，气流在屋面前缘产生强烈分离并且不再附着。(e)一(h)所示的双坡屋面突出物随位置变化与单坡屋面时又类似规律，当双坡屋面坡角增大时，屋面前缘不再发生气流的分离和再附着。图4．3．25指出当突出物底面积扩大至3mXlOm时，突出物靠近主体建筑中心的侧面气流从发生分离到宽度增大时两侧气流发生不发生分离几乎平行流过侧面的变化过程，突出物背后的两个涡流由不对称变到对称。图4．3．26双坡屋面突出物屋面风压分布从图4．3．26可以看到，坡角为15。时迎风屋面有漩涡形成，30"时没有漩涡，30。坡角时屋面前缘等压线比l5。时密集，风压极值比15。时小，两者在屋脊处有微弱漩·58- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究涡形成。以下4个图中横坐标1"-'4工况分别表示突出物底面积3m×5m在角部、3m×lOm在角部、3m×5m在1／2边部、3m×lOm在1／2边部。一O．一0．一O．一1．-1．．●◆一◆4123一■l■-X】。xIA。▲◆迎风墙面_背风墙面▲屋面×远侧面A近侧面1、角部3×52、角部3×lO3、1／2边部3×54、l／2边部3×lO工况图4．3．27单坡屋面突出物0。风向角下的体型系数一●◆一●IO．5l1．522．533．5z■。xx-1．A▲．鑫：工况◆迎风墙面_背风墙面▲屋面x远侧面A近侧面l、角部3×52、角部3×103、I／2边部3×54、1／2边部3×lO图4．3．28单坡屋面突出物180。风向角下的体型系数图4．3．27中可以看到工况1和2，3和4体型系数比较接近，由此可见长宽比对其影响不大，角部位置的体型系数绝对值均大于1／2边部，1／2边部时突出物迎风墙面体型系数很小甚至为负，角部时的屋面体型系数高达一1．0，比正常情况(单独作用于风场中)高出70％，1／2边部时为一0．45，比正常值小25％。应用到设计时可取角部为不利位置，以角部两种尺寸的突出物体型系数平均值做为设计值。图4．3．28中可以看到工况1和2，3和4体型系数变化比较大，可见此时长宽比有一定影响，特别是迎风墙面和屋面的影响较大，角部位置的体型系数绝对值要小于1／2边部，说明突出物沿顺风向离主体建筑前屋檐距离越小其体型系数越大，设计时应考虑当地主导风向将突出物置于主体房屋后部对突出物的抗风比较有利。1／2边部时除迎风墙面外其他面的体型系数比正常情况下要大10％，应用到设计时可取角部为不利位置，以角部两种尺寸的突出物体型系数平均值做为设计值。-59．642024680O0Ol籁峨到堆娥运区趟。∞H旧唧铎斟 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究籁倏副避旧嗵髯癸援辎越∞籁lII《副故陋皿墅i算鼷躲鬟c越o∞。◆▲●l123《一■I。·：i．，。墨xh一厶▲2、一▲3、▲4，◆迎风墙面-背风墙面▲迎风屋面×远侧面A近侧面0背风屋面角部3X5角部3XlO1／2边部3×5l／2边部3×lO工况图4．3．29l5。坡角的双坡屋面突出物体型系数一◆一◆●l12孟j■-一●一o1、角爵．曩o^2、角音．▲：3、1／24、l，2迎风墙面背风墙面迎风屋面远侧面近侧面背风屋面工况图4．3．3030。坡角的双坡屋面突出物体型系数图4．3．29中可以看到工况l和2，3和4体型系数比较接近，由此可见长宽比对其影响不大，角部位置的体型系数绝对值均大于1／2边部，1／2边部时突出物迎风墙面体型系数很小，角部时迎风屋面体型系数平均高达一1．3，比正常情况(单独作用于风场中)高出一倍多，1／2边部时为-1．0，比正常值高70％，角部背风屋面体型系数平均一0．8，比正常情况高60％，1／2边部时为一O．7，比正常值高40％，由此可见双坡屋面房屋作为突出物位于主体建筑上时屋面的体型系数会增大很多，这种放大效应特别值得重视。角部时侧墙面体型系数比正常值扩大30％，进行抗风设计时可取角部为不利位置，以两种尺寸的突出物体型系数平均值做为设计值，这种不利工况下的体型系数作为设计数据编入数据库中。图4．3．30中表明30。坡角比15。坡角各种情况下的体型系数都要小些，体型系数随工况的变化规律与15。坡角时类似，在1／2边部时迎风屋面的体型系数只有一0．2，比角部时的-1．0小很多。．60．OoO咱咱加加o18642O2468O2O0O加加加11 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究4．3．5女儿墙对突出物风压影响的数值分析低层房屋檐口构造的一种常用形式是女儿墙檐口。女儿墙的形状、几何尺寸都对屋面风压分布产生明显影响。国外风工程专家对平屋面女儿墙的研究已经比较深入，对有突出物的情况下的女儿墙分析没有涉及到。结合到我国的实际情况，坡屋面女儿墙建筑是较为普遍的，例如带码头墙的低层民居、有特定使用功能及排水功能的工业厂房等。因而，本节研究女儿墙对突出物风压分布及风荷载的影响，是十分必要的。国内对女儿墙的研究【39l表明，四周布置女儿墙时双坡屋面房屋迎风檐口处的风压系数有了大幅度的增加，背风屋面则有一定的减少，整个屋面的风压系数值趋于平均。本章只考虑最常见的四周女儿墙形式对突出物体型系数的影响，采用数值模拟方法模拟了平屋面、单坡屋面、双坡屋面突出物在角部和1／2边部下的风压分布规律和参数分析。角部和1／2边部位置同上一节中一样，突出物尺寸均为3mX5mX3m，单坡屋面和双坡屋面的坡角为159，平屋面和双坡屋面突出物只考虑O。风向角，单坡屋面考虑oo和180。两种风向角，一共8组计算模型。女儿墙高度取1．2m，图4．3．31有四周女儿墙的双坡屋面突出物在1／2边部时的计算模型(a)角部，单坡，y--O。(协角部，单坡，Y=180。．61． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究(c)边部，单坡，Y=0。)(d)边部，单坡，Y=180。)(e)角部，平坡，Y=O。(D角部，双坡，Y=0。(g)边部，平坡，Y=O。∞边部，双坡，Y=O。图4．3．32中心竖直剖面的风速矢量从图4．3．32中可以看出，女儿墙对气流的阻挡和回流比较明显，突出物在角部时女儿墙加强背后的回流，突出物在边部时对背后和前面的漩涡都有增强，另外还抬高了气流的分离高度。图4．3．33列出了有无女儿墙时突出物各个面体型系数的对比，横坐标1～5分别指迎风墙面、屋面、背风墙面、靠近主体建筑中心的侧墙面、远端侧墙面，双坡屋面时1～6指迎风墙面、迎风屋面、背风屋面、背风墙面、靠近主体建筑中心的侧墙．62． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究面、远端侧墙面。o．80．60．40．2餐0．0訾舢基—O．4—O．6—0．8一1．0一1．20．80．60．4O．2警印0．．20蛙一0．4一O．6一O．8—1．O一1．20．8O．60．4O．2籁0．0脊_0．2拉_o．4-0．6-o．8一1．O—1．2一××无女Jl一·有女Jl}l234￡一●’一突出物各个面(a)平屋面突出物，角部O．8誊叫0．6蒸：焉掣-o．2一O．4—0．6—0．8—1．O．××无女J【一-·有女J【}1234f一殳一!■一■突出物各个面(c)单坡屋面突出物，角部，Y=0。一X无女J【一×-有女J【}·2≥4f一_，一×0．80．60．4籁0·2＼谣0．0娶-o．2—0．4—0．6—0．8一1．O0．8墙0．6墙0．40．2籁0．0倏．。副-U．z雄-0．4一O．6—0．8一1．0一1．2突出物各个面(e)单坡屋面突出物，角部，y=180。·63·一×X无女J【·有女J【l1234{■一-×_■一×X，突出物各个面(b)平屋面突出物，边部一X无女Jl-有女JI×l1234{一-X又■。-×，一-墙突出物各个面(d)单坡屋面突出物，边部，Y=0。一X无女J【一×-有女J【}1234f一-■一三，突出物各个面(f)单坡屋面突出物，边部，Y=180。 籁倏副肇浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究一x×无女J【一·-有女JIrl2345l。一-一^’．誓一殳一×无女儿耀一·有女儿耀Y}12345《一●’_-殳×一-一×突出物各个面(g)双坡屋面突出物，角部∞双坡屋面突出物，边部图4．3．33有无女儿墙两种情况下突出物体型系数对比图4．3．33中(a)、(c)、(g)说明当突出物在角部，风向角为oO时各个面体型系数变化不大，迎风墙面和远端侧墙面有所减小，迎风墙面减小30％，远端侧面减小15％左右。对于单坡屋面突出物，风向角为180。时体型系数变化比较明显，从(e)、(f)中看到，迎风墙面从+0．4变成一0．2和一0．4，角部时近侧面体型系数由-0．6变成有女儿墙时的一0．4，1／2边部近侧面的一O．8变成一O．67，其他体型系数变化不是很大。图4．3．33中(b)、(d)、(h)表明女儿墙对处于1／2边部的突出物各个面的体型系数影响很大，特别是迎风墙面，均从正值变成了负值，平屋面时迎风墙面由+O．6变成了一0．7，从压力变成了绝对值增大的吸力，这对房屋整体的抗风是比较有利的。别的部位的体型系数如图所示，不再一一分析。总之，女儿墙的这种檐口构造能有效改善突出物的抗风性能，它在主体建筑迎风屋檐处引起的回流对突出物迎风墙面的风压分布影响最大，甚至从压力变成吸力，使得突出物水平方向的整体风荷载大为减小，但是由于工况比较复杂，难以找出可以设计使用的规律性的计算公式，软件的数据库中没有考虑设置女儿墙时的计算，今后若有进一步的研究结果就可以添加到数据库中。4．3．6其他特殊形体突出物的风压数值分析前面分别从突出物位置、高度和面积、屋面形式、有无女儿墙等方面比较详细的分析了对其表面风压的影响，总结了一些参数变化引起的规律变化，但是由于突出物本身的建筑功能较多，体型也多种多样，不在上述研究的范围之类，所以有必要就其中一些较常见的情况做单独的风压分析，本节在对一些农村建筑资料和国内外规范【删【61】的分析基础上选取了两种特殊形体的突出物进行分析，用以作为补充。(1)两栋突出物在角部排列布置(oO风向角)图4．3．34给出了房屋模型，其中主体房屋尺寸为12mxlOm×6．4m，突出物每．．64．．8642O2468O2O0O0O川∞∞加11籁峨耐蕊0OO加加加加11 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究一个单体尺寸为3mXlOmX3m，均为平屋面。图4-3-340。风向角时两栋角部并排突出物计算模型图4．3．35中心竖向剖面风场速度矢量图4．3．36水平剖面风场速度矢量(Z=8m)从图4．3．35和图4．3．36中可以看到，气流在前面的突出物屋檐处分离后再两个突出物之间靠上的地方形成涡流，第二个突出物处在第一个突出物的尾流中，气流速度大为减小，从水平图上看，气流在前面的突出物侧面分离后在第二个突出物侧面发生再附着，两者之间形成了两个漩涡，从而使气流在后面的突出物迎风墙面背离留走，因此后面突出物迎风墙面整体表现为负压。下表4．1是突出物各个面的体型系数：部位迎风墙面屋面背风墙面侧墙面前面突出物0．67—1．0—0．66一O．96后面突出物一O．63—0．32—0．28一O．33表4．1O。风向角时两栋角部并排突出物风荷载体型系数上表表明，前面的突出物屋面、背风墙面和侧墙面体型系数都有所扩大，而后面的突出物均减小了一半左右，迎风墙面甚至表现为绝对值较大的负值，抗风设计时有类似形体的突出物布置可直接应用以上的体型系数，此数据编入了软件的数据库中。(2)两栋突出物在角部排列布置(90。风向角)这种情况建筑模型和(1)一样，只是换成90。风向角。-65- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图4．3．37计算模型图4．3．38水平剖面风场速度矢量图从图4．3．38可以看出，气流在两栋突出物靠外部的侧面墙角处发生严重分离，但在靠中心的侧面气流加速贴着墙面流走，没有发生分离现象，实际上，这就是所谓的狭道效应，狭道效应对风场的增速效果是很明显的。部位迎风墙面屋面背风墙面外侧墙面内侧墙面l体型系数0．65一O．6l一0．34—0．63—0．56表4．290。风向角时两栋角部并排突出物风荷载体型系数表4．2是此时突出物各个面的体型系数(由于对称，两个突出物体型系数相等)，设计时可直接采用，此数据编入了软件的数据库中。(3)L形突出物(0。风向角)突出物宽3m，长与主体建筑边长等长，如下图4．7．6所示。图4．3．39L形突出物模型图4．3．40水平剖面风场速度矢量图(Y=O。)．66． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图4．3．41突出物屋面风压分布从图4．3．40和图4．3．41可以看到，气流在突出物背后形成较大的漩涡，在屋檐处发生严重分离，最大风压系数为一1．05，在屋面后部风压系数呈均匀减小，最小处风压系数为一0．36。表4．3是突出物各个面的体型系数，背风墙面1、2分别指靠近中心和后部的墙面，侧面1、2、3分别指外侧面积较小的侧面、中心侧面、外侧面积较大的侧面。I部位l迎风墙面I屋面I背风墙面1l背风墙面2l侧面lI侧面2I侧面3lI体型系数l0．67l一0．77I一0．55I一0．32I一0．89l一0．55l一0．63I表4．30。风向角时L形突出物风荷载体型系数表4．3表明，该形体的体型系数与其他简单形状的突出物体型系数相近，中心的背风墙面由于回流作用体型系数绝对值比后部的背风墙面大很多，中心侧面的体型系数绝对值比发生严重气流分离的两端侧面要小。(4)L形突出物(90。风向角)．67． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图4．3．44突出物屋面风压分布图4．3．42表明，气流在突出物中部迎风墙面受阻后形成一个大型的竖向涡，最后从屋顶和较小的侧面处流走，小侧面处气流不再发生分离，平行侧面流过。结合图4．3．43，中部迎风墙面在L形体墙角处风压为正值，并呈涡状分布，最大正压为0．66，这是由于有部分气流直接冲击到这个部位，其他区域，包括墙角顶端都是负压，负压区比正压区面积大，这是由于回流的竖向涡引起的，最小负压一O．56。经计算知，其整体体型系数为一0．26。图4．3．44表明，屋面的迎风屋檐处产生严重分离，前端屋檐有锥形涡，它是由于屋檐处的分离漩涡和中心侧面处的驻涡叠加产生的结果。涡中心最小负压为一2．3，靠后的涡流中心最小负压为一0．9，屋面后部风压绝对值均匀减小。I部位l迎风墙面1I迎风墙面2l屋面I背风墙面}侧面1l侧面2I侧面3ll体型系数l0．62I一0．26l一0．57l一0．31l一0．56一0．61l一0．56l表4-490。风向角时L形突出物风荷载体型系数迎风墙面l、2分别指前后迎风墙面，侧面l、2、3分别指外侧面积较小的侧面、中心侧面、外侧面积较大的侧面。上表为各个面的体型系数，可作为抗风设计时同等形体突出物体型系数的一个参考。4．4本章小结(1)作为软件数据库中的一项重要内容，本章对有突出物的低层房屋进行了风压分布研究，首先介绍了突出物的一般建筑功能，国内外对有突出物建筑的研究情况，针对国内对突出物房屋的风压分布研究很少而国外规范上这方面的规定不方便应用于国内建筑风荷载设计的现状，提出了进行数值模拟分析的方法。(2)通过对尺寸较小的楼梯间突出物位置变化引起的风压分布规律做数值模拟，分析了突出物置于主体建筑角部、边缘、中心等一系列工况，得出了如下结论：离主体建筑迎风屋檐的距离看，此距离越大，迎风墙面体型系数越小，从垂直风向．68． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究看，离中心位置越远，迎风墙面体型系数绝对值越小，最不利工况为00风向角时突出物在角部和270。风向角时突出物在1／2边部，突出物位于主体建筑角部时相对单独置于风场中各个面的体型系数增大的都比较显著，其中屋面增大60％，侧墙面增大40％。最后得到0。风向角时突出物在角部、180。风向角时突出物在角部、09风向角时突出物在1／2边部、90。风向角时突出物在1／2边部、270。风向角时突出物在1／2边部、突出物在主体房屋中心6种可以设计使用的突出物风荷载体型系数，并将其编入数据库中。(3)通过对突出物高度和水平面积的变化进行数值模拟，发现高度和水平面积的变化对突出物体型系数影响不大，屋面体型系数随高度的增大绝对值略有减小，屋面、背风墙面、侧墙面随面积的增大绝对值都减小。(4)在平屋面突出物不同位置、面积、高度的基础上，讨论了突出物单坡、双坡屋面两种屋面形式下的风压分布变化，发现O。风向角时处于主体房屋角部的单坡屋面突出物屋面体型系数比正常情况(单独作用于风场中)高出70％，双坡屋面房屋作为突出物位于主体建筑上时屋面的体型系数也会增大一倍多，特别值得重视。最后得到风荷载设计可以参考使用的单坡屋面和双坡屋面突出物在主体房屋角部和1／2边部的体型系数，将结果编入软件的数据库中。(5)分析了主体房屋屋檐四周布置女儿墙对于平屋面、单坡屋面和双坡屋面突出物风压分布的影响，在风向角为180。时体型系数变化比较明显，对处于1／2边部的突出物各个面的体型系数影响很大，它在主体建筑迎风屋檐处引起的回流对突出物迎风墙面的风压分布影响最大，甚至从压力变成吸力，使得突出物水平方向的整体风荷载大为减小。(6)选取了两种特殊形体的突出物进行风压分布分析，分别为两栋突出物在角部排列布置(分oO和90。风向角)、L形突出物(分O。和90。风向角)，对其进行数值风洞计算的基础上得出了它们的整体体型系数，并编入数据库中。．69． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究第五章基于数据库的风荷载设计5．1引言建筑规范中通常采用简表或简图的简略方法(slide．rule)计算作用在建筑上的风荷载，由此带来的风效应估计值可达到50％的偏差以上【311。随着现代计算机技术的发展，这种偏差完全可能得到减小，从而使得结构设计(包括承受典型动力风荷载的柔性结构)变得更加安全、经济。基于数据库设计(database．assisteddesign．DAD)的风荷载设计平台软件(WindLoadDesignEnvironment．WILDE)正是基于这种状况开发的【321。在风工程领域，DAD设计方法不仅能在设计阶段对局部与整体破坏的结构做出真实有效的极限承载力的估计，以后还能对结构的其他非线性行为的极限承载力做出真实评估。以前由于没有足够的相关信息而不能完整地考虑风荷载的空间及瞬时变化特点，规范中因此包含了风荷载和荷载效应的风险不一致性。比如，由于过分简化，作用在结构上的荷载有的取值过大而有的取值过小，相应的内力亦如此，结构设计中有的截面设计的过大，利用不高，而有的却在正常使用过程中有失效的风险【33。36J。为了弥补这些缺陷，国外规范(如美国ASCE7—98)利用风洞实验积累了一些数据资料做为设计时的补充和参考，但一方面由于数据量过于庞大产生了存储的问题，另一方面这些数据不能直接应用到设计中，所以就有必要提供一种能简单快速有效处理这些数据的方法便于实际设计需要，DAD应此而生。在工程防灾抗灾领域，建筑规范面临的头等任务就是规范上所采用的各种数据、设计分析模型、建筑结构满足的条件等内容的进一步改进和合理化，为了有效减小风灾损失风工程规范在今后十年的关键之处就是对风荷载信息的完善，而有效的传达及处理风荷载信息是实现以上目的的必要手段。对于主要承受风荷载作用的结构，应用DAD的设计方法可充分利用好建筑构件的性能，从而达到节省建材，降低工程造价，节约建筑施工过程中的能源，还能减少极端气候下的建筑损失，并能对需要加固的已建建筑的缺陷进行评估。国外DAD数据库资料主要分以下四类【32】32：(1)空气动力学信息二十世纪七十年代的UWO(UniversityofWesternOntario)测试，对15种有显著几何差异的低层工业厂房在开阔地形和建筑群地形两种情况下的风压测试积累了大量数据，这些低层房屋模型为坡屋面、固定檐高、矩形平面。应用于DAD的空气动力学信息包含了大量不同类型和几何尺寸的建筑物的风压系．70． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究数时程记录，有多达37个风向500～1000个外部或内部测点的信息，对比ASCE7，这些信息要全面的多，而且在将来它还会不断充实。(2)气象学信息它包含了Gulf和Atlantic海岸线上每50公里的999次风暴的极值风速。(3)不确定性因素的评估它包含了那些适合于描述风作用环境的信息，如极端气候资料的样本数，风洞记录的长度等(4)结构信息对于工业门式钢框架结构，它包括结构之间的距离、地点、支撑类型、连系梁及檩条数、框架构件横截面大小、结构的弯矩、剪力、轴力影响线等。以上信息在将来会不断得以扩充使得软件的数据库资料更加完整。针对DAD的一些应用特点，综合大量国内外规范、风洞实验、数值模拟的基础上，本文尝试用VisualBasic6．0中文版作为开发平台，对低层房屋的抗风设计编制了简易实用的软件包，本软件包后台采用Jet数据库引擎操作Access数据库进行有关数据的处理和存储，采用可视化的输入输出界面，实现了低层房屋抗风设计荷载的快速计算。5．2软件介绍一、软件的主要界面图5．2．1基于数据库的风荷载设计软件主界面．71． 浙江大学硕上学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图5．2．2我国地面粗糙度类别查看界面图5．2．3浙江地区基本风压图5．2．4高度变化系数(左图)和山地风压修正(右图)一72— 浙江大学硕上学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图5．2．5阵JxL系数查值和计算图5．2．6利用荷载规范计算体型系数图5．2．7利用其他资料计算体型系数．73— 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究图5．2．1一图5．2．7给出了本软件几个主要计算步骤中的界面，主界面中菜单项可以实现低层房屋的风荷载大小及各项系数的计算，同时相应的计算步骤也能在主体窗口中显示。二、软件功能和使用本软件利用VisualBasic6．0中文版为开发平台进行编制，采用可视化的输入输出界面，步骤和操作简单，后台采用Jet数据库引擎操作Access数据库进行有关数据的处理和存储。本软件主要有两个方面的计算，一个是低层房屋各种形式的屋面风荷载的计算，另一个是楼层墙体的风荷载计算。计算结果可以在主界面中最下方的文本编辑框中显示，也能存储在计算机中。计算过程可以在菜单栏中按顺序输入设定条件进行计算，也能在主界面窗口中进行，主界面窗口中包含常见屋面的表面风载计算，如平屋面、单坡屋面、双坡屋面、拱形屋面、四坡屋面等，还有楼层墙面和特殊形体建筑的风载计算，其中楼层墙体的风荷载计算只能在主界面窗口中实现。菜单中有简要的单位和使用说明，计算过程中的每一步都有纠错和提示功能。计算步骤如下：(1)选择地面粗糙度类别(2)输入基本风压按荷载规范的分类查取所需值，规范没有给出时可利用相关资料计算。(3)计算高度变化系数(4)计算山地风压修正(无需修正填1)(5)计算阵风系数(考虑的维护结构)可按荷载规范上分类情况查得所需值，也可以进行插值计算。(6)计算所求区域体型系数这里分规范方法和补充的常见单坡屋面、双坡屋面、四坡屋面、含突出物结构的低层房屋的体型系数，同时还可以在主界面窗口进行楼层墙体数据的输入计算。(7)计算风荷载。计算完成后若需要进行下一个计算可以选择菜单项中“表面风载”下的“重新计算”。5．3数据库资料和计算原理5．3．1计算原理根据荷载规耐8】，垂直于建筑表面的风荷载雌(1d憎)，根据结构的功能分以．．74．． 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究下两种计算方法：对于主要承重结构，wk=pzps／zzWo对于主要维护结构，(5-I)(5—2)其中反为高度Z处的风振系数，艮为高度Z处的阵风系数，u：为风压高度变化系数，／zs为体型系数，wo为基本风压。而对于24m高度以下的低层房屋，由于其刚度大，自振周期小，通常不考虑风振的影响，但作为围结构的墙体，应该考虑风荷载的脉动性和不均一性而乘以一个阵风系数。5．3．2数据库资料1、地面粗糙度近地风在其流程中必然会遇到各种障碍物，风速将会减小，其减小的程度与障碍物的尺度、密集度、和几何布置密切相关，风吹过粗糙的表面，能量损失多，风速减小快，相反，风吹过光滑的地表面，则风速减小慢。不同的地面粗糙度会影响到高度变化系数和阵风系数的计算。划分地面粗糙度类别的最主要依据是风剖面，不同地面粗糙度类别下的风剖面是不一样的，按我国和世界上大多数国家采用的指数规律，确定风剖面有两个参数，即地面粗糙度指数口和孙。我国规范中将地面粗糙度划分为A、B、C、D四个类别，如图5．2．2所示。地面粗糙度类别划分出了与地面粗糙度有关外，还与该城市或地区的主导风向和风流程有关。参考国外规范【60卜【63】[661[6"rl和文献【11，以下是关于地面粗糙度类别划分的一些方法和结论(1)当仅由图5-3．1来获得城市和地区不同地面粗糙度后，还必须考虑风流程的规律，即在上风方向或主导风向由一类地面粗糙度区域进入新的地面粗糙度区域时，从新的地面粗糙度区域开始点沿风向划分出500m的距离，划为上风方向地面粗糙度类别。(2)对于海岸线绵长的我国，当台风从海面吹至陆地时，不管海岸上陆地属于何种地面粗糙度，都应从海岸边向陆地方向至少划出500m的距离，视此距离为A类地面粗糙度类别，以此进行抗风设计。-75- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风衙载研究(3)对于海岛抗风设计，从上风方向算起小于1500m的岛屿可按A类地面粗糙度类别考虑，海岛距离大于1500m要视风流程的规律而定。(4)对于地面粗糙度改变的大城市中心要将下游划为不同的地面粗糙度类别时，从上风风向新的地面粗糙度起点算起，至少需要3km的距离。2、基本风压我国荷载规范规定，基本风压是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高处统计所得的50年一遇10分钟-y均最大风速为标准，按wo=i1p‰所确定的风压。本软件中收录了规范规定的浙江省、福建省10年、50年、100年重现期的基本风压值，作为基本风压的数据库，这项内容还可以进行扩充。当某一地区的基本风压无法确定时，可根据当地年最大风速资料，按基本风压定义，通过统计分析确定，一般应该有25年以上的年最大风速资料，无法满足时至少应有不少于lO年的风速资料，然后按下面的方法求得基本风压。(1)求统计年限内年最大平均风速的平均值、根方差。；=三参(5_3)∑(_-702以=【々(5-4)其中X1为年最大平均风速，聆为统计的年份数。(2)求保证系数按我国规范规定，基本风速采用极值I型概率分布函数，对于不同的重现期丁，对应的保证系数缈为缈：一』鱼【o．5772+In(一ln互)】(5-5)(3)求基本风速％"90=x+妒，(5-6)(4)求基本风压％=而1vo(5-7)软件中专门有一项可以提供这种方法进行基本风压的计算。3、高度变化系数和山地风压修正·76- 浙江大学硕士学位论文基于数据库的低层房屋风荷载研究在低层房屋所处的大气边界层中，风速是沿高度变化的。在不同地面粗糙度类别下，风压高度变化系数以定义为任意高度处的平均风压与基本风压的比值。按照我国规范规定，梯度风高度zG和标准参考高度‰随4类地面粗糙度取值不同，高度变化系数计算如下：对于A类地面粗糙度地区，z6=300m，Zba=5m，计算高度为z当zS‰时，儿=1．17当‰
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