低矮建筑屋盖风雪流作用场地实测与数值模拟

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1、低矮建筑屋盖风雪流作用场地实测与值模拟赵雷余志祥齐欣赵世春南交通大学土木工程学院西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室为了研宄风雪流对低矮建筑屋盖的作用，制作了6组缩尺模型，在常遇雪天气候下，开展了屋盖积雪特性场地实测与模化分析，考虑了典型的阶梯型屋面以及平屋面、双坡屋面、女儿墙等因素的影响，提出了典型低矮建筑屋盖积雪荷载模化模型。研究表明：阶梯型屋面的积雪分布与已有的场地实测及风洞试验结果相似;平屋而雪荷载沿来流方向呈倒U型分布，可模化为均匀分布，但随着风速变化，积雪漂移使积雪形态可能向倒V型演化，建议考虑其线性非均匀分布对结构的

2、不利影响;风速较低时，双坡屋面的积雪漂移量较少，对迎风侧屋盖更不利，国内外规范均侧重考虑了积雪漂移对背风侧的影响，建议考虑弱风条件下积雪漂移对迎风侧的不利影响；女儿墙的存在使屋面积雪量有较大的增加，屋盖前缘和后缘区域的漂移长度差舁较大。结合风洞试验与场地实测，考虑雪粒子与风场的双向耦合、雪粒碰撞、黏结，探索性地对阶梯型M面的积雪分布进行了二维数值模拟，论证了DEM-CFD风雪流模拟方法的可行性。关键词：风雪流;低矮建筑;屋盖结构;场地实测;数值模拟;规范;特别是近年来被广泛使用的大跨度建筑钢结构，因其竖向刚度较弱、围护体系轻薄，对竖向荷载

3、的非均匀分布较为敏感，加之风荷载是其主控作用之一，因此，风雪流灾害影响往往更为突出moMajowieckiUl也曾指出：风雪流产生的跃移及由此造成的建筑表面积雪的不均匀分布是大跨度结构设计必须考虑的问题之一。目前，世界各国规范基本上均将风荷载与雪荷载视作两种无相互作用的外部作用。屋面雪荷载常用基本雪压与一系列关联系数(如倾角系数、遮挡系数和热力系数等)的乘积确定，且差异较大，尤其针对雪荷载非均匀分布影响，亦主要按经验确定。而针对屋盖风荷载，既没考虑雪颗粒运动对风场的影响，也没考虑建筑气动外形和质量因积雪分布产生改变，进而影响气动特性这一重

4、要问题。针对风雪流，W内外学者采用理论分析、风洞试验、数值模拟及场地实测开展了大量研宄。Tsuchiya等M对一阶梯形建筑缩尺模型进行了场地实测，模型高低两阶屋面的长X宽X高分别为5.4mX1.8mX1.8m和5.4mX4.5mX0.9m安装于离地面0.5m的位置，测试丫实测场地的温湿度、风速、风向以及低阶屋面的积雪分布形态，并与风洞试验结果进行比较，研宄了绕流对屋面积雪特性的影响。Thiis[9]对一7.5mX2.5mX2.5m的长方体模型以及两个和邻5.9m,边长为2.5m的立方体模型周边地面积雪模式进行了研究，揭示了风速与风致积雪漂

5、移堆积情况的关系以及既存积雪对积雪沉积率的影响。0’Rourke等[10-12]采用解析方法计算Y屋面雪荷载、风速数据及地面积雪分布等参数，统计计算获得N年重现期屋面最大雪荷载，并采用核桃壳粉粒模拟雪粒，在水槽中对屋面积雪分布进行试验研宄，试验模型包括双坡屋面、平屋面和阶梯形屋面，分析了迎风侧屋面吹雪质量输运率。Ccxxa等1^1介绍了基于历史气象数据及数学模型估计屋面N年重现期雪荷载的方法。Tominaga等Ull基于两相流理论提出了改进吹雪沉积与侵蚀的计算方法，并对立方体建筑周边积雪进行数值模拟，得到与实测及风洞试验数据符合较好的结果

6、。孙晓颖等基于多相流模型，对几种典型大跨度屋盖的风雪流作用进行了数值模拟。王卫华等采用石英砂模拟雪粒子，在边界层风洞中对典型阶梯形屋面及双坡屋面进行了积雪特性的试验研究。鉴于风雪流作用的复杂性，场地实测已成为最直接、有效、可靠的研宄方法。但既有的实测数据多针对风雪流输运特性以及建筑物周边积雪，而针对建筑屋面积雪的实测研宄和对较少。故此，本文旨在采用场地实测的方式，兼顾考虑风雪流研宄中典型的阶梯型屋面以及工程中常用的平屋面、双坡屋面、女儿墙等影响因素，对常遇雪天下的屋面积雪进行研究。同吋，基于实测结果，与多国规范进行比较，分析两者差异，提出

7、可供设计参考的建议。最后，基于DEM(DiscreteElementMethod)与CFD(ComputationalFluidDynamics),考虑雪粒子的碰撩、黏结及其与风场的双向耦合，探索性地对阶梯型屋面积雪分布幵展了二维数值模拟，结合风洞试验与实测数据论证了其有效性。1模型设计与实测实测场地位于黑龙江省泰康县体育场（见阁1）,该处地形幵阔、平坦，适合进行场地实测，同时按GB50009—2012规定，易判断其属于B类场地。因仅做机理性研究，故模型并无特定缩尺对象，釆用胶合板、方木、合页及钢排钉，共制作了方便搬运、拆装的建筑模型共6

8、组，其中典型阶梯型屋面及冇、无女儿墙平屋面模型各1组，有、无女儿墙双坡屋面分别为2组及1组。除阶梯型屋面长度为3000mm外，其余模型长、宽、高均分别为1500mm、1200mm和1200mm