低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟.docx

低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟低层四坡屋面房屋风荷载的风洞试验与数值模拟基金项目：国家自然科学基金项目（50578013）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2012JQ7014）；西安市建设科技项目（SJW201201）作者简介：聂少锋（1981），男，河北石家庄人，讲师，工学博士，Email：[e-mail]。摘要：对低层四坡屋面房屋模型进行了风洞试验，给出了屋面平均和脉动风压系数等值线和各面体型系数的变化规律。采用计算流体力学软件FLUENT，对大气边界层中的试验模型进行了三维定常风场的数值模拟，并将数值模拟结果与试验结果进行了比较分析，变化规律吻合较好。在此基础上，深入研究了不同风向角下房屋屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和长宽比对低层四坡屋面平均风压系数及各面体型系数的影响，并提出了各面体型系数的建议取值。研究结果表明：数值风洞能够较好地反映低层四坡屋面房屋的风荷载特性；各参数对屋面风压系数的影响程度各异，与风向角密切相关；屋面坡度对屋面风压分布和大小有明显的影响；四坡屋面屋脊背后容易形成较高的局部负压区域；当屋面坡度小于35°时，四坡屋面房屋迎风屋面的体型系数绝对值大于相应双坡屋面房屋。该结论和提出的体型系数建议取值为低层四坡屋面房屋的工程抗风设计提供了可靠依据。关键词：四坡屋面；风洞试验；体型系数；数值模拟；湍流模型；计算流体动力学中图分类号：TU312.1文献标志码：A0引言四坡屋面房屋是民用建筑中广泛采用的房屋形式。部分低层房屋，如目前开发应用的冷弯薄壁型钢结构房屋及其屋面材料向着轻质高强的方向发展，且房屋的体型及屋面形式复杂多变，其风荷载特性研究是建筑物抗风设计的重要方面。历次的台风灾害调查表明，屋面破坏是低层四坡屋面房屋的主要破坏形式之一[1]。Endo等[2]对TTU标准低层建筑模型进行了风洞试验研究。文献[3]～[7]中的相关研究表明：屋面的局部峰值风压一般出现在迎风屋檐或屋脊附近，其峰值大小与屋面坡度有直接关系；在相应风向角下，屋脊处的峰值吸力随着屋面坡度的增加而增大；而迎风屋檐处的峰值吸力则随着屋面坡度的增加而减小。Meacham[8]通过试验对比分析了双坡屋面和四坡屋面的风压分布情况，得出在屋面坡度为18.4°的情况下，四坡屋面房屋的抗风性能要优越于双坡屋面房屋。Xu等[9]对四坡屋面低层房屋模型进行了风洞试验，并将试验结果与文献[7]中的双坡屋面试验结果进行对比分析。中国学者大多采用数值方法对低层房屋的风荷载特性进行研究，相关风洞试验开展的相对较少。顾明等[1012]对低层双坡房屋模型进行了风洞试验研究和数值模拟，研究了各影响因素对屋面平均风压的影响。陈水福等[1315]采用数值方法对低层双坡屋面和四坡屋面的风荷载进行了数值分析。周绪红等[16]采用数值方法较系统地研究了不同影响因素对双坡屋面房屋风压系数及体型系数的影响。中国现行的《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）[17]（以下简称荷载规范）中仅给出了考虑屋面坡度的双坡屋面体型系数，对于四坡屋面的体型系数及其他影响因素均未提及。本文中笔者首先对低层四坡屋面房屋进行风洞试验，进而采用FLUENT软件平台，选用基于Reynolds时均的RNGkε湍流模型对其进行数值分析（k为湍动能，ε为湍流耗散率），较系统地研究来流风向角、屋面坡度、挑檐长度、檐口高度和房屋长宽比对屋面风压系数以及建筑物各面体型系数的影响，进而提出房屋体型系数的建议取值。1风洞试验概况1.1试验模型及测点布置风洞试验模型为刚体模型，采用3mm厚的有机玻璃制作，几何缩尺比为1∶50，在风洞中的阻塞率小于3%，满足风洞试验要求，见图1。模型具有足够的强度和刚度，保证了压力测量的精度。风洞试验模型的原始尺寸为15m×12.8m×9.9m，挑檐长度b=0.9m。模型1和模型2的屋面坡度θ分别为30°，15°，0°～90°每隔15°风向角为一个试验工况。模型1缩尺模型尺寸及测点布置见图2。对房屋各表面进行定义：风向角β=0°时，迎风屋面为T1面，背风屋面为T2面，左侧风屋面为T3面，右侧风屋面为T4面，迎风墙面为Y面，背风墙面为B面，左侧风山墙面为C1面，右侧风山墙面为C2面。试验采用被动方法模拟风场。荷载规范中规定大气边界层中的风速剖面以幂函数表示，即式中：U为离地面高度Z处的风速；Z0为参考高度；α为地面粗糙度指数；U0为参考高度处风速；Z为测压点高度。本文中仅对B类地貌风场进行模拟，α=0.15。大气边界层几何相似比和模型相似比一致，均为1∶50。风洞试验中，参考点高度为0.9175m，对应于实际高度为45.875m，试验直接测得的各点风压系数都是以该高度处的风压为参考风压，试验风速取为13m·s-1。1.2试验结果1.2.1风压系数等值线在风洞测