基于風(fēng)洞試驗(yàn)的建筑屋面分區(qū)及風(fēng)荷載計(jì)算

基于風(fēng)洞試驗(yàn)的建筑屋面分區(qū)及風(fēng)荷載計(jì)算

0我國相關(guān)規(guī)范對風(fēng)荷載規(guī)范的規(guī)定風(fēng)災(zāi)調(diào)查表明，低建筑物的屋頂結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)中經(jīng)常被打破。因此，對屋頂承受結(jié)構(gòu)的風(fēng)負(fù)荷研究非常重要。國外發(fā)達(dá)國家中風(fēng)荷載規(guī)范一直是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂者和風(fēng)工程研究專家們重點(diǎn)關(guān)注的問題。日本、美國、澳大利亞等國家以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)都在對風(fēng)荷載規(guī)范作逐步的修訂和完善。我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)(簡稱中國荷載規(guī)范)對于屋面主體結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的規(guī)定過于簡單,而且僅僅考慮了風(fēng)向垂直于屋脊時(shí)的情況,而在實(shí)際的自然環(huán)境中,風(fēng)向?qū)τ诮ㄖ锸请S機(jī)的。本文通過一系列不同坡度、高度及寬度的雙坡屋面低矮建筑的風(fēng)洞試驗(yàn),參照日本荷載規(guī)范AIJ2004和美國荷載規(guī)范ASCE/SEI7-10的建筑表面分區(qū),給出雙坡屋面風(fēng)荷載分區(qū)體型系數(shù),并分析了坡度、高深比及寬深比對其的影響,然后對風(fēng)荷載分區(qū)體型系數(shù)進(jìn)行坡度、高深比及寬深比的擬合,并將擬合公式的計(jì)算值和國內(nèi)外荷載規(guī)范進(jìn)行比較,最后給出了中國荷載規(guī)范風(fēng)荷載分區(qū)體型系數(shù)的建議值。1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)結(jié)果本次試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞完成的,對99個(gè)帶挑檐的雙坡屋面低矮建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。根據(jù)對中國東南沿海農(nóng)村房屋的調(diào)研,選取了具有代表性的房屋,設(shè)計(jì)了本次試驗(yàn)的模型尺寸。模型坡度(β)分別為0°,4.8°,9.5°,14°,18.4°,21.8°,26.6°,30°,35°,45°,60°;高深比(H0/D)分別為0.55,0.8,1.05,其中D=12m;寬深比(B/D)分別為0.6,1.2,1.8;參數(shù)β,H0,D,B的定義見圖1。挑檐設(shè)計(jì)為底部和圈梁底平齊,坡度在0°~30°的屋面挑檐長度(De)為0.6m,坡度為35°,45°,60°時(shí),屋面挑檐長度(De)分別為0.57,0.4,0.23m,挑檐底板和檐口高度差為0.4m,保持不變。測壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閯傮w模型(圖2),用有機(jī)玻璃板和ABS板制成,具有足夠的剛度和強(qiáng)度,使得在1m高度處的試驗(yàn)風(fēng)速達(dá)12m/s模型不會發(fā)生變形,也不會出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象,以保證測壓試驗(yàn)的精度。模型的幾何縮尺比為1/40,與實(shí)物在外形上保持幾何相似,風(fēng)速比設(shè)為1/3,則相應(yīng)的時(shí)間比為3/40。試驗(yàn)風(fēng)向角間隔取為15°,按順時(shí)針方向增加,共24個(gè)風(fēng)向角。為了和低矮建筑的環(huán)境相對應(yīng),試驗(yàn)的大氣邊界層流場模擬為B類地貌風(fēng)場,模擬的風(fēng)場結(jié)果如圖3所示。平均風(fēng)速剖面指數(shù)α=0.16,模型頂部(對應(yīng)實(shí)際10m高度處)紊流度約為22%。試驗(yàn)中掃描閥掃描頻率設(shè)置為312.5Hz,一次采樣57.6s(對應(yīng)實(shí)際12.6min)。在模型的屋面布設(shè)測點(diǎn)290個(gè),在檐口上、下表面分別布設(shè)測點(diǎn),見圖4,圖中內(nèi)部的虛線表示不同模型組合在一起的界線。2數(shù)據(jù)處理方法2.1屋頂體型系數(shù)取測點(diǎn)高度的來流速度壓為參考風(fēng)壓,測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程Cp(i,t)為:則測點(diǎn)的體型系數(shù)μs(i)可表示為:本文中屋面體型系數(shù)的參考風(fēng)速均為平均屋面高度處的風(fēng)速。2.2面體型系數(shù)在某個(gè)固定的風(fēng)向角下,對某個(gè)面的測點(diǎn)體型系數(shù)進(jìn)行面積加權(quán)平均,可得面體型系數(shù)μs為:式中:μs(i)為測點(diǎn)i的體型系數(shù);A(i)為測點(diǎn)i分?jǐn)偟南鄳?yīng)面積;n為該面上的總測點(diǎn)數(shù)。2.3屋面結(jié)構(gòu)分類借鑒日本荷載規(guī)范和美國荷載規(guī)范對屋面進(jìn)行分區(qū),用來計(jì)算屋面風(fēng)荷載的分區(qū)體型系數(shù)。當(dāng)風(fēng)向垂直于屋脊時(shí),屋面分為迎風(fēng)挑檐(Ou)、迎風(fēng)屋面(Ru)和背風(fēng)屋面(Rl);當(dāng)風(fēng)向平行于屋脊時(shí),屋面分為靠近來流屋面(Ra)、中間屋面(Rb)和遠(yuǎn)離來流屋面(Rc),如圖5所示。圖中L為分區(qū)參數(shù),取4H和B中的較小值,其中B為房屋垂直于來流風(fēng)方向的水平尺寸;D為房屋平行于來流風(fēng)方向的水平尺寸。2.4屋頂模型的體型系數(shù)根據(jù)上述對建筑屋面的分區(qū),當(dāng)風(fēng)向垂直于屋脊時(shí)計(jì)算的有效風(fēng)向角范圍為-45°(315°)~45°,由于房屋的對稱性,實(shí)際計(jì)算的風(fēng)向角范圍是0°~45°;同理,當(dāng)風(fēng)向平行于屋脊時(shí),實(shí)際計(jì)算的風(fēng)向角范圍是45°~90°。各區(qū)域的風(fēng)荷載體型系數(shù)是在計(jì)算風(fēng)向角范圍內(nèi)的最不利值。計(jì)算公式如下:式中:μs(j)為j區(qū)域的體型系數(shù);ψ為計(jì)算的風(fēng)向角范圍,計(jì)算風(fēng)向垂直于屋脊時(shí)的體型系數(shù),風(fēng)向角范圍為0°~45°,計(jì)算風(fēng)向平行于屋脊時(shí)的體型系數(shù),風(fēng)向角范圍為45°~90°;μs(i,θ)為測點(diǎn)i在θ風(fēng)向角下的體型系數(shù);Ai為測點(diǎn)的分?jǐn)偯娣e;n為j區(qū)域的測點(diǎn)總數(shù)。當(dāng)較高坡度計(jì)算的體型系數(shù)為正值時(shí),式(4)中的min相應(yīng)改為max。3寬深比和深深比的影響由于三維繞流效應(yīng),屋面坡度對屋面風(fēng)壓的大小和分布有很大影響,建筑的高深比和寬深比對屋面風(fēng)壓的大小變化也有一定的影響。高深比和寬深比是指實(shí)際房屋的寬度和進(jìn)深,與風(fēng)向無關(guān),即均和圖1一致。由于工況太多,在研究高深比和寬深比對分區(qū)風(fēng)壓系數(shù)的影響時(shí),寬深比和高深比分別固定為1.8和0.55。坡度、高深比和寬深比對各分區(qū)體型系數(shù)的影響如圖6所示,其中因坡度10°以下的屋面通常定義為平屋面,坡度10°以上的屋面才可以定義為坡屋面,所以這里坡度10°以上的雙坡屋面才有迎風(fēng)屋面和背風(fēng)屋面之分,故圖6(b),(c)給出了坡度為14°~60°迎風(fēng)屋面、背風(fēng)屋面體型系數(shù)隨著坡度、高深比和寬深比的變化。3.1坡度和坡度對財(cái)產(chǎn)性能的影響由圖6(a)可知,當(dāng)高深比和寬深比不變時(shí),坡度為0°~9.5°時(shí),迎風(fēng)挑檐的體型系數(shù)負(fù)壓隨著坡度的增大而增大;坡度>9.5°時(shí),迎風(fēng)挑檐的體型系數(shù)負(fù)壓均隨著坡度的增大而減小;坡度為9.5°時(shí)屋面迎風(fēng)挑檐體型系數(shù)負(fù)壓最大。當(dāng)寬深比和坡度不變時(shí),迎風(fēng)挑檐的體型系數(shù)負(fù)壓大致隨著高深比的增大而增大;當(dāng)高深比和坡度不變時(shí),迎風(fēng)挑檐的體型系數(shù)負(fù)壓隨著寬深比的增大而增大(除了坡度為0°,45°和60°的屋面外)。但總體來說迎風(fēng)挑檐體型系數(shù)負(fù)壓隨著高深比和寬深比變化的規(guī)律相對坡度來說微弱得多。3.2屋頂屋頂r3.3體型系數(shù)負(fù)壓隨坡度的變化由圖6(c)可知,背風(fēng)屋面體型系數(shù)負(fù)壓隨坡度變化呈凹形,在高深比和寬深比不變時(shí),最大的負(fù)壓基本是出現(xiàn)在坡度為21.8°的屋面,而且坡度為21.8°~30°的負(fù)壓也都較大。坡度為14°~18.4°時(shí),背風(fēng)屋面的體型系數(shù)負(fù)壓隨著高深比增大而增大;其余無顯著規(guī)律可循。當(dāng)高深比不變時(shí),除了坡度為14°、寬深比為0.6的背風(fēng)屋面體型系數(shù)負(fù)壓最大外,其余坡度的背風(fēng)屋面體型系數(shù)負(fù)壓都隨著寬深比的增大而增大,且規(guī)律很明顯。3.4屋頂體型系數(shù)負(fù)壓隨坡度和寬深比的變化當(dāng)風(fēng)向平行于屋脊時(shí),為了避免混淆,下文中的寬度(B)、深度(D)仍與圖1一致。由圖6(d)可知,風(fēng)向平行于屋脊時(shí),靠近來流的屋面體型系數(shù)負(fù)壓隨坡度的改變沒有明顯的規(guī)律可循。在坡度和寬深比不變的情況下,體型系數(shù)負(fù)壓大致隨著高深比的增大而增大,規(guī)律明顯。在坡度和高深比不變時(shí),靠近來流的屋面體型系數(shù)風(fēng)壓大致隨著寬深比的增大而增大。3.5中間屋頂rb由圖6(e)可知,對于體型系數(shù)負(fù)壓,中間屋面的與靠近來流屋面受坡度、高深比和寬深比的影響基本是相同的。3.6屋頂體型系數(shù)負(fù)壓來流屋頂和中間屋面從圖6(f)同樣可以看出,在坡度和寬深比不變的情況下,遠(yuǎn)離來流屋面體型系數(shù)負(fù)壓大致隨著高深比的增大而增大,這與靠近來流屋面和中間屋面體型系數(shù)負(fù)壓的變化規(guī)律相同。在坡度和高深比不變的情況下,由于寬深比為0.6和1.2時(shí),按照遠(yuǎn)離來流屋面區(qū)域尺寸的劃分,就沒有此區(qū)域了,所以此種情況不存在寬深比的變化。4各區(qū)域擬合值擬合值對比根據(jù)上節(jié)描述的坡度、高深比和寬深比對雙坡屋面低矮建筑屋面各區(qū)域體型系數(shù)影響,再結(jié)合國內(nèi)外荷載規(guī)范,對其各分區(qū)的體型系數(shù)進(jìn)行最小二乘法擬合。各分區(qū)體型系數(shù)的擬合公式分別為:迎風(fēng)挑檐(Ou):迎風(fēng)屋面(Ru):背風(fēng)屋面(Rl):靠近來流屋面(Ra):中間屋面(Rb):遠(yuǎn)離來流屋面(Rc):式中:λ1為坡度(β);λ2為高深比(H0/D);λ3為寬深比(B/D)。這里提到的參數(shù)均和圖1一致。對以上各區(qū)域擬合公式準(zhǔn)確度的分析如圖7所示,各區(qū)域擬合值和試驗(yàn)值之間的誤差及相關(guān)系數(shù)分析如表1所示。由圖7和表1可以看出,各擬合公式擬合的準(zhǔn)確度比較高,其中擬合準(zhǔn)確度最好的是迎風(fēng)屋面,背風(fēng)屋面擬和較差。5屋頂各區(qū)域的體型系數(shù)和荷載規(guī)范的比較為了驗(yàn)證本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及計(jì)算方法和擬合方法的合理性,將上節(jié)擬合公式計(jì)算值分別和日本荷載規(guī)范、美國荷載規(guī)范及中國荷載規(guī)范作了比較。由于日本荷載規(guī)范和美國荷載規(guī)范給出的是平均風(fēng)壓系數(shù),而本文比較的是體型系數(shù),所以進(jìn)行了參考高度的換算;且美國荷載規(guī)范及中國荷載規(guī)范和本文的部分分區(qū)是不一樣的,對此也進(jìn)行了相應(yīng)的換算。雙坡屋面低矮建筑屋面各區(qū)域的體型系數(shù)和日本荷載規(guī)范、美國荷載規(guī)范及中國荷載規(guī)范的比較如圖8所示。由于日本荷載規(guī)范和中國荷載規(guī)范都沒有給出迎風(fēng)挑檐的體型系數(shù),所以對迎風(fēng)挑檐的體型系數(shù)比較的只有美國荷載規(guī)范。從圖中可以看出,對于背風(fēng)屋面,本文給出的負(fù)壓值大于各國荷載規(guī)范,這可能是由于本文模型是帶有挑檐的,以致于背風(fēng)屋面的負(fù)壓較大,這從文獻(xiàn)的屋面的風(fēng)壓系數(shù)等值線圖比較可以看出。其余各區(qū)域的風(fēng)壓值都在各國荷載規(guī)范之間,從而證明本文的計(jì)算方法和擬合方法是可靠的。從圖8還可以看出,當(dāng)風(fēng)向平行于屋脊時(shí),對于靠近來流屋面的負(fù)壓,中國荷載規(guī)范給出的值過小,而且該分區(qū)的體型系數(shù)負(fù)壓值是屋面上(除了挑檐)各分區(qū)中最大的,所以這個(gè)區(qū)域的體型系數(shù)負(fù)壓值往往是屋面主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)時(shí)所采用的值。6屋頂分區(qū)體型系數(shù)m鑒于中國荷載規(guī)范關(guān)于屋面主體結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)規(guī)定不夠細(xì)致,且部分區(qū)域的值過小,根據(jù)國外風(fēng)荷載規(guī)范規(guī)定和本文的試驗(yàn)值,給出中國荷載規(guī)范中屋面在風(fēng)向垂直于屋脊和平行于屋脊時(shí)各分區(qū)體型系數(shù)的建議值,如表2和表3所示。7屋頂荷載分區(qū)體型系數(shù)(1)大部分區(qū)域的分區(qū)體型系數(shù)負(fù)壓值隨著坡度的增大而減小,隨著高深比、寬深比的增大而分別增大。(2)大部分分區(qū)體型系數(shù)的最小二乘法擬合公式計(jì)算值和國內(nèi)外荷載規(guī)范給出值比較接近,驗(yàn)證了擬合公式的可靠性。(3)給出了中國荷載規(guī)范計(jì)算屋面主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分區(qū)體