基于cfd的房屋雙坡房屋風(fēng)壓系數(shù)研究

基于cfd的房屋雙坡房屋風(fēng)壓系數(shù)研究

低土地房屋是工業(yè)和民用建筑中常見的房屋形式。部分低矮房屋,如目前開發(fā)應(yīng)用的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋及其屋面材料向著輕質(zhì)高強(qiáng)的方向發(fā)展,對(duì)于該類結(jié)構(gòu)體系,風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往起著主要的控制作用。歷次的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害調(diào)查表明屋面破壞是低層雙坡屋面房屋的主要破壞形式之一。1969年的“卡邁爾颶風(fēng)”席卷了美國(guó)整個(gè)密西西比州之后,一美國(guó)海軍基地對(duì)300幢低矮建筑物的調(diào)查后發(fā)現(xiàn),有12%全部倒塌,78%需要加蓋新屋面。影響低層房屋屋面風(fēng)荷載的因素很多,如風(fēng)向角、屋面坡角、房屋長(zhǎng)寬比、房屋高寬比等,但是我國(guó)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)中,僅給出了考慮屋面坡角的雙坡屋面房屋各面的體型系數(shù),對(duì)于其它影響因素均未提及,這已明顯不能滿足日異月新的工程應(yīng)用需求。因此,較全面準(zhǔn)確地掌握這類房屋的屋面風(fēng)壓分布規(guī)律十分必要。大氣邊界層中鈍體繞流是非常復(fù)雜的,對(duì)于結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載,很難從流體力學(xué)理論上直接進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的研究方法有兩種:現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)。相對(duì)于高層建筑,低層房屋的全尺寸場(chǎng)地試驗(yàn)開展得較多。例如Hoxey等人[4―5]對(duì)12個(gè)不同山墻形狀的雙坡屋面房屋進(jìn)行了實(shí)尺度模型風(fēng)壓測(cè)試,結(jié)果顯示房屋的幾何外形如高、寬、坡度等因素均對(duì)其受風(fēng)作用有較明顯的影響。在低矮建筑的原型試驗(yàn)中頗具影響的是美國(guó)德州理工大學(xué)風(fēng)工程研究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室(TexasTechWindEngineeringResearchFieldLaboratory,WERFL)的TTU(TexasTechUniversityBuildingModel)建筑模型場(chǎng)地試驗(yàn)[6―8]。風(fēng)洞試驗(yàn)是目前公認(rèn)較為準(zhǔn)確的確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的方法。但是,不論是風(fēng)洞試驗(yàn),還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)都存在著試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)大、周期長(zhǎng)等問題。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的飛速發(fā)展和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD,ComputationalFluidDynamics)技術(shù)的不斷完善,出現(xiàn)了與試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬方法,并已逐步成為繼風(fēng)洞試驗(yàn)后預(yù)測(cè)建筑物表面風(fēng)壓、周圍風(fēng)速和湍流特性的一種新的有效方法。王輝[10―11]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε和RNGk-ε湍流模型,對(duì)一幢低層雙坡屋面房屋在不同風(fēng)向角下的表面風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果作了比較分析。但是,該文的風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬均忽略了大氣邊界層風(fēng)速的影響,來流風(fēng)取為均勻流,且僅對(duì)單一建筑進(jìn)行了分析,并未深入研究影響其表面風(fēng)壓的影響因素。陳水福采用Realizablek-ε湍流模型對(duì)文獻(xiàn)中的12個(gè)雙坡屋面房屋模型的屋面風(fēng)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果與足尺試驗(yàn)的結(jié)果誤差普遍在20%―30%。并在此基礎(chǔ)上,對(duì)同類房屋在不同高寬比和不同坡度情況下的風(fēng)壓變化規(guī)律進(jìn)行了參數(shù)分析,但是該文的數(shù)值分析也是建立在均勻流的基礎(chǔ)上,且僅針對(duì)特定的12個(gè)足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析,部分模型可比性較差,規(guī)律不夠明顯。顧明對(duì)TTU標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究,并采用Fluent的RSM(雷諾應(yīng)力)模型和CFX的SST(剪切應(yīng)力運(yùn)輸)模型研究了TTU實(shí)尺度模型的定常繞流場(chǎng),并重點(diǎn)比較分析了數(shù)值模擬結(jié)果、實(shí)測(cè)結(jié)果及縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)之間的差異,并未深入研究低矮建筑的風(fēng)壓分布情況。文獻(xiàn)[14―15]由標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型得到的建筑表面風(fēng)壓及湍動(dòng)能等時(shí)均值與大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)值有一定的吻合,但在建筑物背風(fēng)面及側(cè)風(fēng)面處計(jì)算值偏小,回流區(qū)域也明顯偏小。本文基于專業(yè)CFD軟件平臺(tái)Fluent6.3,首先采用基于Reynolds時(shí)均(RANS,ReynoldsAveragedNavier-Stokes)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε等湍流模型計(jì)算了TTU標(biāo)準(zhǔn)低層建筑模型的靜態(tài)繞流的風(fēng)流場(chǎng),建立了適用于低層建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)值風(fēng)洞模型,并將各湍流模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。其次,采用RNGk-ε模型對(duì)低層雙坡房屋進(jìn)行了數(shù)值分析。較系統(tǒng)地研究了來流風(fēng)向角、屋面坡度、挑檐長(zhǎng)度、檐口高度和房屋長(zhǎng)寬比對(duì)屋面風(fēng)壓系數(shù)以及建筑物各表面體型系數(shù)的影響。1ttu標(biāo)準(zhǔn)建筑模型的數(shù)值模擬1.1引入新的湍流模型方程在計(jì)算風(fēng)工程中,鈍體繞流問題的控制方程是粘性不可壓Navier-Stokes方程。當(dāng)前應(yīng)用最廣的是基于RANS的N-S方程,并由湍流模型進(jìn)行封閉,再作離散求解的數(shù)值模擬方法。湍流時(shí)均流動(dòng)的控制方程如下[16―17]:上面三式分別為時(shí)均連續(xù)方程、雷諾方程和標(biāo)量φ的時(shí)均輸運(yùn)方程。要使方程組封閉,必須對(duì)Reynolds應(yīng)力項(xiàng)作出某種假定,即引入新的湍流模型方程,把湍流的脈動(dòng)值與時(shí)均值等聯(lián)系起來。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是渦粘模型中最具代表性的兩方程模型,并在科學(xué)研究及工程實(shí)踐中得到了最為廣泛的檢驗(yàn)和成功應(yīng)用。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中,對(duì)于Reynolds應(yīng)力的各個(gè)分量,假定粘性系數(shù)μt是各向同性的標(biāo)量。由于建筑物背面、側(cè)面處氣流將出現(xiàn)回流和分離現(xiàn)象,湍流表現(xiàn)為較強(qiáng)烈的各向異性,μt應(yīng)是各向異性的張量,因此對(duì)預(yù)測(cè)非各向同性湍流不是特別理想。為彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的缺陷,許多研究者提出了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的改進(jìn)方案。其中,RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型就是兩種應(yīng)用比較廣泛的改進(jìn)方案。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型都是針對(duì)充分發(fā)展的湍流才有效的,而在壁面區(qū),流動(dòng)情況變化很大,特別是在粘性底層,流動(dòng)幾乎是層流,湍流應(yīng)力幾乎不起作用,因此,需要采用壁面函數(shù)法將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)相應(yīng)物理量聯(lián)系起來。1.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)TTU建筑模型是美國(guó)德克薩斯州理工大學(xué)WERFL提出的一種低矮建筑標(biāo)準(zhǔn)模型。該標(biāo)準(zhǔn)模型有真實(shí)的原型建筑,TTU研究小組在該原型建筑物上布置了風(fēng)壓測(cè)點(diǎn),通過實(shí)地壓力測(cè)量得到了大量珍貴的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),它是當(dāng)前較為權(quán)威的一種探討建筑風(fēng)洞模擬技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模型。該建筑的外形尺寸為30ft×45ft×13ft(W9.1m×L13.7m×H4m),頂面有一斜率為1/60的小坡度,見圖1。計(jì)算流域取為150m×90m×40m,建筑物置于流域沿流向前1/3處。流域設(shè)置滿足阻塞率<3%的要求,以盡量消除計(jì)算域?qū)λP(guān)心的模型附近流態(tài)的影響。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,建筑物表面較密,遠(yuǎn)離建筑物表面的界面區(qū)域較稀疏。共生成80萬個(gè)體單元的網(wǎng)格。1.3平均風(fēng)速剖面和速度壓力耦合進(jìn)流面:速度進(jìn)流邊界條件(velocity-inlet),根據(jù)TTU建筑風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用對(duì)數(shù)率模擬大氣邊界層風(fēng)速剖面如下:式中:U*為摩擦速度,等于0.7052m/s;Z1為粗糙長(zhǎng)度,等于0.024m;K為馮·卡門常數(shù),等于0.42;Z、U為流域中某高度和對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速。平均風(fēng)速剖面采用Fluent提供的UDF(User-DefinedFunctions)編程與Fluent作接口實(shí)現(xiàn)。出流面:由于出流接近完全發(fā)展,采用完全發(fā)展出流邊界條件(outflow),流場(chǎng)任意物理量沿出口法向的梯度為零,即?ψ/?n=0。流域頂部和兩側(cè):采用對(duì)稱邊界條件(symmetry),等價(jià)于自由滑移的壁面。建筑物表面和地面:采用無滑移的壁面條件(wall)。計(jì)算采用3D單精度,分離式求解器,空氣模型選用了不可壓縮的常密度空氣模型,對(duì)流項(xiàng)的離散采用了精度較高的二階迎風(fēng)格式,速度壓力耦合采用了SIMPLEC算法。鈍體繞流出現(xiàn)分離、再附、沖撞、環(huán)繞及旋渦等一系列復(fù)雜的流動(dòng),選用非平衡壁面函數(shù)(NonEquilibriumWallFunction)來模擬壁面附近復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。1.4來流湍流強(qiáng)度的確定湍流度對(duì)結(jié)構(gòu)所受靜力風(fēng)荷載的影響較小,而對(duì)脈動(dòng)風(fēng)載效應(yīng)影響較大(規(guī)范中是通過風(fēng)振系數(shù)來考慮的)。湍流強(qiáng)度I取值如下:計(jì)算中,來流湍流特性通過在進(jìn)流處以直接給定湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的方式給定入流處湍流參數(shù):k=1.5(UI)2,ε=0.090.75k1.5/l,式中l(wèi)是湍流尺度。k和ε值同樣采用UDF編程與Fluent作接口實(shí)現(xiàn)。1.5實(shí)測(cè)模型與實(shí)測(cè)結(jié)果比較分別采用FLUENT軟件提供的基于Reynolds時(shí)均的5種常用的兩方程渦粘湍流模型:標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型、SSTk-ω模型對(duì)TTU建筑風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分別計(jì)算了90°和60°風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)。計(jì)算結(jié)果與TTU實(shí)尺模型場(chǎng)地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)在模型中軸線測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)曲線比較見圖2。圖2中建筑剖面A→B→C→D→E表示建筑中軸線90°→270°的11個(gè)測(cè)點(diǎn)位置順序。無量綱的風(fēng)壓系數(shù)Cp以模型頂部高度處來流動(dòng)壓作為無量綱化的參考風(fēng)壓,由下式計(jì)算:式中:P為測(cè)點(diǎn)平均壓力;P0為參考高度處的靜壓;ρ為空氣密度,取為1.225kg/m3;U0為參考高度處的風(fēng)速(建筑物頂部4m高度處)。由圖2知,5種湍流模型的數(shù)值模擬結(jié)果都很好的反應(yīng)了風(fēng)壓系數(shù)的變化趨勢(shì)。90°風(fēng)向角下,除了SSTk-ω模型在屋面的風(fēng)壓系數(shù)比場(chǎng)地實(shí)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果偏大外,其它模型的計(jì)算結(jié)果都與場(chǎng)地實(shí)測(cè)結(jié)果和TJ-2風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果非常接近,基本落在了實(shí)尺模型測(cè)量數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)。60°風(fēng)向角下,除標(biāo)準(zhǔn)k-ω和SSTk-ω模型的計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)在背風(fēng)墻面DE一側(cè)稍微大于實(shí)測(cè)結(jié)果外,其它各湍流模型均落在了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。因此,數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的精度。2低坡房屋風(fēng)荷載分析2.1模型算例2:《截面為軸類,積分法計(jì)算工況,確定不同地域,形成不同的網(wǎng)格。請(qǐng)將建筑物中,有以下幾個(gè)面體單元,按模型域分基本模型(情況6-30°)的特征尺寸為長(zhǎng)(L)×寬(W)×高(H)=15m×12.8m×9.9m,雙坡屋面,屋面坡度θ=30°,挑檐長(zhǎng)度B=0.9m,檐口高度為9.9m,如圖3所示。計(jì)算流域取為160m×90m×60m,建筑物置于流域沿流向前1/3處。流域設(shè)置滿足阻塞率<3%的要求。采用混合網(wǎng)格離散方式,將計(jì)算區(qū)域分為內(nèi)外兩部分:在模型附近的內(nèi)部區(qū)域采用四面體單元,網(wǎng)格較密;在遠(yuǎn)離模型的外圍空間,采用六面體單元離散,遠(yuǎn)離柱面的界面區(qū)域較稀疏。各模型網(wǎng)格總數(shù)在70萬左右。網(wǎng)格劃分見圖4。2.2邊界條件及湍流模型進(jìn)流面:速度進(jìn)流邊界條件,參考我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001),采用指數(shù)率模擬大氣邊界層風(fēng)速剖面如下:式中:Z0、U0為參考高度和參考高度處的風(fēng)速,為方便比較,本文統(tǒng)一取10m高度作為參考高度,風(fēng)速為12.8m/s;Z、U為流域中某高度和對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速;α為地面粗糙度指數(shù),本文選取B類地貌,α=0.16。其余邊界條件的設(shè)定同1.3節(jié)。由1.5節(jié)知,無論90°風(fēng)向角還是60°風(fēng)向角,RNGk-ε湍流模型對(duì)低層房屋的模擬均具有較高的精度,所以以下計(jì)算均選用該湍流模型。在風(fēng)場(chǎng)模擬中,我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范還沒有明確的湍流度要求,本文對(duì)B類風(fēng)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度,參考日本建議的湍流強(qiáng)度I取值如下:式中:B類風(fēng)場(chǎng)下,I0=0.23;γ=0.2;Zb=5m;Zg為梯度風(fēng)高度,取350m。計(jì)算中,湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的給定同1.4節(jié)。表1為各模型編號(hào)及相應(yīng)參數(shù),對(duì)于每個(gè)模型,風(fēng)向角又分為0°、45°、90°三種工況。各模型的網(wǎng)格劃分、邊界條件和參數(shù)設(shè)置均相同。2.3體型系數(shù)面面積加權(quán)平均風(fēng)壓系數(shù)Cp以10m高度處來流動(dòng)壓作為無量綱化的參考風(fēng)壓,由式(6)計(jì)算得出。體型系數(shù)為風(fēng)壓系數(shù)對(duì)所在面進(jìn)行面積加權(quán)平均后的結(jié)果。計(jì)算式如下:式中:Cpi為第i測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù);Ai為該點(diǎn)所屬表面面積;A為表面總面積;Zi為第i測(cè)點(diǎn)高度,當(dāng)Zi<10時(shí),取Zi=10。2.3.1坡面坡度和坡面時(shí)的體型系數(shù)以基準(zhǔn)模型情況6-30°為基礎(chǔ),僅改變屋面坡度分別為0°、15°、25°、30°、35°、45°、60°,建立模型情況6-0°、情況6-15°、情況6-25°、情況6-30°、情況6-35°、情況6-45°和情況6-60°。不同屋面坡度下,屋面風(fēng)壓系數(shù)等值線如圖5所示,房屋各表面的體型系數(shù)變化曲線見圖6。0°風(fēng)向角下,房屋的風(fēng)速矢量圖見圖7。在0°風(fēng)向角下,迎風(fēng)墻面Y1和迎風(fēng)下挑檐面Y2不受屋面坡度的影響,各模型的體型系數(shù)基本相同,Y1為0.48―0.52,Y2為0.60―0.65。迎風(fēng)屋面屋檐(15°、25°、30°、35°坡度時(shí))及背風(fēng)屋面屋脊線附近由于存在明顯的氣流分離,形成較高的負(fù)壓。迎風(fēng)屋面T1的體型系數(shù)隨著坡度的增大呈現(xiàn)由負(fù)壓(吸力)到正壓(壓力)的變化規(guī)律,即從-0.99―0.41。計(jì)算結(jié)果表明:坡度小于40°時(shí),迎風(fēng)屋面T1的體型系數(shù)為負(fù)值,且其絕對(duì)值隨著坡面坡度的增大而減小;坡度大于40°時(shí),迎風(fēng)屋面T1的體型系數(shù)為正值,且隨著坡度的增大而增大。對(duì)于15°、45°、60°坡度,迎風(fēng)屋面T1的體型系數(shù)最大值(絕對(duì)值)均出現(xiàn)在檐口處,且向著屋脊方向逐漸減小;25°、30°、35°坡度時(shí),呈現(xiàn)檐口和屋脊處體型系數(shù)最大,中間小的分布形態(tài)。背風(fēng)屋面T2在各坡度下均為負(fù)壓,在15°坡度時(shí),負(fù)壓絕對(duì)值相對(duì)較小,60°坡度時(shí),負(fù)壓絕對(duì)值相對(duì)較大,但在25°坡度到45°坡度之間,體型系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。各個(gè)坡度下,背風(fēng)屋面T2的最大負(fù)壓均出現(xiàn)在屋脊處,且向屋檐方向逐漸減小。背風(fēng)墻面B1和背風(fēng)下挑檐面B2,體型系數(shù)(絕對(duì)值)隨屋面坡度的增加而增大,背風(fēng)墻面B1的體型系數(shù)在-0.48―-0.85之間。45°風(fēng)向角下,氣流在房屋周圍產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流分離,氣流的脈動(dòng)變化比較大,容易引起局部的高負(fù)壓。屋面坡度對(duì)于迎風(fēng)面(Y1、Y2和C1)的影響不大。與0°風(fēng)向角相比,隨著風(fēng)向角的變化,屋面風(fēng)壓分布也隨之改變,較高的負(fù)壓區(qū)總是出現(xiàn)在迎風(fēng)一側(cè)的氣流分離面附近。迎風(fēng)屋面T1的體型系數(shù)除60°坡度時(shí)為正壓0.14外,其余均為負(fù)壓,且負(fù)壓絕對(duì)值隨著屋面坡度的增大而減小。背風(fēng)屋面T2均為高負(fù)壓,其體型系數(shù)隨著屋面坡度的變化波動(dòng)相對(duì)較大,變化范圍在-0.83―-1.02之間。90°風(fēng)向角下,總體來說,屋面坡度改變對(duì)房屋各表面的體型系數(shù)影響不大。迎風(fēng)山墻C1面承受正壓力,體型系數(shù)在0.56―0.62之間,背風(fēng)山墻C2面承受負(fù)壓力,體型系數(shù)(絕對(duì)值)隨坡度的增加而增加,即從-0.28―-0.37之間。屋面T1和T2的風(fēng)壓系數(shù)沿屋脊成對(duì)稱狀態(tài)分布,均承受負(fù)壓力,最大負(fù)壓總是出現(xiàn)在迎風(fēng)一側(cè)的氣流分離面附近,最大值達(dá)-1.51。遠(yuǎn)離來流方向,風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小,且逐漸分布均勻。由圖7知,在位于建筑物前表面的某點(diǎn)處,風(fēng)場(chǎng)被分為兩部分:一部分以接近建筑物屋面上方的未擾動(dòng)風(fēng)通過;另一部分由建筑正面和背面產(chǎn)生的漩渦構(gòu)成。屋面坡度越大,在屋脊處的氣流分離越嚴(yán)重。大約在迎風(fēng)墻面2/3高度處,氣流有一正面停滯點(diǎn),該點(diǎn)的速度方向垂直于正迎風(fēng)面。在該點(diǎn)以上,流動(dòng)上升并越過建筑物頂面,在該點(diǎn)以下,氣流向下并流向地面,迎風(fēng)面氣流向下滾動(dòng),于是在建筑物迎風(fēng)面緊靠地面形成了水平滾動(dòng),成為駐渦區(qū)。氣流在房屋背風(fēng)區(qū)域產(chǎn)生了很大的漩渦,即形成負(fù)壓。由圖7(d)知,在迎風(fēng)面邊緣氣流發(fā)生了分離,在兩側(cè)山墻形成了較小的漩渦,而在背風(fēng)墻面形成了兩個(gè)對(duì)稱的大漩渦。2.3.2面型系數(shù)以基準(zhǔn)模型情況6-30°為基礎(chǔ),僅改變房屋的檐口高度H分別為3.3m、6.6m、13.2m,建立模型情況1、情況2、情況8。圖8為不同檐口高度H下,屋面風(fēng)壓系數(shù)等值線分布圖。3種風(fēng)向角下,檐口高度對(duì)房屋表面體型系數(shù)的影響曲線見圖9。0°風(fēng)向角下,隨著房屋檐口高度的增加,迎風(fēng)墻面Y1和挑檐下表面Y2的體型系數(shù)逐漸增加,其變化范圍分別在0.45―0.54和0.53―0.69之間。房屋高度為3.3m時(shí),迎風(fēng)屋面T1的體型系數(shù)僅為-0.02,而后隨著檐口高度的增加,T1面所受負(fù)壓力(絕對(duì)值)逐漸增大。背風(fēng)屋面T2均承受負(fù)壓力,風(fēng)壓系數(shù)分布比較均勻,體型系數(shù)(絕對(duì)值)也隨著檐口高度的增加而逐漸增大。背風(fēng)墻面B1和山墻面C1、山墻面C2也表現(xiàn)出體型系數(shù)(絕對(duì)值)隨檐口高度增加而逐漸增大的規(guī)律。45°風(fēng)向角下,迎風(fēng)面(Y1、Y2和C1)均承受正壓力,其體型系數(shù)隨檐口高度變化的趨勢(shì)不明顯。屋面T1和T2承受負(fù)壓力,隨著檐口高度的增加,負(fù)壓絕對(duì)值逐漸增大。各模型背風(fēng)屋面T2自身的風(fēng)壓系數(shù)分布相對(duì)比較均勻,最大負(fù)壓出現(xiàn)在屋脊且靠近來流方向處。90°風(fēng)向角下,僅迎風(fēng)山墻面C1承受正壓力,體型系數(shù)隨著檐口高度的增加而逐漸增大,即從0.49―0.61。其它各表面均承受負(fù)壓力,且體型系數(shù)(絕對(duì)值)隨著檐口高度的增加而逐漸增大,屋面風(fēng)壓系數(shù)均沿著屋脊呈對(duì)稱分布。最大負(fù)壓總是出現(xiàn)在迎風(fēng)一側(cè)的氣流分離面附近,情況8模型的最大負(fù)壓高達(dá)-1.57。綜上所述,房屋各表面體型系數(shù)均表現(xiàn)出隨檐口高度增加而增大的趨勢(shì)。主要是因?yàn)?風(fēng)速隨著高度按照指數(shù)率的形式分布,而風(fēng)壓沿高度的變化規(guī)律是風(fēng)速的平方。本文計(jì)算中,各模型的參考高度與參考風(fēng)速統(tǒng)一取為10m及10m高度處的風(fēng)速。因此,檐口高度越高,風(fēng)速越大,風(fēng)壓也就越大。我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)是以風(fēng)壓高度變化系數(shù)(任意高度處的風(fēng)壓與10m高度處的風(fēng)壓之比)來體現(xiàn)這種變化規(guī)律的,但其規(guī)定對(duì)B類風(fēng)場(chǎng),10m以下風(fēng)壓高度變化系數(shù)均取為1。2.3.3所有表面體型系數(shù)的變化范圍y1、s1以基準(zhǔn)模型情況6-30°為基礎(chǔ),僅改變房屋的挑檐長(zhǎng)度B分別為0m、0.3m、0.6m、1.2m,建立模型情況3、情況4、情況5、情況7。圖10為不同挑檐長(zhǎng)度下,屋面風(fēng)壓系數(shù)等值線分布圖。挑檐長(zhǎng)度對(duì)房屋各表面體型系數(shù)的影響曲線見圖11。0°風(fēng)向角下,從整體來說,挑檐長(zhǎng)度對(duì)房屋各表面的風(fēng)壓體型系數(shù)影響不大。迎風(fēng)屋面T1的最大負(fù)壓均出現(xiàn)在檐口處,最大值達(dá)-0.72。挑檐下表面Y2承受較大的正壓力,變化范圍在0.61―0.64。Y2面的正壓力與T1面檐口處的負(fù)壓力共同作用后,挑檐承受的最大吸力就達(dá)-1.37左右,這是在房屋設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意的,尤其是在沿海地區(qū),極易引起房屋屋面的破壞。45°風(fēng)向角下,挑檐長(zhǎng)度的變化對(duì)房屋各表面體型系數(shù)的影響較小。迎風(fēng)的2個(gè)墻面Y1、C1以及挑檐下表面Y2承受正壓力,Y1面的體型系數(shù)變化范圍在0.28―0.31之間,C1面的體型系數(shù)變化范圍在0.19―0.22之間。迎風(fēng)屋面T1均承受負(fù)壓力(吸力),該面的體型系數(shù)整體變化不大,變化范圍在-0.42―-0.50之間。T1面在來流方向的屋角處,風(fēng)壓系數(shù)(負(fù)壓絕對(duì)值)最小,而后向遠(yuǎn)離來流方向風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值逐漸增大。T2面均承受較大的負(fù)壓力(吸力),體型系數(shù)變化范圍在-0.83―-0.88之間。背風(fēng)山墻面C2的體型系數(shù)變化范圍在-0.49―-0.55之間,背風(fēng)墻面B1的體型系數(shù)變化范圍在-0.69↓-0.71之間。90°風(fēng)向角下,房屋各表面體型系數(shù)不受挑檐長(zhǎng)度的影響。屋面T1和T2的體型系數(shù)變化范圍分別在-0.54―-0.59和-0.55―-0.58之間。背風(fēng)山墻C2的體型系數(shù)變化范圍在-0.26―-0.30之間。2.3.4房屋未來年生長(zhǎng)中的體型系數(shù)以基準(zhǔn)模型情況6-30°為基礎(chǔ),長(zhǎng)度15m保持不變,僅改變房屋的寬度分別為12m、15m,建立模型情況9、情況10。圖12為不同房屋長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)度不變,L/W分別為1、1.25、1.92)下,屋面風(fēng)壓系數(shù)等值線分布圖。房屋長(zhǎng)寬比對(duì)房屋表面體型系數(shù)的影響曲線見圖13。0°風(fēng)向角下,迎風(fēng)墻面Y1和挑檐下表面Y2的體型系數(shù)幾乎不受房屋長(zhǎng)寬比變化的影響,變化范圍分別在0.47―0.51和0.60―0.62之間。迎風(fēng)屋面T1承受負(fù)壓,體型系數(shù)(絕對(duì)值)隨房屋長(zhǎng)寬比的增大而增大,即從-0.22―-0.39。背風(fēng)屋面T2、背風(fēng)墻面B1和B2的體型系數(shù)變化不大。側(cè)面山墻C1和C2均承受負(fù)壓,體型系數(shù)(絕對(duì)值)隨房屋長(zhǎng)寬比的增大而減小。45°風(fēng)向角下,迎風(fēng)墻面Y1和挑檐下表面Y2的體型系數(shù)隨房屋長(zhǎng)寬比的增大而增大。背風(fēng)山墻面C2承受負(fù)壓,其體型系數(shù)(絕對(duì)值)隨房屋長(zhǎng)寬比的增大而減小。其他各表面體型系數(shù)幾乎不受房屋長(zhǎng)寬比的影響。90°風(fēng)向角下,迎風(fēng)山墻C1承受正壓力,其體型系數(shù)隨著房屋長(zhǎng)寬比的增大而有所增大,即從0.47―0.57。其它各表面均承受負(fù)壓力,其體型系數(shù)(絕對(duì)值)均隨房屋長(zhǎng)寬比的增大而減小。3模擬結(jié)果與實(shí)尺模型的對(duì)比本文首先采用基于Reynolds時(shí)均的