易损区开洞的低矮房屋屋面风压特性风洞试验及数值模拟研究

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随着全球变暖形势日益严峻,台风生成的数量在增加,破坏力也越来越强,其中低矮房屋受灾情况尤为突出,大部分破坏是因高压与大风造成的飞行碎片导致房屋围护系统与屋盖系统局部损坏形成破坏性洞口,使得房屋表面内外共同受风压作用,对房屋进一步损害。本文采用风洞试验与数值模拟两种方法研究低矮房屋易损区局域开洞屋面的风载分布特点。在进行数值模拟时,通过对湍流模型和网格分辨率进行敏感性分析。然后利用所选择的湍流模型和网格分辨率对风洞试验结果进行对比来验证数值模拟的准确性。同时利用数值模拟在模型参数分析上的优势,分析了开洞大小、位置等参数对易损区开洞屋面的风载作用机理的影响。首先,本文通过对坡角18.4°的低矮房屋屋面极值分布选取了三种屋面易损区洞口,完整屋盖上出现的两种形式的特征湍流:分离泡与锥形涡。从部分典型风向角下屋面内外表面风压系数分布云图表现出,屋面易损区洞口不同位置对气流扰动机理不同,可不同程度影响和破坏原特征湍流。在全风向角下,内压值通过与各国规范对比,建议在屋面易损区仅有一主导开洞且开洞率介于0.02与0.1之间时,内压系数可取值为1.0倍洞口外压系数。屋面分区局部体型系数与我国规范对比,对于迎风屋面开洞工况的迎风屋檐区域与背风屋面中部区域、背风屋面开洞工况的迎风屋面中部区域与远离洞口的迎风山墙区域,规范取值偏于不安全。且我国规范没有考虑风向角对屋面体型系数的影响。通过考虑到屋面内外相关性的净极值风压系数分布,总结出三种开洞屋面的屋檐山墙区域、屋面角部区域与屋脊山墙区域所受到的最不利极值较大,故在结构设计时应对此区域进行适当的加强。其次,数值模拟模型以屋面方形开洞的风洞模型为基准模型,通过对4种湍流模型与3种网格尺寸进行敏感性分析,得出SST k-ω湍流模型与风洞试验数据吻合最好,然后对0°-90°风向角下屋面内外表面典型测点的风压模拟结果与风洞结果进行对比,结果表明本文的数值方法能准确的反映出屋面开洞的低矮房屋屋面风压分布的规律。最后,利用数值模拟研究了屋面易损区与墙面窗口同时开洞的低矮房屋屋面内外表面风压,分析并探讨了单面墙开洞位置、单面墙开洞率与双面墙同时开洞为参数对低矮房屋易损区开洞屋面局域部分风压影响,分析得出在典型风向角下,不同开洞工况中迎风墙面开洞对开洞屋面外压局部影响较大,开洞率对于开洞屋面净风压影响较小,斜风向下的迎风墙面开洞使得屋面背风屋脊角部区域净风压放大,达到-2.1。此区域极可能为二次易损区域。
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