风致内压特性及其对建筑物作用的研究

【摘要】：开孔建筑指大风期间门窗被吹开、损坏或施工期间门窗尚未安装的建筑物等。风对此类建筑尤其是对屋盖结构的影响,不仅要考虑外压的作用,同时还要考虑内、外压的联合作用。因此,了解开孔建筑风致内压的动力特性、研究内、外压联合作用下的屋盖风振响应,对进行结构抗风设计具有十分重要的意义。当前国内在这一方面的研究工作尚处于起步阶段,而国外的研究工作仍不够完善。本文通过风洞试验对不同工况下刚性模型的风致内压进行研究,分析开孔建筑风致内压的动力特性,内、外压之间的关系;同时,利用气动弹性模型风洞试验,研究了内压对屋盖风振响应的影响。此外,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟和内压传播方程理论,进一步深入分析不同模型参数对内压以及屋盖风振的影响规律。本文的主要研究成果有: 1.设计制作了迎风面开孔的风洞试验刚性模型。进行了不同开孔位置、开孔大小、模型内部容积、背景孔隙率等21个工况下的风洞试验。通过线性化内压传播方程,提出了风致内压平均值和均方根值的理论估算公式,将估算结果与试验结果比较,分析以上诸因素对内压系数平均值和均方根值的影响。 2.设计制作气动弹性屋盖风洞试验模型,获得了不同结构参数对屋盖风振响应的影响规律。采用随机减量法(Random Decrement Technique,RDT)和希耳伯特-黄变换(Hilbert-huang transform,HHT),对气动弹性模型试验得到的加速度时程数据进行处理,较准确地识别了大跨柔性屋盖结构在不同工况下的气动阻尼,探讨了开孔建筑柔性屋面风致振动的气动阻尼值随来流风速和结构参数的变化规律。 3.应用龙格库塔法求解内压传播方程,对风洞试验结果进行补充分析,研究不同结构参数对内压Helmholtz振动的影响。 4.运用标准k-ε双方程湍流模型对刚性模型风洞试验中的平均风压进行稳态计算。首次基于fluent流体力学计算平台,运用大涡模拟研究开孔结构的脉动风压,并从孔口气流振荡时间序列中成功提取到内压的Helmholtz频率信息。在此基础上,提出了考虑屋盖柔度影响的等效容积的概念,从而避免了在数值模拟中进行复杂的流固耦合计算。 5.利用数值风洞非稳态计算得到的脉动风荷载时间序列,结合有限元计算,从