基于风洞试验的建筑屋面分区及风荷载计算

基于风洞试验的建筑屋面分区及风荷载计算

0我国相关规范对风荷载规范的规定风灾调查表明，低建筑物的屋顶结构在台风中经常被打破。因此，对屋顶承受结构的风负荷研究非常重要。国外发达国家中风荷载规范一直是标准规范制订者和风工程研究专家们重点关注的问题。日本、美国、澳大利亚等国家以及国际标准化组织(ISO)都在对风荷载规范作逐步的修订和完善。我国《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)(简称中国荷载规范)对于屋面主体结构体型系数的规定过于简单,而且仅仅考虑了风向垂直于屋脊时的情况,而在实际的自然环境中,风向对于建筑物是随机的。本文通过一系列不同坡度、高度及宽度的双坡屋面低矮建筑的风洞试验,参照日本荷载规范AIJ2004和美国荷载规范ASCE/SEI7-10的建筑表面分区,给出双坡屋面风荷载分区体型系数,并分析了坡度、高深比及宽深比对其的影响,然后对风荷载分区体型系数进行坡度、高深比及宽深比的拟合,并将拟合公式的计算值和国内外荷载规范进行比较,最后给出了中国荷载规范风荷载分区体型系数的建议值。1试验模型及试验结果本次试验是在同济大学TJ-2风洞完成的,对99个带挑檐的双坡屋面低矮建筑进行了风洞试验。根据对中国东南沿海农村房屋的调研,选取了具有代表性的房屋,设计了本次试验的模型尺寸。模型坡度(β)分别为0°,4.8°,9.5°,14°,18.4°,21.8°,26.6°,30°,35°,45°,60°;高深比(H0/D)分别为0.55,0.8,1.05,其中D=12m;宽深比(B/D)分别为0.6,1.2,1.8;参数β,H0,D,B的定义见图1。挑檐设计为底部和圈梁底平齐,坡度在0°~30°的屋面挑檐长度(De)为0.6m,坡度为35°,45°,60°时,屋面挑檐长度(De)分别为0.57,0.4,0.23m,挑檐底板和檐口高度差为0.4m,保持不变。测压试验模型为刚体模型(图2),用有机玻璃板和ABS板制成,具有足够的刚度和强度,使得在1m高度处的试验风速达12m/s模型不会发生变形,也不会出现明显的振动现象,以保证测压试验的精度。模型的几何缩尺比为1/40,与实物在外形上保持几何相似,风速比设为1/3,则相应的时间比为3/40。试验风向角间隔取为15°,按顺时针方向增加,共24个风向角。为了和低矮建筑的环境相对应,试验的大气边界层流场模拟为B类地貌风场,模拟的风场结果如图3所示。平均风速剖面指数α=0.16,模型顶部(对应实际10m高度处)紊流度约为22%。试验中扫描阀扫描频率设置为312.5Hz,一次采样57.6s(对应实际12.6min)。在模型的屋面布设测点290个,在檐口上、下表面分别布设测点,见图4,图中内部的虚线表示不同模型组合在一起的界线。2数据处理方法2.1屋顶体型系数取测点高度的来流速度压为参考风压,测点的风压系数时程Cp(i,t)为:则测点的体型系数μs(i)可表示为:本文中屋面体型系数的参考风速均为平均屋面高度处的风速。2.2面体型系数在某个固定的风向角下,对某个面的测点体型系数进行面积加权平均,可得面体型系数μs为:式中:μs(i)为测点i的体型系数;A(i)为测点i分摊的相应面积;n为该面上的总测点数。2.3屋面结构分类借鉴日本荷载规范和美国荷载规范对屋面进行分区,用来计算屋面风荷载的分区体型系数。当风向垂直于屋脊时,屋面分为迎风挑檐(Ou)、迎风屋面(Ru)和背风屋面(Rl);当风向平行于屋脊时,屋面分为靠近来流屋面(Ra)、中间屋面(Rb)和远离来流屋面(Rc),如图5所示。图中L为分区参数,取4H和B中的较小值,其中B为房屋垂直于来流风方向的水平尺寸;D为房屋平行于来流风方向的水平尺寸。2.4屋顶模型的体型系数根据上述对建筑屋面的分区,当风向垂直于屋脊时计算的有效风向角范围为-45°(315°)~45°,由于房屋的对称性,实际计算的风向角范围是0°~45°;同理,当风向平行于屋脊时,实际计算的风向角范围是45°~90°。各区域的风荷载体型系数是在计算风向角范围内的最不利值。计算公式如下:式中:μs(j)为j区域的体型系数;ψ为计算的风向角范围,计算风向垂直于屋脊时的体型系数,风向角范围为0°~45°,计算风向平行于屋脊时的体型系数,风向角范围为45°~90°;μs(i,θ)为测点i在θ风向角下的体型系数;Ai为测点的分摊面积;n为j区域的测点总数。当较高坡度计算的体型系数为正值时,式(4)中的min相应改为max。3宽深比和深深比的影响由于三维绕流效应,屋面坡度对屋面风压的大小和分布有很大影响,建筑的高深比和宽深比对屋面风压的大小变化也有一定的影响。高深比和宽深比是指实际房屋的宽度和进深,与风向无关,即均和图1一致。由于工况太多,在研究高深比和宽深比对分区风压系数的影响时,宽深比和高深比分别固定为1.8和0.55。坡度、高深比和宽深比对各分区体型系数的影响如图6所示,其中因坡度10°以下的屋面通常定义为平屋面,坡度10°以上的屋面才可以定义为坡屋面,所以这里坡度10°以上的双坡屋面才有迎风屋面和背风屋面之分,故图6(b),(c)给出了坡度为14°~60°迎风屋面、背风屋面体型系数随着坡度、高深比和宽深比的变化。3.1坡度和坡度对财产性能的影响由图6(a)可知,当高深比和宽深比不变时,坡度为0°~9.5°时,迎风挑檐的体型系数负压随着坡度的增大而增大;坡度>9.5°时,迎风挑檐的体型系数负压均随着坡度的增大而减小;坡度为9.5°时屋面迎风挑檐体型系数负压最大。当宽深比和坡度不变时,迎风挑檐的体型系数负压大致随着高深比的增大而增大;当高深比和坡度不变时,迎风挑檐的体型系数负压随着宽深比的增大而增大(除了坡度为0°,45°和60°的屋面外)。但总体来说迎风挑檐体型系数负压随着高深比和宽深比变化的规律相对坡度来说微弱得多。3.2屋顶屋顶r3.3体型系数负压随坡度的变化由图6(c)可知,背风屋面体型系数负压随坡度变化呈凹形,在高深比和宽深比不变时,最大的负压基本是出现在坡度为21.8°的屋面,而且坡度为21.8°~30°的负压也都较大。坡度为14°~18.4°时,背风屋面的体型系数负压随着高深比增大而增大;其余无显著规律可循。当高深比不变时,除了坡度为14°、宽深比为0.6的背风屋面体型系数负压最大外,其余坡度的背风屋面体型系数负压都随着宽深比的增大而增大,且规律很明显。3.4屋顶体型系数负压随坡度和宽深比的变化当风向平行于屋脊时,为了避免混淆,下文中的宽度(B)、深度(D)仍与图1一致。由图6(d)可知,风向平行于屋脊时,靠近来流的屋面体型系数负压随坡度的改变没有明显的规律可循。在坡度和宽深比不变的情况下,体型系数负压大致随着高深比的增大而增大,规律明显。在坡度和高深比不变时,靠近来流的屋面体型系数风压大致随着宽深比的增大而增大。3.5中间屋顶rb由图6(e)可知,对于体型系数负压,中间屋面的与靠近来流屋面受坡度、高深比和宽深比的影响基本是相同的。3.6屋顶体型系数负压来流屋顶和中间屋面从图6(f)同样可以看出,在坡度和宽深比不变的情况下,远离来流屋面体型系数负压大致随着高深比的增大而增大,这与靠近来流屋面和中间屋面体型系数负压的变化规律相同。在坡度和高深比不变的情况下,由于宽深比为0.6和1.2时,按照远离来流屋面区域尺寸的划分,就没有此区域了,所以此种情况不存在宽深比的变化。4各区域拟合值拟合值对比根据上节描述的坡度、高深比和宽深比对双坡屋面低矮建筑屋面各区域体型系数影响,再结合国内外荷载规范,对其各分区的体型系数进行最小二乘法拟合。各分区体型系数的拟合公式分别为:迎风挑檐(Ou):迎风屋面(Ru):背风屋面(Rl):靠近来流屋面(Ra):中间屋面(Rb):远离来流屋面(Rc):式中:λ1为坡度(β);λ2为高深比(H0/D);λ3为宽深比(B/D)。这里提到的参数均和图1一致。对以上各区域拟合公式准确度的分析如图7所示,各区域拟合值和试验值之间的误差及相关系数分析如表1所示。由图7和表1可以看出,各拟合公式拟合的准确度比较高,其中拟合准确度最好的是迎风屋面,背风屋面拟和较差。5屋顶各区域的体型系数和荷载规范的比较为了验证本文的试验数据准确性及计算方法和拟合方法的合理性,将上节拟合公式计算值分别和日本荷载规范、美国荷载规范及中国荷载规范作了比较。由于日本荷载规范和美国荷载规范给出的是平均风压系数,而本文比较的是体型系数,所以进行了参考高度的换算;且美国荷载规范及中国荷载规范和本文的部分分区是不一样的,对此也进行了相应的换算。双坡屋面低矮建筑屋面各区域的体型系数和日本荷载规范、美国荷载规范及中国荷载规范的比较如图8所示。由于日本荷载规范和中国荷载规范都没有给出迎风挑檐的体型系数,所以对迎风挑檐的体型系数比较的只有美国荷载规范。从图中可以看出,对于背风屋面,本文给出的负压值大于各国荷载规范,这可能是由于本文模型是带有挑檐的,以致于背风屋面的负压较大,这从文献的屋面的风压系数等值线图比较可以看出。其余各区域的风压值都在各国荷载规范之间,从而证明本文的计算方法和拟合方法是可靠的。从图8还可以看出,当风向平行于屋脊时,对于靠近来流屋面的负压,中国荷载规范给出的值过小,而且该分区的体型系数负压值是屋面上(除了挑檐)各分区中最大的,所以这个区域的体型系数负压值往往是屋面主体结构风荷载设计时所采用的值。6屋顶分区体型系数m鉴于中国荷载规范关于屋面主体结构的体型系数规定不够细致,且部分区域的值过小,根据国外风荷载规范规定和本文的试验值,给出中国荷载规范中屋面在风向垂直于屋脊和平行于屋脊时各分区体型系数的建议值,如表2和表3所示。7屋顶荷载分区体型系数(1)大部分区域的分区体型系数负压值随着坡度的增大而减小,随着高深比、宽深比的增大而分别增大。(2)大部分分区体型系数的最小二乘法拟合公式计算值和国内外荷载规范给出值比较接近,验证了拟合公式的可靠性。(3)给出了中国荷载规范计算屋面主体结构风荷载分区体