臺風作用下低矮房屋風荷載現(xiàn)場實測和風洞試驗及理論分析研究.pdf

1、我國是世界上受臺風影響最嚴重的國家之一,每年登陸我國東南沿海地區(qū)的臺風平均次數(shù)為8.9個。臺風所造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失主要由臺風風致災害所造成的,風致災害中絕大多數(shù)為居民房屋及低矮建筑風損破壞和倒塌。本文針對臺風風致災害中低矮建筑的風損和風毀問題,應用現(xiàn)場實測、風洞實驗及理論分析相結合的方法,對臺風作用下近地臺風風場特性和低矮建筑風荷載進行了深入、系統(tǒng)的研究。本文主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)基于近海岸臺風觀測系統(tǒng),獲取了

2、登陸臺風10m高度三維風速數(shù)據(jù),對在近海岸地貌強風條件下,10m高度的風特性和湍流特性進行了統(tǒng)計分析。各向湍流強度Iu、Iv、Iw均值范圍分別為0.11-0.14、0.06-0.11和0.03-0.05。陣風因子同湍流強度正相關,湍流積分尺度隨湍流強度增加而相應減少。
　　(2)基于平坡屋面實驗房及臺風觀測系統(tǒng),獲取了近地臺風風速實測數(shù)據(jù),從來流不同地貌和臺風不同區(qū)域影響的角度,對臺風風場近地湍流特性進行了分析。臺風外圍大風區(qū)域1

3、0m高度的各向湍流強度、積分尺度、陣風因子大于臺風眼壁區(qū)域實測值。臺風眼壁區(qū)域的順風向和豎向脈動風速功率譜值與臺風外圍區(qū)域實測功率譜值差別不大,而臺風眼壁區(qū)域的橫風向脈動風速功率譜值大于臺風外圍區(qū)域實測譜值。
　　(3)基于雙坡屋面實驗房及臺風觀測系統(tǒng),獲取了近地臺風風速實測數(shù)據(jù),對近地邊界層臺風風場特性進行了研究。近地邊界層100m高度范圍內(nèi)的平均風速剖面符合對數(shù)律和指數(shù)律分布,平均湍流強度剖面符合指數(shù)律。與良態(tài)季風條件下相比,

4、臺風風剖面參數(shù)如摩擦速度值、地面粗糙度長度、風剖面冪指數(shù)值等相對變大;臺風天氣條件下實測的平均湍流度相對季風實測值增大20%以上。
　　(4)基于平坡型實驗房獲取的近地風速和房屋表面風壓同步實測數(shù)據(jù),對平坡屋面角部區(qū)域的風壓規(guī)律和風壓影響因素進行了研究。在斜向強風作用下,屋檐角部區(qū)域實測最大峰值負壓為-4240.0Pa,峰值負壓系數(shù)最小值為-13.5。ASCE7-10規(guī)范規(guī)定值低估了屋檐角部區(qū)域的峰值負壓。分析了角部區(qū)域峰值壓力在

5、時間和空間的平均效應。探討了不同來流湍流強度和湍流積分尺度及豎向風攻角對角部區(qū)域風壓的影響。
　　(5)基于雙坡屋面實驗房獲取的臺風風速和雙坡屋面表面風壓同步實測數(shù)據(jù),對雙坡屋面風壓分布規(guī)律進行了研究。在斜向風作用下,迎風屋面屋脊角部邊緣測點、屋檐角部區(qū)域具有較高的局部峰值負壓和脈動風壓,風壓系數(shù)的概率分布為非高斯分布。并運用非高斯峰值因子極值分析方法對屋檐和屋脊角部區(qū)域的風壓進行了極值分析,最后將屋檐和屋脊角部區(qū)域的峰值負壓系數(shù)

6、的實測值及極值分析的結果與ASCE7-10規(guī)范規(guī)定值進行了比較,發(fā)現(xiàn)ASCE7-10規(guī)范低估了屋檐和屋脊角部邊緣區(qū)域的峰值負壓。
　　(6)以平坡屋面和雙坡屋面實驗房現(xiàn)場實測結果為基準,開展了兩實驗房的模型測壓風洞試驗研究。在受氣流分離和錐形旋渦影響下的屋面屋檐和屋脊區(qū)域的峰值負壓及脈動風壓的風洞實驗值與現(xiàn)場實測值存在較大差異,風洞實驗結果低估了屋面屋檐和屋脊區(qū)域的峰值負壓和脈動風壓。同時開展了不同流場條件、不同坡度屋蓋形式和屋面

7、建筑構造對屋面風荷載影響的相關風洞實驗研究。
　　(7)基于現(xiàn)場實測研究結果,應用準定常理論分析了屋面角部區(qū)域的等效靜態(tài)風壓系數(shù)、脈動風壓系數(shù)和脈動風壓譜。準定常法預測的等效靜態(tài)風壓系數(shù)與平均風壓系數(shù)存在較大差異。準定常方法相對低估了平坡屋面角部區(qū)域脈動風壓系數(shù)。屋脊和屋檐角部區(qū)域的脈動風壓譜預測值與實測值在低頻范圍內(nèi)相對吻合較好,在高頻范圍脈動風壓預測譜低估其實測譜。根據(jù)香港天文臺橫瀾島觀測站實測臺風風速資料,考慮各年臺風發(fā)生頻