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

1、我國是世界上受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一,每年登陸我國東南沿海地區(qū)的臺風(fēng)平均次數(shù)為8.9個。臺風(fēng)所造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失主要由臺風(fēng)風(fēng)致災(zāi)害所造成的,風(fēng)致災(zāi)害中絕大多數(shù)為居民房屋及低矮建筑風(fēng)損破壞和倒塌。本文針對臺風(fēng)風(fēng)致災(zāi)害中低矮建筑的風(fēng)損和風(fēng)毀問題,應(yīng)用現(xiàn)場實測、風(fēng)洞實驗及理論分析相結(jié)合的方法,對臺風(fēng)作用下近地臺風(fēng)風(fēng)場特性和低矮建筑風(fēng)荷載進(jìn)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(fēng)觀測系統(tǒng),獲取了

2、登陸臺風(fēng)10m高度三維風(fēng)速數(shù)據(jù),對在近海岸地貌強風(fēng)條件下,10m高度的風(fēng)特性和湍流特性進(jìn)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(fēng)因子同湍流強度正相關(guān),湍流積分尺度隨湍流強度增加而相應(yīng)減少。
　　(2)基于平坡屋面實驗房及臺風(fēng)觀測系統(tǒng),獲取了近地臺風(fēng)風(fēng)速實測數(shù)據(jù),從來流不同地貌和臺風(fēng)不同區(qū)域影響的角度,對臺風(fēng)風(fēng)場近地湍流特性進(jìn)行了分析。臺風(fēng)外圍大風(fēng)區(qū)域1

3、0m高度的各向湍流強度、積分尺度、陣風(fēng)因子大于臺風(fēng)眼壁區(qū)域?qū)崪y值。臺風(fēng)眼壁區(qū)域的順風(fēng)向和豎向脈動風(fēng)速功率譜值與臺風(fēng)外圍區(qū)域?qū)崪y功率譜值差別不大,而臺風(fēng)眼壁區(qū)域的橫風(fēng)向脈動風(fēng)速功率譜值大于臺風(fēng)外圍區(qū)域?qū)崪y譜值。
　　(3)基于雙坡屋面實驗房及臺風(fēng)觀測系統(tǒng),獲取了近地臺風(fēng)風(fēng)速實測數(shù)據(jù),對近地邊界層臺風(fēng)風(fēng)場特性進(jìn)行了研究。近地邊界層100m高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)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(fēng)條件下相比,

4、臺風(fēng)風(fēng)剖面參數(shù)如摩擦速度值、地面粗糙度長度、風(fēng)剖面冪指數(shù)值等相對變大;臺風(fēng)天氣條件下實測的平均湍流度相對季風(fēng)實測值增大20%以上。
　　(4)基于平坡型實驗房獲取的近地風(fēng)速和房屋表面風(fēng)壓同步實測數(shù)據(jù),對平坡屋面角部區(qū)域的風(fēng)壓規(guī)律和風(fēng)壓影響因素進(jìn)行了研究。在斜向強風(fēng)作用下,屋檐角部區(qū)域?qū)崪y最大峰值負(fù)壓為-4240.0Pa,峰值負(fù)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(fù)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(yīng)。探討了不同來流湍流強度和湍流積分尺度及豎向風(fēng)攻角對角部區(qū)域風(fēng)壓的影響。
　　(5)基于雙坡屋面實驗房獲取的臺風(fēng)風(fēng)速和雙坡屋面表面風(fēng)壓同步實測數(shù)據(jù),對雙坡屋面風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行了研究。在斜向風(fēng)作用下,迎風(fēng)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(fù)壓和脈動風(fēng)壓,風(fēng)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(fēng)壓進(jìn)行了極值分析,最后將屋檐和屋脊角部區(qū)域的峰值負(fù)壓系數(shù)

6、的實測值及極值分析的結(jié)果與ASCE7-10規(guī)范規(guī)定值進(jìn)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(fù)壓。
　　(6)以平坡屋面和雙坡屋面實驗房現(xiàn)場實測結(jié)果為基準(zhǔn),開展了兩實驗房的模型測壓風(fēng)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(fù)壓及脈動風(fēng)壓的風(fēng)洞實驗值與現(xiàn)場實測值存在較大差異,風(fēng)洞實驗結(jié)果低估了屋面屋檐和屋脊區(qū)域的峰值負(fù)壓和脈動風(fēng)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(gòu)造對屋面風(fēng)荷載影響的相關(guān)風(fēng)洞實驗研究。
　　(7)基于現(xiàn)場實測研究結(jié)果,應(yīng)用準(zhǔn)定常理論分析了屋面角部區(qū)域的等效靜態(tài)風(fēng)壓系數(shù)、脈動風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓譜。準(zhǔn)定常法預(yù)測的等效靜態(tài)風(fēng)壓系數(shù)與平均風(fēng)壓系數(shù)存在較大差異。準(zhǔn)定常方法相對低估了平坡屋面角部區(qū)域脈動風(fēng)壓系數(shù)。屋脊和屋檐角部區(qū)域的脈動風(fēng)壓譜預(yù)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(fēng)壓預(yù)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(fēng)風(fēng)速資料,考慮各年臺風(fēng)發(fā)生頻