平面T形低矮房屋风荷载特性风洞试验与数值分析

【前言】平面T形低矮房屋风荷载特性风洞试验与数值分析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。0引言 台风灾后调查研究表明，对于低矮房屋来说，屋面破坏是其主要破坏形式之一[1]。对传统低矮房屋的风荷载特性各国学者已做了大量的研究。文献[2]～[5]的研究结果表明：屋面的局部峰值风压大小与屋面坡角密切相关，且一般出现在迎风屋檐或屋脊附近；在相应风攻角下...

摘要：对复杂体型的平面T形低矮双坡屋面房屋的风荷载特性进行了风洞试验研究，得到了屋面风压系数以及各屋面体型系数的变化规律；采用计算流体力学软件FLUENT建立了数值风洞模型，在数值分析结果与风洞试验结果吻合良好的基础上，对影响屋面平均风压系数及体型系数的风攻角、屋面坡角、檐口高度、房屋几何尺寸和屋面形式等参数进行了详细分析。结果表明：屋面坡角和风攻角对屋面风压系数的影响显著；在不同风攻角作用下，迎风屋面屋檐及屋脊附近形成较高负压；当屋面处于背风区域时，风压系数分布较均匀；屋面坡角为30°时屋脊背风区域易形成较大负压，局部更易遭受破坏。

关键词：低矮房屋；风洞试验；计算流体动力学；风压系数；体型系数

中图分类号：TU312文献标志码：A

Abstract： Wind tunnel test on wind load characteristic of complex plan Tshaped lowrise gable roof buildings was presented. The change laws of wind pressure coefficient of roof and shape coefficient of each face were obtained. The computational fluid dynamics software FLUENT was employed to establish the numerical wind tunnel model， and the numerical simulation results agreed well with that of wind tunnel test. Then the detailed parametric analysis was performed for wind pressure coefficient and shape coefficient of roof. The parameters included wind attack angle， roof pitch， eave height， building geometry dimension and roof shape. The results show that roof pitch and wind attack angle have significantly effects on wind pressure coefficient of roof. Under the effect of different wind attack angles， high negative pressure will be formed on eave and ridge of windward roof. The distribution of wind pressure coefficient of roof in the leeward area is uniform. When the roof pitch is 30°， high negative pressure will be more easily formed in the leeward area of hip roof， so that the local area is easier to be destroyed.

Key words： lowrise building； wind tunnel test； computational fluid dynamics； wind pressure coefficient； shape coefficient

0引言

台风灾后调查研究表明，对于低矮房屋来说，屋面破坏是其主要破坏形式之一[1]。对传统低矮房屋的风荷载特性各国学者已做了大量的研究。文献[2]～[5]的研究结果表明：屋面的局部峰值风压大小与屋面坡角密切相关，且一般出现在迎风屋檐或屋脊附近；在相应风攻角下，随着屋面坡角的增加，屋脊附近的最大风吸力逐渐增大。Xu等[6]对低矮四坡屋面房屋模型进行了风洞试验，并与文献[5]中双坡屋面试验结果进行了对比分析。王相军等[7]采用3种湍流模型对低矮房屋模型迎风面、边缘及屋面的表面风压分布和变化规律进行了数值模拟，并将结果与风洞试验和现场实测结果进行了对比分析。顾明等[8]通过风洞试验和数值模拟分析对常见低矮双坡屋面房屋进行了风压分布研究，发现房屋屋檐、屋脊和外墙的转角等区域出现较大风吸力，迎风挑檐有较大升力。陶玲等[9]对L形平面低矮房屋的风洞试验研究表明，翼长增加和坡角减小均会加剧屋面的平均负压和最不利负压。周绪红等[1011]对低矮双坡和四坡屋面房屋风荷载特性进行了风洞试验和数值模拟研究。上述研究大多局限于简单“一”形平面房屋，实际中各种复杂体型如T形平面房屋因其美观的外形更受到人们的青睐。

由于T形平面房屋在不同屋面坡角、不同翼长及不同坡面形式等情况下的屋面风荷载特性不同，本文对平面T形低矮双坡屋面房屋进行风洞试验和数值模拟分析，研究各参数对屋面风压系数的分布及体型系数的影响。

1试验概况

1.1试验模型和风场模拟

测压风洞试验模型为平面T形低矮房屋，几何缩尺比为1∶50，见图1。模型为刚体模型，由有机玻璃制作，在风洞中的阻塞比小于3%。

随着屋面坡角的增加而减小。屋面坡角为60°时，迎风屋面T3，T4的体型系数为正值，其余屋面坡角时均为负值，T3，T4面体型系数分别由15°时的-0.77，-0.83逐渐增加到60°时的0.22，0.21。屋面坡角为15°，25°，30°，35°时，背风屋面T5均承受负压力，体型系数在-0.68～-0.65之间，但当屋面坡角大于35°时，由于屋脊处钝体尖角突显，钝体绕流气流分离而导致背部形成较大的漩涡，此时T5面所受吸力较大，60°屋面坡角时体型系数为-0.94。

45°风攻角下迎风屋面T2，T4受屋面坡角的影响最大。随着屋面坡角的增加，背风屋面T1上的风压系数分布逐渐均匀，较大负压出现在屋脊背部，体型系数受屋面坡角的影响较小，且均为负值。T3面位于T1，T2面的背部尾流区域，其风压系数呈环状分布，体型系数均为负值，且随着屋面坡角的增加，其绝对值逐渐增大。背风屋面T5均承受负压力，且分布非常均匀。

90°风攻角下背风屋面T1的体型系数受屋面坡角的影响较小，其值在-0.61～-0.53之间。随着屋面坡角的增加，迎风屋面T2的体型系数由负值逐渐变为正值；侧风屋面T4的体型系数绝对值逐渐减小。T3面位于T1面的尾流区域，其体型系数由-0.34变为-0.62，即体型系数绝对值随屋面坡角的增加而增大。侧风屋面T5的体型系数随屋面坡角的增加而增大。

135°风攻角下斜向迎风屋面T5和尾流区域的T2面受屋面坡角的影响最大，其中T5面体型系数由负值逐渐变为正值，即由-0.84变为0.22，T2面均为负压，体型系数的绝对值随屋面坡角的增加而增大，即由-0.25变为-0.81。背风区域的T1，T3，T4面体型系数受屋面坡角的影响较小。

3.3房屋几何尺寸的影响

0°风攻角下M3模型侧风屋面T1，T2的体型系数大于M7模型，M3模型T1，T2面上的最大负风压系数为-1.16，而在M7模型中仅为-0.59，这是因为M7模型中迎风一侧T1，T2面气流分离处的负压被T6面有效地减小了。M7模型屋面上的最大风压系数-1.16出现在T4面与T8面，T3面与T7面相交的阳屋脊背后区域，使得T7，T8面的体型系数高达-0.81。因此M7模型T3，T4面的体型系数略小于M3模型。背风屋面T5的体型系数在M3，M7模型中相差不大。

45°风攻角下四坡屋面各屋面的风压系数分布情况与双坡屋面相比变化较大。M7模型中最大负压风压系数远大于所在屋面平均风压系数，达-2.0，这些位置在设计时需要引起特别注意，因为其可能受到很大的风吸力而破坏。

90°风攻角下M3模型和M7模型相比，T1，T2，T3，T5面体型系数基本相等，但M3模型的T4面体型系数大于M7模型，这是因为M7模型中T4面上的最大风压系数因T8面的存在而被减小。背风屋面T1，T3，T7上的风压系数分布非常均匀。

135°风攻角下M3模型和M7模型T1，T2，T3，T4，T5屋面体型系数基本相等，两模型T1，T3面风压系数分布非常均匀，且T1，T3，T5面的风压系数分布规律相似。对于M7模型，有3个区域存在较大的风压系数，分别为T2面和T6面，T4面和T8面以及T7面和T5面相交阳屋脊的背后区域，其风压系数分别为-1.45，-1.88，-1.02。对于M3模型，较大的风压系数仅存在T4面的迎风一侧屋脊背后，其值为-2.11。180°风攻角下，M3模型和M7模型的体型系数基本相等，两模型背风屋面T1，T2，T3，T4的风压系数分布也非常均匀。M3模型迎风屋面T5的体型系数小于M7模型，但两模型的T5面上风压系数分布规律相似。M7模型的侧风屋面T7，T8在其与T5面相交阳屋脊背后区域存在有较大的风压系数-1.26，其远大于M3模型整个屋面的最大风压系数-0.85，T7，T8面风压系数向远离来流方向逐渐减小。

综上分析，屋面坡角为30°的四坡屋面房屋与双坡屋面房屋相比，所受风吸力更为不利，多处局部区域更易遭受风灾破坏。4结语

（1）平面T形低矮房屋相比传统“一”形低矮房屋的风荷载特性复杂，各屋面间的相互干扰较大。采用RNG kε湍流模型得到平均风压系数和体型系数与风洞试验结果具有相同的变化规律，数值吻合较好。

（2）风攻角和屋面坡角为影响屋面风压系数的最主要因素。屋面体型系数及风压分布随风攻角的变化较大。在不同风攻角作用下，迎风屋面屋檐及阳屋脊附近因为气流分离而形成较高负压；当屋面处于背风区域时，风压系数分布较均匀。

（3）随着屋面坡角的增加，迎风屋面体型系数由较大的负值逐渐变为正值。背风屋面均承受负压力，其体型系数受屋面坡角影响较小，且风压系数分布较均匀。随着檐口高度的增加，各屋面体型系数绝对值均呈现逐渐增大的趋势。

（4）四坡屋面相比双坡屋面屋脊相对较多，屋面坡角为30°时屋脊背风区域易形成较大负压，局部更易遭受破坏。

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