开孔结构风致内压试验及数值模拟研究

论文摘要

风致结构内压是指建筑结构在强风作用下,门窗、幕墙等易损结构被吹开、损坏,使结构在部分开敞或突然开孔的情况下,结构内压发生变化。因此,在考虑风对结构影响时,不仅要考虑外压作用,同时还要考虑内、外压联合作用。在国内外风灾中,低层房屋及大跨度柔性屋盖的风致破坏在很大程度上都是由内、外压联合作用引起的。然而目前人们对内压产生机理尚处于研究阶段,在进行结构设计时,国内外现行建筑荷载规范所给出的结构风致内压系数仅是建筑物名义封闭或开敞时的建议值,对这类建筑的内压取值问题及屋盖风振问题亟需科学的解答,这正是现代结构风工程领域的研究热点。本文采用刚性模型风洞试验研究开孔结构风致内压特性。在风洞中模拟不同湍流风场,并制作不同屋面坡度的低层建筑刚性测压模型,以考察来流风速、开孔面积、湍流度、开孔位置、屋面坡度对风致内压的影响规律。在理论方面,根据风洞实验数据,分析开孔结构风致内压特性;利用伯努利方程,由稳态状况时的流量平衡推导风致平均内压的理论估算公式;根据风洞实验的平均内压特性对试验结果进行数据拟合,以来流湍流度为基本变量,按开孔位置及屋面坡度分类,建立风致平均内压特性数学模型。最后,采用CFD数值模拟方法对双坡屋面情况下不同开孔位置及开孔数量的各种工况进行计算,并与风洞试验和理论估算公式进行比较,分析上述诸因素对风致内压的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风工程研究方法
• 1.3 风致结构内压
• 1.4 开孔结构风致内压的研究现状
• 1.5 本文的研究背景及主要工作
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 开孔结构刚性模型风洞试验
• 2.1 引言
• 2.2 开孔结构的模型设计与制作
• 2.2.1 模型设计与测点布置
• 2.2.2 刚性模型制作
• 2.2.3 试验工况
• 2.3 风洞设备和风场模拟
• 2.3.1 风洞
• 2.3.2 测量系统
• 2.3.3 风场模拟
• 2.3.4 风压测试方法
• 2.4 试验结果分析
• 2.4.1 突然开孔对外压的影响
• 2.4.2 来流风速的影响
• 2.4.3 来流湍流度的影响
• 2.4.4 迎风面开孔面积的影响
• 2.4.5 开孔位置的影响
• 2.4.6 屋面坡度的影响
• 2.5 本章小结
• 3 开孔结构风致内压特性研究
• 3.1 突然开孔时内压瞬态响应分析
• 3.2 开孔结构风致内压的空间分布特性分析
• 3.3 风致平均内压的理论估算
• 3.4 风致平均内压特性数学模型
• 3.4.1 平屋面风致内压系数
• 3.4.2 双坡屋面风致内压系数
• 3.5 内外压的相关性分析
• 3.6 本章小结
• 4 开孔结构风致平均内压的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 数值计算模型
• 4.2.1 湍流控制方程
• 4.2.2 雷诺（Reynolds）平均法数值模拟
• 4.2.3 Realizable k-ε模型
• 4.2.4 控制方程的离散化和求解
• 4.3 Fluent 简介
• 4.3.1 软件的结构
• 4.3.2 求解步骤
• 4.3.3 边界条件
• 4.4 开孔结构风致平均内压的数值模拟计算
• 4.4.1 求解域及网格划分
• 4.4.2 边界条件的设置及壁面处理
• 4.4.3 求解器的设置
• 4.5 计算结果与风洞试验及内压估算结果的对比
• 4.5.1 单面开孔
• 4.5.2 两面开孔
• 4.5.3 三面及以上开孔
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录