典型体型建筑双幕墙风荷载特性研究

论文摘要

通风双幕墙具有良好的通风性能和采光性能,极大地改善了建筑的舒适度并且节约能源。近年来,随着人们对建筑舒适度和绿色环保的重视,双幕墙的应用日渐增多。由于双幕墙之间存在通风廊道,因此双幕墙建筑有三个受风表面,即外幕墙的内、外表面以及内幕墙的外表面,这使得双幕墙的风荷载取值变得复杂,而各国规范中关于双幕墙风荷载取值方面的内容几乎没有涉及,研究双幕墙的风压分布特征有极其重要的学术研究意义和工程应用价值。本文分别运用风洞试验方法、数值模拟方法以及理论分析方法,对典型体型建筑双幕墙风荷载特性、双幕墙脉动风压的概率分布及各因素对双幕墙廊道内压的影响规律等关键问题进行了系统的研究。试验研究方面,针对矩形和圆柱形这两种典型体型的建筑,设计了一字型、L型和圆弧型三种形式的双幕墙模型,分别进行了不同廊道宽度和不同外幕墙开孔面积的刚性模型风洞试验。分析了这三种形式双幕墙的内外幕墙平均风压和脉动风压的分布特性,研究了幕墙廊道宽度和外幕墙开孔率对双幕墙平均风荷载的影响,并对双幕墙内外压的相关性及内外幕墙风荷载峰值因子的取值问题进行了探讨,全面系统地研究了双幕墙的风荷载特征。从理论上研究了双幕墙廊道内压的分布机理,提出了双幕墙廊道内压的稳态估算公式,估算结果与试验结果吻合较好,并对影响双幕墙廊道内平均风压的空间分布特性的各参数(廊道宽度、外幕墙开孔率和来流风速)进行了探讨。最后,运用计算流体动力学(CFD)方法,对双幕墙风荷载进行了数值模拟,将数值模拟结果与风洞试验结果进行对比,在核实了数值模拟精度的基础上,研究了外幕墙通风孔的气流对其外部流场的干扰效应和双幕墙廊道内壁粗糙度对其风压分布的影响。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 通风双幕墙系统的结构概念
• 1.1.1 双幕墙结构的分类
• 1.1.2 双幕墙的基本原理和优缺点
• 1.2 本课题相关的基本概念
• 1.2.1 大气边界层风场特性
• 1.2.2 规范中风荷载的表达
• 1.2.3 脉动风的特性
• 1.2.4 空气动力学基本方程
• 1.3 风工程的主要研究方法
• 1.3.1 现场实测
• 1.3.2 风洞试验技术
• 1.3.3 基于CFD的数值风洞技术
• 1.4 双幕墙风荷载特性研究的重要意义
• 1.5 双幕墙风荷载特性的研究现状
• 1.6 本文主要工作
• 2 矩形建筑一字型和L型双幕墙风压特性的试验研究
• 2.1 双幕墙模型设计与制作
• 2.1.1 模型设计
• 2.1.2 测点布置
• 2.2 试验设备及试验方法
• 2.2.1 风洞
• 2.2.2 试验设备
• 2.2.3 风压测试方法
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 一字型双幕墙通风廊道内平均风压的空间分布特性
• 2.3.2 影响内压大小的参数（廊道宽度）探讨
• 2.3.3 典型风向角下一字型双幕墙的平均风压分布规律
• 2.3.4 一字型双幕墙脉动风压的空间分布特性
• 2.3.5 一字型双幕墙脉动风压与廊道宽度的关系
• 2.3.6 L型双幕墙通风廊道内平均风压的空间分布特性
• 2.3.7 典型风向角下L型双幕墙的风压分布规律
• 2.3.8 L型双幕墙脉动风压的空间分布特性
• 2.4 本章小结
• 3 圆柱形建筑双幕墙风荷载特性的试验研究
• 3.1 模型设计和测点布置
• 3.1.1 模型设计
• 3.1.2 测点布置及风向角定义
• 3.2 试验结果分析
• 3.2.1 圆弧双幕墙通风廊道内平均风压的空间分布特性
• 3.2.2 影响双幕墙内外风压平均值大小的参数探讨
• 3.2.3 圆弧型双幕墙的内外幕墙风压分布规律
• 3.2.4 整圆型双幕墙的内外幕墙风压分布规律
• 3.2.5 圆弧双幕墙廊道内脉动风压的空间分布特性
• 3.2.6 影响廊道内压脉动值大小的参数探讨
• 3.3 本章小结
• 4 双幕墙内外风压的相关性和脉动风压的概率分布特性
• 4.1 外层幕墙内外表面风压空间相关性研究
• 4.1.1 一字型双幕墙外层幕墙内外表面风压空间相关性研究
• 4.1.2 L型双幕墙外层幕墙内外表面风压的相关性研究
• 4.1.3 圆弧双幕墙外层幕墙内外表面风压的相关性研究
• 4.2 通风廊道两侧的风压分布特点
• 4.2.1 矩形建筑一字型双幕墙
• 4.2.2 矩形建筑L型双幕墙
• 4.2.3 圆柱形建筑双幕墙
• 4.3 风压峰值因子取值规律分析
• 4.3.1 脉动风压的非高斯特性研究
• 4.3.2 矩形建筑双幕墙的风压概率分布
• 4.3.3 双幕墙内外幕墙的高斯区与非高斯区的划分
• 4.3.4 圆柱形建筑双幕墙的风压概率分布情况
• 4.4 本章小结
• 5 双幕墙廊道内压的空间分布规律及其稳态估算理论的研究
• 5.1 国内外风荷载规范对开孔结构风致内压取值的相关规定
• 5.2 影响内压空间分布特性的参数探讨
• 5.2.1 矩形建筑一字型双幕墙
• 5.2.2 矩形建筑L型双幕墙
• 5.2.3 圆弧双幕墙
• 5.3 双幕墙廊道内稳态风压的估算理论
• 5.3.1 一字型双幕墙
• 5.3.2 圆弧双幕墙
• 5.3.3 L型双幕墙
• 5.4 各因素对双幕墙廊道内压空间分布的影响规律
• 5.4.1 廊道宽度
• 5.4.2 来流风速
• 5.4.3 开孔率
• 5.5 简化估算理论
• 5.6 本章小结
• 6 双幕墙风荷载的CFD数值研究
• 6.1 CFD基本原理和在结构风工程中的运用
• 6.1.1 湍流的本质和湍流运动控制方程的建立
• 6.1.2 湍流数值模拟方法
• 6.1.3 用湍流模型封闭的雷诺时均控制方程的数值求解
• 6.1.4 近壁区的处理
• 6.2 双幕墙的CFD模拟
• 6.2.1 数值风洞建模
• 6.2.2 CFD模拟结果和风洞试验结果对比
• 6.3 双幕墙的外部流场特性分析
• 6.3.1 CFD模型介绍
• 6.3.2 单幕墙和双幕墙外压对比
• 6.3.3 单幕墙和双幕墙的外部流场对比
• 6.3.4 不对称布置双幕墙的整体风载系数
• 6.4 影响双幕墙廊道内压空间分布特性的参数探讨
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 主要工作及结论
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 进一步工作的展望
• 参考文献
• 附录:作者简介及攻读博士学位期间发表和录用的论文