颱風作用下大跨開合屋蓋風效應研究

《颱風作用下大跨開合屋蓋風效應研究》是依託長沙理工大學，由陳伏彬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：颱風作用下大跨開合屋蓋風效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳伏彬
• 依託單位：長沙理工大學

項目摘要

內外壓共同作用是造成開孔結構風致破壞的主要原因。本項目綜合套用風洞試驗與理論分析相結合的方法，深入、系統地研究颱風作用下大跨開合屋蓋風致內外壓及風致回響。在邊界層風洞中採用主動與被動相結合的模擬方式精確模擬颱風風場，開展不同開孔狀態下大跨開合屋蓋內外壓的測壓試驗。建立突然開孔結構風致內壓傳遞方程,研究內壓的空間分布規律、平均內壓與脈動內壓的產生機理、內外壓相關性等問題。基於峰值因子法與機率統計技術，提出颱風作用下考慮風致內壓的大跨開合屋蓋極值風壓與淨風壓計算方法。對試驗數據高頻成分進行補償，結合結構三維有限元模型，建立大跨開合屋蓋結構風致回響精細化模型。通過採用時域法與頻域法進行風致回響對比研究，探索適合大跨開合屋蓋結構風致回響計算的簡化方法。研究成果將解決大跨開合屋蓋結構抗風設計所涉及的一些關鍵科學問題。同時可為其它類型大跨結構的抗風設計提供有意義參考，並為荷載規範的修訂提供科學依據。

結題摘要

本項目開展了多個大跨開合屋蓋結構的測壓試驗，深入研究了內外共同作用下的開合屋蓋結構風荷載及風致回響特性。 對一座可實現連續開啟的大跨結構開合屋蓋進行了4種開啟狀態下的風洞測壓試驗，詳細研究了屋蓋的風壓特性。結果表明：屋蓋完全開啟會增大整體活動屋蓋向上的平均風荷載，使其表面負風壓區發生偏移，有效地降低固定屋蓋的平均風壓；整體屋蓋測點風壓非高斯特性隨著屋蓋完全開啟趨於集中；3-Parameters Gamma和Gaussian分布能很好地描述開合屋蓋表面風壓機率特性；Sadek-Simiu法計算的峰值因子能更為安全地估計具有非高斯特性測點的極值風壓；屋蓋開啟會增大活動屋蓋凸起部位極值負風壓，使固定屋蓋極小值風壓得到減弱。 基於改進的試驗裝置模擬了屋蓋角部突然開孔過程，研究了兩種風場下瞬時風壓變化及穩態階段的風壓特性。發現突然開孔時孔口處外壓略有降低，瞬時內壓出現脈衝負壓和反向正壓，導致屋蓋整體風荷載發生瞬間突變；內壓具有很強的相關性，孔口區域外壓與內壓相關性最高；內壓相干函式曲線峰值與湍流強度密切相關；來流湍流強度較大時，屋蓋內壓功率譜衰減很快，斜風向下孔口的存在致使孔口區域外壓譜能量稍微降低，風壓譜能量與湍流強度正相關；在開孔率約4.8%時，屋蓋角部開孔導致Helmholtz共振發生，獲得的開孔慣性係數比牆面開孔情形大。 開展了方形大跨開合屋蓋剛性模型測壓試驗，分析了不同開合對風荷載及風致回響的影響，結果表明：在均勻流場下，屋蓋的開啟將導致屋蓋中心上表面風吸力呈現小幅度降低；在均勻流場和C類流場下，活動屋蓋開啟時中心開啟位置附近的屋蓋上脈動風壓係數呈現增加趨勢；在湍流場中，再附點風壓機率密度曲線呈現出雙峰分布；當屋蓋開啟時，屋蓋中心附近測點的非高斯特性明顯提高；荷載高頻成分對大跨結構風致影響較大。 研究成果將解決大跨開合屋蓋結構抗風設計所涉及的一些關鍵科學問題。同時可為其它類型大跨結構的抗風設計提供有意義參考，並為荷載規範的修訂提供科學依據。