近海山地區(qū)域的風(fēng)場與低矮房屋風(fēng)荷載研究結(jié)題摘要

本項(xiàng)目綜合利用了現(xiàn)場原型實(shí)測，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬，理論分析等多種研究手段，對(duì)典型的近海山地上典型低矮民宅和2層足尺實(shí)驗(yàn)房的抗風(fēng)問題進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，系統(tǒng)地獲取了沿海典型山區(qū)地貌上近地面臺(tái)風(fēng)風(fēng)場、風(fēng)剖面的平均風(fēng)速及風(fēng)向、湍流度、陣風(fēng)因子、湍流積分尺度、脈動(dòng)風(fēng)速譜和湍流相關(guān)性等風(fēng)場特性，多種典型低矮房屋表面的平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓及峰值風(fēng)壓等的變化規(guī)律，以及復(fù)雜山區(qū)地貌對(duì)近地風(fēng)場及低矮房屋風(fēng)荷載特性的影響規(guī)律，并將現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出相關(guān)規(guī)律和特征，并提出改進(jìn)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，為低矮建筑物的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。 2100433B

采用現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)和LBM模擬，研究近海山地區(qū)域的風(fēng)場與低矮房屋風(fēng)荷載。本項(xiàng)目擬在我國近海的3種典型山區(qū)地貌上，以既有典型2-7層低矮民宅和擬研制的1套可移動(dòng)式2層足尺實(shí)驗(yàn)房為試驗(yàn)對(duì)象，建立近海山地風(fēng)場和低矮房屋風(fēng)荷載的現(xiàn)場實(shí)測基地、并進(jìn)行實(shí)測，獲取臺(tái)風(fēng)作用下近海山地的風(fēng)場和低矮房屋風(fēng)荷載特性。接著通過開展低矮房屋風(fēng)荷載的風(fēng)洞試驗(yàn)和LBM模擬研究，結(jié)合分形等數(shù)據(jù)分析方法，將現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)和LBM模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)總結(jié)出的相關(guān)規(guī)律和特征改進(jìn)風(fēng)洞試驗(yàn)和LBM模擬方法，以提高風(fēng)洞試驗(yàn)和LBM模擬的準(zhǔn)確性，并以此解決低矮建筑物風(fēng)荷載研究的一些重要基礎(chǔ)性問題，澄清一些目前尚不清楚的認(rèn)識(shí)，為此類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和以后規(guī)范中相關(guān)條文的修改、增加積累數(shù)據(jù)和提供參考。本項(xiàng)目成果對(duì)于提高我國近海山地區(qū)域低矮房屋的抗風(fēng)能力、減輕風(fēng)災(zāi)損失、提高城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃和低矮房屋建設(shè)的技術(shù)水平具有重大價(jià)值。

低矮房屋在風(fēng)災(zāi)中破壞所造成的損失超過風(fēng)災(zāi)總損失的半數(shù)，改善建筑物外形是解決低矮房屋抗風(fēng)問題的最有效途徑。通過對(duì)不同屋面坡腳的足尺低矮房屋風(fēng)荷載和近地風(fēng)特性的現(xiàn)場實(shí)測及風(fēng)洞試驗(yàn)，深入研究各種坡腳低矮房屋的風(fēng)荷載分布特征，并獲得沿海地區(qū)近地風(fēng)場的平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)特性；結(jié)合相同外形低矮房屋的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析影響低層建筑風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果精度的因素，改進(jìn)風(fēng)場模擬技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)方法；深入分析各種屋檐構(gòu)造特征（女兒墻、挑檐和檐口形狀等）對(duì)低矮房屋風(fēng)荷載的影響，提出有效的抗風(fēng)措施；研究屋面關(guān)鍵部位（角部、邊緣和屋脊）的脈動(dòng)壓力概率分布特性，提出峰值壓力的合理估算方法；在上述研究的基礎(chǔ)上，深入認(rèn)識(shí)低矮房屋的風(fēng)荷載作用機(jī)理和破壞機(jī)理，提出適合我國的低矮房屋抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，提高我國沿海強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū)低矮房屋的抗風(fēng)能力，顯著減輕風(fēng)災(zāi)損失。

我國沿海地區(qū)每年由于臺(tái)風(fēng)襲擊造成大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，其中低矮房屋在風(fēng)災(zāi)中破壞所造成的損失超過風(fēng)災(zāi)總損失的半數(shù)，改善建筑物外形是解決低矮房屋抗風(fēng)問題的最有效途徑?，F(xiàn)場實(shí)測是研究結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)最直接和最可靠的研究手段，也日益成為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中非常重要的基礎(chǔ)性和長期性的方向。為掌握我國東南沿海地區(qū)低矮房屋風(fēng)荷載的作用機(jī)理，同時(shí)為建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，本課題組在上海浦東近海岸邊建造了一座坡角可調(diào)的足尺低矮房屋及一座40米高測風(fēng)塔，用于對(duì)該地區(qū)強(qiáng)風(fēng)作用下近地風(fēng)場特性以及結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)壓特性進(jìn)行研究，主要工作包括：(1)近地臺(tái)風(fēng)特性實(shí)測。基于季風(fēng)以及2011年兩次不同強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)“梅花”和“米雷”影響下的近地風(fēng)實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)上海沿海地區(qū)的近地臺(tái)風(fēng)特性進(jìn)行了研究，研究了平均風(fēng)速和風(fēng)向、湍流度、陣風(fēng)因子、峰值因子、湍流積分尺度和脈動(dòng)風(fēng)速功率譜等隨高度的變化規(guī)律。（2）低矮房屋屋面風(fēng)壓實(shí)測研究。本實(shí)測項(xiàng)目是國內(nèi)首個(gè)固定式低矮建筑現(xiàn)場實(shí)測研究項(xiàng)目，其最大特點(diǎn)是屋蓋坡角可以在0～35°之間自由調(diào)節(jié)，可方便研究不同坡角對(duì)屋面風(fēng)壓的影響?；谠搶?shí)測基地，對(duì)低矮建筑屋蓋表面風(fēng)壓特性進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)測研究，得到了一系列實(shí)測結(jié)果，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。（3）實(shí)測屋面風(fēng)壓的概率特性研究。通常的風(fēng)壓極值估計(jì)方法均僅針對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)?；谖菝骘L(fēng)壓現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，首先分析了良態(tài)氣候條件下低矮房屋屋面表面風(fēng)壓概率特性，然后探討了各種極值計(jì)算方法對(duì)實(shí)測風(fēng)壓極值估計(jì)的可靠性，并對(duì)屋蓋表面脈動(dòng)風(fēng)壓的非高斯特性以及偏度和峰度等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。（4）雙坡屋面低矮建筑氣動(dòng)抗風(fēng)措施現(xiàn)場實(shí)測研究?；趯?shí)測基地對(duì)低矮建筑模型的現(xiàn)場實(shí)測，研究了在屋面上架設(shè)0.3m高整長單側(cè)板和0.3m高0.5m邊長轉(zhuǎn)角板，以及屋面邊緣分離板三種不同形式的構(gòu)造后，屋面平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的變化。研究發(fā)現(xiàn)這三種措施均能在一定程度上降低迎風(fēng)屋面的風(fēng)壓。（5）低矮建筑屋面風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)研究及規(guī)范化應(yīng)用。通過對(duì)11個(gè)坡度、3個(gè)高深比和3個(gè)寬深比的總共99個(gè)低矮建筑進(jìn)行剛性模型風(fēng)洞測壓試驗(yàn)，給出計(jì)算屋面主體結(jié)構(gòu)分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)分區(qū)最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)，最后參照國外規(guī)范給出了中國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算屋面主體結(jié)構(gòu)分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)分區(qū)最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)的建議值。 2100433B

低矮房屋在風(fēng)災(zāi)中破壞所造成的損失超過總損失的半數(shù)，而其破壞往往是從表面圍護(hù)體系的破壞開始的，改善建筑物外形是解決低矮房屋抗風(fēng)問題的最有效途徑。選擇我國東南沿海強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū)具有我國地域和民族特征的的典型民居建筑，通過一系列的風(fēng)洞模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究其表面的風(fēng)荷載分布特征，為荷載規(guī)范中相關(guān)條文的修訂提供參考；采用CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用的部分典型建筑風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算并與之對(duì)比；在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法方便變化參數(shù)的優(yōu)勢，深入分析各種屋檐構(gòu)造特征（女兒墻、挑檐和檐口形狀）對(duì)低矮房屋屋面風(fēng)荷載的影響，提出有效的抗風(fēng)措施；研究屋面關(guān)鍵部位（角部、邊緣和屋脊）的脈動(dòng)壓力的非平穩(wěn)性以及分布特性，提出峰值壓力的合理估算方法。在上述研究的基礎(chǔ)上，深入認(rèn)識(shí)低矮房屋的風(fēng)荷載作用機(jī)理和破壞機(jī)理，提出適合我國的低矮房屋抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，提高我國東南沿海強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū)低矮房屋的抗風(fēng)能力，顯著減輕風(fēng)災(zāi)損失。 2100433B