雙層幕墻脈動(dòng)風(fēng)荷載的理論及試驗(yàn)?zāi)M方法研究

雙層幕墻結(jié)構(gòu)因具有通風(fēng)、節(jié)能和降噪的優(yōu)勢(shì)而在工程中廣泛應(yīng)用。然而與之相應(yīng)的抗風(fēng)理論發(fā)展卻嚴(yán)重滯后，這也使得設(shè)計(jì)師們對(duì)其風(fēng)荷載取值常常感到無(wú)所是從。針對(duì)這一問題本項(xiàng)目綜合采用理論、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)雙層幕墻內(nèi)外表面的脈動(dòng)風(fēng)荷載特性與其眾多影響因素，內(nèi)部脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)機(jī)理，模型縮尺效應(yīng)的成因和相應(yīng)的試驗(yàn)修正方法，以及幕墻風(fēng)荷載的極值與峰值因子等設(shè)計(jì)參數(shù)取值方面展開研究，并探索了數(shù)值模擬技術(shù)在雙層幕墻脈動(dòng)風(fēng)荷載預(yù)測(cè)上的有效性。取得的主要研究成果包括：1）理論方面，掌握了廊道寬度，通風(fēng)口面積比，廊道形式等因素對(duì)幕墻所受脈動(dòng)風(fēng)壓的影響并基于此提出了其抗風(fēng)體型優(yōu)化策略，了解了雙層幕墻風(fēng)荷載的取值分布規(guī)律，建立了其內(nèi)部風(fēng)荷載響應(yīng)與外壓的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，形成了一套適用于典型雙層幕墻結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的體型系數(shù)，極值風(fēng)荷載和峰值因子的數(shù)據(jù)庫(kù)，這些成果將從理論和數(shù)據(jù)上保障并且提升雙層幕墻的抗風(fēng)性能。2）試驗(yàn)技術(shù)上，理清了模型縮尺效應(yīng)產(chǎn)生的原因是由于近壁面沿程損失的模擬失真，提出了基于廊道間距調(diào)整的風(fēng)洞試驗(yàn)縮尺效應(yīng)的修正思路并研發(fā)了相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)M裝置，這一成果將直接為各類雙層幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值提供試驗(yàn)技術(shù)支撐，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。3）數(shù)值模擬上：采用優(yōu)化的網(wǎng)格劃分策略能夠有效提升數(shù)值模擬的效率和精度，數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于幕墻迎風(fēng)狀態(tài)下各表面的正風(fēng)壓模擬較為合理，但對(duì)于氣流分離和渦脫所產(chǎn)生的負(fù)風(fēng)壓的預(yù)測(cè)存在一定誤差。本項(xiàng)目研究通過大量風(fēng)洞試驗(yàn)取得了均勻湍流風(fēng)場(chǎng)和大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)下，不同通風(fēng)口面積比和廊道寬度的雙層幕墻各表面的同步風(fēng)壓時(shí)程。這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)將可以直接為類似幕墻工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供風(fēng)荷載取值，也將為行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過本項(xiàng)目研究初步形成了一套理論、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)應(yīng)用相結(jié)合的雙層幕墻抗風(fēng)理論框架體系，有助于提升該領(lǐng)域的抗風(fēng)理論和實(shí)踐水平。 2100433B

為了滿足建筑通風(fēng)、節(jié)能和降噪的需要，通風(fēng)雙層幕墻開始在工程中廣泛應(yīng)用。然而與之相應(yīng)的抗風(fēng)理論發(fā)展卻嚴(yán)重滯后，這也使得設(shè)計(jì)師們對(duì)其風(fēng)荷載取值常常感到無(wú)所是從。以往的研究大多集中在雙層幕墻平均風(fēng)特性的探討卻很少涉及脈動(dòng)風(fēng)效應(yīng)，對(duì)模型縮尺效應(yīng)也一直未能給出明確的試驗(yàn)修正方法。針對(duì)以上問題本項(xiàng)目綜合采用理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)雙層幕墻內(nèi)外表面的脈動(dòng)風(fēng)荷載特性與其眾多影響因素，內(nèi)部脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)機(jī)理，模型縮尺效應(yīng)的成因和相應(yīng)的試驗(yàn)修正方法，以及幕墻風(fēng)荷載的非高斯特性與峰值因子取值等方面展開系統(tǒng)的研究。在此基礎(chǔ)上總結(jié)出雙層幕墻的抗風(fēng)優(yōu)化體型，建立其脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)的理論評(píng)估模型，提出適用于雙層幕墻的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M策略并探索基于大渦模型的CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)雙層幕墻脈動(dòng)風(fēng)荷載進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終形成一套由理論→試驗(yàn)→工程應(yīng)用的雙層幕墻抗風(fēng)理論體系框架。本項(xiàng)目研究成果對(duì)指導(dǎo)該類幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)際意義。

雙層幕墻作為高檔辦公樓宇的圍護(hù)體系已被廣泛關(guān)注。由于雙層幕墻通風(fēng)設(shè)計(jì)及孔口設(shè)置的復(fù)雜性，雙幕墻的風(fēng)荷載特性遠(yuǎn)比單層幕墻復(fù)雜，并且兩者差異極大。由于雙幕墻廊道間隙縮尺產(chǎn)生的誤差不容忽視，使得風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)在雙層幕墻的風(fēng)壓確定中有較大的局限性，因此雙層幕墻風(fēng)載取值及其風(fēng)洞試驗(yàn)的縮尺效應(yīng)成為風(fēng)工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。本課題通過系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬和理論分析研究，探討風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)幕 2100433B

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(chǎng)實(shí)測(cè)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(chǎng)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(chǎng)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(guó)的低矮房屋抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，提高我國(guó)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。