【摘要】：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，各種造型獨特、結(jié)構(gòu)新穎的空間結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)美的造型和良好的性能，被廣泛應用于各種大型公共建筑中，由于這些建筑物大多具有質(zhì)量輕、柔性大、阻力小等特點，對風荷載敏感，風荷載往往成為其結(jié)構(gòu)設計的主要控制荷載。此外，由于建筑物部分門窗的開敞或突然開孔導致的內(nèi)壓增大對屋蓋結(jié)構(gòu)的安全會產(chǎn)生較大的影響。大量風災調(diào)查表明，屋蓋結(jié)構(gòu)的風致破壞在很大程度上都是由于內(nèi)外壓的聯(lián)合作用所引起的。然而目前人們對內(nèi)壓變化的產(chǎn)生機理及評估尚處于研究階段，在進行結(jié)構(gòu)的抗風設計時，國內(nèi)外現(xiàn)行荷載規(guī)范僅是提出名義封閉或者開敞時的內(nèi)壓系數(shù)建議值，因此開展屋蓋結(jié)構(gòu)風致內(nèi)壓的研究具有極其重要的學術(shù)意義和工程應用價值，也是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)風工程領(lǐng)域研究的熱點之一。 本文通過對復雜體型的魚形屋蓋在臺風風場與A類常規(guī)風場下進行了風洞對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)迎風屋檐的脈動風壓明顯大于屋面其它區(qū)域。不同湍流度下屋蓋結(jié)構(gòu)的風荷載存在較大的差異，屋蓋在高湍流度下（臺風風場）的風荷載比常規(guī)A類風場明顯要大。建議在臺風多發(fā)地區(qū)的建筑，特別是體型復雜的重要建筑，對結(jié)構(gòu)風荷載的評估除了按照規(guī)范常規(guī)要求進行設計外，通過臺風風場的風洞試驗加以驗證很有必要。 基于吉林火車站的風洞試驗，研究了屋蓋的風荷載分布特性，發(fā)現(xiàn)較大的吸力均分布在迎風屋檐、屋蓋角區(qū)和主站樓凸起的天窗附近。由于氣流在高度較低處的湍流特性較大，，更容易受周邊地貌的影響，因而站臺雨棚的升力系數(shù)受周邊建筑的干擾效應較為明顯。在屋蓋的氣流分離區(qū)域，因存在較大的負風壓，風壓的概率分布向負壓段延伸，建議對于屋蓋不同的紊流強度區(qū)域應取不同的峰值因子，在高紊流區(qū)域峰值因子可取3.0~4.0，在低紊流區(qū)域峰值因子可取2.5~3.0。 對比昆明南站風洞試驗結(jié)果與荷載規(guī)范規(guī)定值，發(fā)現(xiàn)當立面入口封閉時主站房屋面大部分區(qū)域的體型系數(shù)與荷載規(guī)范規(guī)定值大小相當，但在懸挑屋檐及屋面棱角處，體型系數(shù)明顯大于規(guī)范規(guī)定值；當考慮有立面入口門洞時，屋面風載體型系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的名義封閉下的體型系數(shù)。在主站房與站臺雨棚邊緣區(qū)域，脈動風壓概率密度分布函數(shù)體現(xiàn)出較為明顯的非高斯分布特性，在尾部負壓區(qū)域更為顯著。 對有雙面幕墻開孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓傳遞方程進行了推導，并從理論上闡述了背立面開孔時對內(nèi)壓附加阻尼效應的影響。分析了孔口等效阻尼比eq隨幕墻開孔面積、建筑內(nèi)部容積、參考風速及孔口處風壓高度變化系數(shù)等參數(shù)的變化趨勢。同時對開孔結(jié)構(gòu)發(fā)生Helmholtz共振與立面幕墻開孔率的關(guān)系進行了探討。 通過剛性模型風洞試驗對不同建筑內(nèi)部容積、幕墻開孔面積、開孔位置及屋蓋矢跨比的大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的風荷載進行了系統(tǒng)的分析研究，并探討了這些參數(shù)對屋蓋等圍護結(jié)構(gòu)風荷載特性的影響。通過對內(nèi)壓測點的脈動風壓功率譜分析，發(fā)現(xiàn)開孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部風壓譜不僅包含了大氣湍流中的能量成分，同時也包含了由于孔口阻尼特性引起的特征湍流的成分。對考慮有多面幕墻開孔的內(nèi)壓理論估算公式進行了推導，并將試驗值與理論估算值進行了對比。 通過對屋蓋結(jié)構(gòu)的風致響應分析發(fā)現(xiàn)對于本身剛度較大的屋蓋結(jié)構(gòu)，風致響應的大小主要取決于屋蓋的自振頻率，而幕墻開孔率大小的變化對風致響應的影響并不是很明顯。將傳統(tǒng)的風振系數(shù)計算方法與采用目標概率法得到的位移風振系數(shù)進行對比發(fā)現(xiàn)對于脈動風影響較為顯著的屋蓋區(qū)域，利用傳統(tǒng)的風振系數(shù)計算方法可能會過于低估脈動響應的影響，對結(jié)構(gòu)設計是偏于不安全的。 本文以風洞試驗為主，結(jié)合理論分析詳細研究了屋蓋結(jié)構(gòu)的風荷載特性和考慮幕墻開孔時建筑內(nèi)部風效應及屋蓋風致響應。研究成果可為屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風設計及荷載規(guī)范相關(guān)條文的修訂提供參考依據(jù)。
【圖文】：

國內(nèi)具有代表性的大跨度建筑

(e) 美國亞特蘭大喬治亞州穹頂 （f）加拿大蒙特利爾體育場圖 1.2 國外具有代表性的大跨度建筑.2 結(jié)構(gòu)風工程概述.2.1 大氣邊界層風場特性風是空氣相對于地表面的運動，由于地球表面大氣受太陽的加熱不勻，導球相同高度兩點間的溫度、空氣中的水蒸氣含量存有差異，產(chǎn)生溫度差和氣，使不同壓力差的地區(qū)之間產(chǎn)生趨于平衡的空氣流動，這就是自然界風的形。由于在地球表面，受到地表摩擦力和地物阻力等的影響，空氣的流動速度慢，這種影響隨著高度的增加而減小，當達到一定的高度時，自然風受地面響可以忽略，風速趨于平穩(wěn)，此高度為大氣邊界層高度或者梯度風高度，此以下為大氣邊界層。它隨著氣象條件、地面粗糙度、地形等因素的變化而變化般在300 ~1000米之間。絕大多數(shù)工程建筑均處于大氣邊界層內(nèi)，因此大氣邊內(nèi)風的基本特性是結(jié)構(gòu)風工程最為關(guān)心的關(guān)鍵問題。根據(jù)順風向大量實測風
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TU231;TU312.1

【參考文獻】

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本文編號：2557764