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基于数值模拟的双坡屋面低矮建筑风载特性解析与应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

双坡屋面低矮建筑是一种常见的建筑形式,广泛应用于工业厂房、仓库、民居等领域。在建筑工程中,风荷载是建筑物所承受的重要荷载之一,其大小和分布直接影响到建筑物的稳定性和结构安全性。对于双坡屋面低矮建筑,由于其表面几何形状不规则,风荷载作用的复杂性较高,在强风作用下,双坡屋面低矮建筑的屋面、墙角等部位易产生较大的风荷载,导致结构破坏或局部构件失效,进而造成严重的经济损失和人员伤亡。因此,针对其风载特性的研究尤为重要。

传统的研究方法主要是采用实验手段,如实地观测和风洞试验。然而,这些方法存在一定的局限性。实地观测受到时间、地点和气候条件的限制,难以获取大量的有效数据;风洞试验则成本高昂、周期较长,且在模型制作和试验过程中可能引入误差,同时还有不可避免的误差,使得在实验中无法涵盖所有可能的情况。而数值模拟技术可以通过建立模型,在计算机上模拟建筑物在风场中的响应,从而较为准确地预测风荷载的大小和分布。数值模拟不仅能够克服传统实验方法的不足,还可以灵活地改变各种参数,对不同工况进行模拟分析,为双坡屋面低矮建筑的抗风设计提供更全面、准确的依据。因此,开展双坡屋面低矮建筑风载特性的数值模拟研究具有重要的理论意义和工程应用价值。通过深入研究双坡屋面低矮建筑的风载特性,可以为其抗风设计提供科学依据,优化结构设计,提高建筑物的抗风能力,保障人民生命财产安全;同时,也有助于丰富和完善建筑风工程领域的理论和方法,推动该领域的发展。

1.2国内外研究现状

在双坡屋面低矮建筑风载特性及数值模拟方面,国内外学者已开展了大量研究。在风载特性研究上,实地观测方面,李秋胜等基于可移动的双坡屋面实验房获取近地面台风风速和房屋表面风压同步实测数据,研究发现斜向风作用下,迎风屋面屋脊角部区域、屋面角部区域易形成较高的局部峰值负压并具有较大的脉动风压。风洞试验中,多位国内外专家通过建立缩尺模型,研究了高度、宽度、屋面坡度等参数对建筑屋面风压分布的影响,真实有效地总结出建筑风压分布特性。

数值模拟研究中,夏少军运用Fluent软件,采用RNGk-ε湍流模型,对几何尺寸为24m×16m×8m,屋面坡角为4.8°的建筑模型屋面风压进行数值模拟研究,并与风洞试验结果对比,表明该数值模拟方法能较为准确反映低矮房屋屋面风压分布规律。刘也等人基于Fluent6.3软件平台,采用RNGk-ε湍流模型,对日本东京工艺大学风洞试验模型及数据进行验证,结果表明数值模拟与风洞实验数据拟合较好。彭兴黔采用剪切应力输运(SST)k-ω模型,对门式刚架屋面风场和表面风压进行数值模拟分析,研究不同高宽比、长宽比及不同坡度情况下,低矮双坡房屋的屋面风荷载体型系数的变化规律和分布特征。

然而,当前研究仍存在一些不足。部分数值模拟研究中,对复杂地形条件下双坡屋面低矮建筑风载特性考虑较少,实际建筑所处地形多样,复杂地形会显著改变风场特性,进而影响建筑风载。在多物理场耦合方面,如风与结构动力响应、风与热环境耦合等研究不够深入,而在实际情况中,这些因素相互作用,对建筑风载及结构性能有重要影响。此外,不同湍流模型在模拟双坡屋面低矮建筑风载特性时的适用性和准确性,还需要进一步对比和验证。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容为双坡屋面低矮建筑的风载特性,具体包括:构建双坡屋面低矮建筑的数值模型,精确设置建筑物的几何形状、材料特性等参数;建立风场数值模型,全面考虑风速分布、风向、风荷载谱等参数设置;进行数值模拟计算,模拟建筑物在风场中的响应,获取其风荷载的大小和分布情况;对计算结果深入分析评估,得出双坡屋面低矮建筑的风载特性,并与传统实验结果进行细致比较分析,验证模拟结果的准确性和可靠性。

本文采用数值模拟技术进行研究。具体方法为:首先,根据实际情况和国内外相关文献,确定双坡屋面低矮建筑的几何形状和材料特性等参数,运用专业建模软件建立数值模型;其次,采用CFD软件(如ANSYSFluent、OpenFOAM等)建立风场数值模型,合理设置风速分布、风向、风荷载谱等参数;然后,在数值模拟平台上运行模型,进行计算分析,并详细记录模拟结果;最后,对计算结果进行深入分析评估,得出双坡屋面低矮建筑的风载特性,并与传统实验结果进行对比分析,验证模拟结果的准确性和可靠性。通过上述研究方法和技术路线,有望深入揭示双坡屋面低矮建筑的风载特性,为其抗风设计提供科学、准确的依据。

二、数值模拟理论基础

2.1计算流体力学(CFD)原理

计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)是一门融合了流体力学、计算机科学和数值计算方法的交叉学科。其核心在于通过计

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