理论教育 建筑物风荷载分析-注册结构工程师专考精讲

建筑物风荷载分析-注册结构工程师专考精讲

时间:2023-08-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:建筑物是带有棱角的钝体。图5.4.4表示分离流线以内是一个尾涡区,在建筑物背后靠下部位形成一对近尾回流,尾涡区的形状和近尾回流的分布取决于分离流线边缘的气流速度和结构物的截面形状。图5.4.5 气流绕单坡屋面流动a)屋面倾角为负时 b)屋面倾角较小时 c)屋面倾角为30°时 d)屋面倾角为45°时图5.4.6表示气流绕双坡屋面的流动,屋面坡度为30°、45°,在屋顶的迎风面上,一种情况是吸力作用,另一种情况是压力作用。

建筑物风荷载分析-注册结构工程师专考精讲

当未受干扰的气流流向建筑物时,自由气流并不是停滞在建筑物的表面,而是以不同的途径从其表面绕过,并在建筑物表面(立面、山墙、屋顶)引起压力或吸力。压力与吸力分别指空气压力高于和低于大气压,在图中压力用正号(+)表示、吸力用负号(-)表示。

建筑物是带有棱角的钝体。当风作用在钝体上,其周围气流通常呈分离型,并形成多处涡流,如图5.4.1所示。

图5.4.2为一单体建筑物立面流线分布图。由图可见,建筑物受到风的作用后,在其迎风面大约2/3高度处,气流有一个正面停滞点,气流从该点向外扩散分流。停滞点以上,气流上升并越过建筑物顶面,停滞点以下,气流流向地面,在紧靠地面处形成水平滚动,成为驻涡区;另一部分气流则绕过建筑物两侧向背后流去。在钝体建筑物的背后,由于屋面上部的剪切层产生的环流,形成背风涡旋区,涡旋气流的风向与来流风向相反,在背风面产生吸力;背风涡旋区以外是尾流区,建筑物的阻碍作用在此区域逐渐消失。

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图5.4.1 建筑物表面风流示意图

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图5.4.2 单体建筑物立面流线分布

图5.4.3是一单体建筑物(也称钝体)的平面流线分布图,气流受该物体干扰后,在物体的边缘某处发生脱体。对于矩形截面,脱体在迎风面的两个角隅处发生。而当截面为流线型时,具有黏性的气流可从物体表面流过,在表面形成一层很薄的有速度梯度边界层。对于钝体,该边界层随脱体而出,将气流分隔成两部分,外区的气流几乎不受流体黏性的影响,对外区可按理想气体应用贝努利方程式来确定气流压力和速度的关系。

图5.4.4表示分离流线以内是一个尾涡区,在建筑物背后靠下部位形成一对近尾回流,尾涡区的形状和近尾回流的分布取决于分离流线边缘的气流速度和结构物的截面形状。该区受黏性和湍流的影响,能量发散比较明显,已不能用贝努利方程来确定气流状态。一般情况下,要完全从理论上确定任意受气流影响的物体表面的压力,目前尚做不到,故一般通过试验方法(风洞试验)来确定表面的压力。

尾涡区漩涡脱落会引起结构的横向振动。

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图5.4.3 钝体对气流的干扰

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图5.4.4 尾涡区

建筑物顶面的压力分布规律与屋顶的坡度有关,倾斜屋面压力的正负号取决于气流在屋面上的分离状态和气流再附着的位置。不同倾斜屋面的平均风流线如图5.4.5所示。屋面倾角为负时,气流分离后一般不会产生再附着现象,分离流线下产生涡流引起吸力。屋面倾角较小时,可推迟再附着现象的发生,屋面仍承受负风压;屋面向上和向下压力的改变大致在30°倾角处,此时屋面的风压值趋于零,屋面倾角大于45°时,屋面气流不再分离,屋面受到压力作用。

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图5.4.5 气流绕单坡屋面流动

a)屋面倾角为负时 b)屋面倾角较小时 c)屋面倾角为30°时 d)屋面倾角为45°时

图5.4.6表示气流绕双坡屋面的流动,屋面坡度为30°、45°,在屋顶的迎风面上,一种情况是吸力作用,另一种情况是压力作用。

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图5.4.6 气流绕双坡屋面流动

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