平面T形低矮房屋风荷载特性风洞试验与数值分析

聂少锋　周绪红　陶莹　周天华

摘要：对复杂体型的平面T形低矮双坡屋面房屋的风荷载特性进行了风洞试验研究，得到了屋面风压系数以及各屋面体型系数的变化规律；采用计算流体力学软件FLUENT建立了数值风洞模型，在数值分析结果与风洞试验结果吻合良好的基础上，对影响屋面平均风压系数及体型系数的风攻角、屋面坡角、檐口高度、房屋几何尺寸和屋面形式等参数进行了详细分析。结果表明：屋面坡角和风攻角对屋面风压系数的影响显著；在不同风攻角作用下，迎风屋面屋檐及屋脊附近形成较高负压；当屋面处于背风区域时，风压系数分布较均匀；屋面坡角为30°时屋脊背风区域易形成较大负压，局部更易遭受破坏。

关键词：低矮房屋；风洞试验；计算流体动力学；风压系数；体型系数

中图分类号：TU312文献标志码：A

Abstract： Wind tunnel test on wind load characteristic of complex plan Tshaped lowrise gable roof buildings was presented. The change laws of wind pressure coefficient of roof and shape coefficient of each face were obtained. The computational fluid dynamics software FLUENT was employed to establish the numerical wind tunnel model， and the numerical simulation results agreed well with that of wind tunnel test. Then the detailed parametric analysis was performed for wind pressure coefficient and shape coefficient of roof. The parameters included wind attack angle， roof pitch， eave height， building geometry dimension and roof shape. The results show that roof pitch and wind attack angle have significantly effects on wind pressure coefficient of roof. Under the effect of different wind attack angles， high negative pressure will be formed on eave and ridge of windward roof. The distribution of wind pressure coefficient of roof in the leeward area is uniform. When the roof pitch is 30°， high negative pressure will be more easily formed in the leeward area of hip roof， so that the local area is easier to be destroyed.

Key words： lowrise building； wind tunnel test； computational fluid dynamics； wind pressure coefficient； shape coefficient

0引言

台风灾后调查研究表明，对于低矮房屋来说，屋面破坏是其主要破坏形式之一[1]。对传统低矮房屋的风荷载特性各国学者已做了大量的研究。文献[2]～[5]的研究结果表明：屋面的局部峰值风压大小与屋面坡角密切相关，且一般出现在迎风屋檐或屋脊附近；在相应风攻角下，随着屋面坡角的增加，屋脊附近的最大风吸力逐渐增大。Xu等[6]对低矮四坡屋面房屋模型进行了风洞试验，并与文献[5]中双坡屋面试验结果进行了对比分析。王相军等[7]采用3种湍流模型对低矮房屋模型迎风面、边缘及屋面的表面风压分布和变化规律进行了数值模拟，并将结果与风洞试验和现场实测结果进行了对比分析。顾明等[8]通过风洞试验和数值模拟分析对常见低矮双坡屋面房屋进行了风压分布研究，发现房屋屋檐、屋脊和外墙的转角等区域出现较大风吸力，迎风挑檐有较大升力。陶玲等[9]对L形平面低矮房屋的风洞试验研究表明，翼长增加和坡角减小均会加剧屋面的平均负压和最不利负压。周绪红等[1011]对低矮双坡和四坡屋面房屋风荷载特性进行了风洞试验和数值模拟研究。上述研究大多局限于简单“一”形平面房屋，实际中各种复杂体型如T形平面房屋因其美观的外形更受到人们的青睐。

由于T形平面房屋在不同屋面坡角、不同翼长及不同坡面形式等情况下的屋面风荷载特性不同，本文对平面T形低矮双坡屋面房屋进行风洞试验和数值模拟分析，研究各参数对屋面风压系数的分布及体型系数的影响。

1试验概况

1.1试验模型和风场模拟

测压风洞试验模型为平面T形低矮房屋，几何缩尺比为1∶50，见图1。模型为刚体模型，由有机玻璃制作，在风洞中的阻塞比小于3%。

随着屋面坡角的增加而减小。屋面坡角为60°时，迎风屋面T3，T4的体型系数为正值，其余屋面坡角时均为负值，T3，T4面体型系数分别由15°时的-0.77，-0.83逐渐增加到60°时的0.22，0.21。屋面坡角为15°，25°，30°，35°时，背风屋面T5均承受负压力，体型系数在-0.68～-0.65之间，但当屋面坡角大于35°时，由于屋脊处钝体尖角突显，钝体绕流气流分离而导致背部形成较大的漩涡，此时T5面所受吸力较大，60°屋面坡角时体型系数为-0.94。