CN104975662B - 一种低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，用于减小旋涡诱导下低矮建筑屋面的强风荷载，包括：流线型扰流板组件，通过扰流板支架与屋面固定连接，并与扰流板支架传动连接；风速仪，用于测量实时风速；伺服控制器，与风速仪连接，用于根据所述实时风速发出控制指令；驱动电机，分别连接伺服控制器和扰流板支架，根据所述控制指令改变流线型扰流板组件与水平面间的夹角，实现强风吸力动态抑制；外接电源，分别连接风速仪和驱动电机，进行供电。与现有技术相比，本发明具有有效减小旋涡诱导下低矮建筑屋面的强风吸力、构造简单、效果显著、性能稳定、节约工程造价等优点。

Description

一种低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置

技术领域

本发明涉及一种低矮建筑屋面风荷载抑制方法，尤其是涉及一种低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置。

背景技术

低矮建筑一般是指7层或7层以下，高度小于24米的各类建筑，包括住宅、厂房、商业及公共建筑等。低矮建筑由于其自身的形态特点，大多处于大气边界层的底部，此区域内风速变化大且湍流度较高，风荷载已成为该类建筑结构设计的主要控制荷载之一。多次灾害调查表明，低矮建筑的破坏通常始于屋盖迎风角、迎风前缘附近，虽然这些流动分离区占屋面的整体面积较小，但作用于其上的强风吸力却是整个屋面上的最大。这是因为在上述区域内，旋涡作用尤其显著，一旦旋涡诱导下的风吸力超过屋盖自身的承载力，迎风角和迎风前缘部位将首先破坏，此后屋盖被掀起，最终建筑将整体失效。

为了减小风荷载对于低矮建筑造成的不利影响，需要提供一种有效抑制屋面强风吸力的措施，以提高低矮建筑的抗风安全性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种构造简单、效果显著、性能稳定、节约工程造价的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，主要用于抑制低矮建筑屋面旋涡诱导产生的强风吸力，以减小风荷载作用下的结构动力响应，提高结构抗风安全性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，用于减小旋涡诱导下低矮建筑屋面强风荷载，包括：

流线型扰流板组件，通过扰流板支架与屋面固定连接，并与扰流板支架传动连接；

风速仪，用于测量实时风速；

伺服控制器，与风速仪连接，用于根据所述实时风速发出控制指令；

驱动电机，分别连接伺服控制器和扰流板支架，根据所述控制指令改变流线型扰流板组件与水平面间的夹角，实现强风吸力动态抑制；

外接电源，分别连接风速仪和驱动电机，进行供电。

所述流线型扰流板组件包括：

流线型扰流板，设置于低矮建筑屋面迎风边缘处，所述风速仪位于流线型扰流板组件的下方；

中心转轴，位于流线型扰流板内，并靠近流线型扰流板外侧迎风面偏心设置；

所述流线型扰流板绕中心转轴在设定范围内转动。

所述扰流板支架一端与屋面固定连接，另一端设有环形套筒，该环形套筒与所述中心转轴同心装配，流线型扰流板组件可绕中心转轴转动。

所述扰流板支架与设置在屋面上的预埋锚栓连接或者与预埋钢板焊接。

所述驱动电机固定设置于流线型扰流板内部，并与环形套筒传动连接。

所述扰流板支架和驱动电机根据屋面迎风边缘长度均设置多个。

所述流线型扰流板为长条形薄壁结构，横断面呈流线型，其迎风端的厚度大于背风端的厚度，且迎风端的高程大于背风端的高程。

所述中心转轴至流线型扰流板的背风端的距离L₂与中心转轴离屋面高度H间的关系满足：

L₂sinθ<H

其中，θ为流线型扰流板与水平线的夹角。

流线型扰流板与水平线的夹角θ与风速v的关系如下式所示：

θ＝f(v)

其中，θ为流线型扰流板与水平线的夹角，v为风速仪所在位置处的实时风速，f()为夹角θ与风速v间的函数关系。

简单起见，可在伺服控制模块中，将此函数关系设定成简单的离散函数形式；并限定θ的范围。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明在低矮建筑迎风前缘部位设置流线型扰流板，一方面可促使扰流板下部的流动以射流的方式进入迎风前缘的旋涡，破坏旋涡内部的输入与输出平衡即真空状态；另一方面，正向射流可与靠近屋面处的旋涡逆流相抵，从而破坏环流的形成。综合作用下，旋涡的稳定形态被破坏，其诱导下的风吸力将大幅减小。

2)一般工程设计中，通常采用增大低矮建筑分离区内的设计风荷载和结构设计强度来确保分离区的抗风安全性，这无疑将增加工程造价。相比而言，本发明设置的流线型扰流板以“来流”破坏“旋涡”，仅通过引导来流运动的方式，使之部分偏离原先的流动轨道，即可破坏旋涡作用，减小风吸力。这种做法显著节约了工程造价，提高了此类建筑结构设计的经济效益和社会效益。由于扰流板体积较小，且安装方便，可在不改变建筑外形的前提下附加于已建建筑，亦可适用于新建建筑。

3)根据大量算例，本发明可建立基本控制参数(如扰流板外形参数、与水平线夹角、离屋面高度、突出屋面长度、风速区间等)与屋面风压系数之间的量化关系，为动态调整扰流板与水平线夹角提供依据，以达到在不同风速区间内的综合最优控制角度，减小屋面风荷载，提高结构抗风安全性。

附图说明

图1是低矮建筑屋面旋涡示意图；

图2是设置扰流板后低矮建筑屋面旋涡示意图；

图3是本发明实施例中采用的计算模型示意图；

图4是扰流板附近流体网格示意图；

图5是未设置扰流板的屋面流线分布示意图；

图6是设置扰流板后屋面流线分布示意图；

图7是设置扰流板前后屋面风压系数对比曲线示意图；

图8是本发明的结构示意图；

图9是本发明立面图；

图10是图9中的A-A剖面图；

图11是图10中的B-B剖面图；

图12是本发明采用的流线型扰流板典型横断面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图8～图11所示，一种低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，基于低矮建筑屋面旋涡的形成机制，构造可动态调整的扰流板，用于破坏旋涡的形成，进而减小旋涡作用区内的强风吸力，提高屋面结构的抗风安全性。该装置包括流线型扰流板组件1、风速仪2、伺服控制器3、驱动电机5和外接电源6，其中，流线型扰流板组件1通过扰流板支架4与屋面固定连接，并与扰流板支架4传动连接；风速仪2布置在靠近低矮建筑屋面与侧墙交线处，用于测量实时风速；伺服控制器3与风速仪2连接，用于根据所述实时风速发出控制指令，直接控制驱动电机5的转动角度；驱动电机5分别连接伺服控制器3和扰流板支架4，根据所述控制指令改变流线型扰流板组件1与水平面间的夹角，实现强风吸力动态抑制，外接电源6分别连接风速仪2和驱动电机5，进行供电。

流线型扰流板组件1包括流线型扰流板1-1和中心转轴1-2，流线型扰流板1-1倾角可动态变化，设置于低矮建筑屋面迎风边缘处(低矮建筑屋面与侧墙交线处)，中心转轴1-2位于流线型扰流板1-1内，并靠近流线型扰流板1-1外侧迎风面偏心设置；流线型扰流板1-1绕中心转轴1-2在设定范围内转动。

扰流板支架4一端与屋面固定连接(采用锚栓或预埋钢板焊接)，另一端设有环形套筒4-1，该环形套筒4-1与中心转轴1-2同心装配，流线型扰流板组件1可绕中心转轴1-2转动。扰流板支架4与设置在屋面上的预埋锚栓连接或者与预埋钢板焊接。

驱动电机5固定设置于流线型扰流板1-1内部，并与环形套筒4-1传动连接，使得流线型扰流板1-1可相对中心转轴1-2所在的轴线转动。

如图12所示，流线型扰流板1-1为长条形薄壁结构，横断面呈流线型，其迎风端的高程大于背风端的高程(H_j>H_k)，在迎风面的厚度大于其另一侧(背风面)的厚度。流线型扰流板1-1的中面与水平面交角应在合理区间内。根据流线型扰流板组件1的刚度和强度需求以及流线型扰流板1-1转动力矩的要求，应设置一定数量的扰流板支架4和驱动电机5。

流线型扰流板1-1横断面长度L₁、L₂与中心转轴1-2离屋面高度H间的关系如式(1)所示，即中心转轴1-2至流线型扰流板1-1的背风端的距离L₂与中心转轴1-2离屋面高度H间的关系满足：

L₂sinθ<H (1)

其中，θ为流线型扰流板1-1与水平线的夹角，L₁为中心转轴1-2至流线型扰流板1-1近侧墙端的长度；L₂为中心转轴1-2至流线型扰流板1-1远离侧墙端的长度。

伺服控制模块3根据风速仪2测得的风速大小，向驱动电机5发出调节流线型扰流板组件1倾角的控制指令，假定流线型扰流板1-1与水平线的夹角θ与风速v的关系如式(2)所示：

θ＝f(v) (2)

其中，θ为流线型扰流板1-1与水平线的夹角，v为风速仪2所在位置处的实时风速，f()为夹角θ与风速v间的函数关系。

简单起见，可在伺服控制模块3中，将此函数关系设定成简单的离散函数形式；并限定流线型扰流板1-1的倾角θ范围。

当来流的运动遇到低矮建筑阻挡时，来流通常在屋面迎风前缘处分离，分离后的剪切层在逆压梯度的作用下，卷吸再附形成环流，如图1所示。当输入与输出该环流的流动能量达到平衡时，稳定的真空状态随即形成，这就是旋涡。旋涡将在屋面形成巨大的抽吸效应，在此作用下，屋面局部出现强劲的破坏性吸力。为减小这种破坏性吸力，需从源头上抑制或者破坏旋涡的作用。

在低矮建筑迎风前缘部位设置扰流板，一方面可促使扰流板下部的流动以射流的方式进入迎风前缘的旋涡，破坏旋涡内部的输入与输出平衡即真空状态；另一方面，正向射流可与靠近屋面处的旋涡逆流相抵，从而破坏环流的形成。综合作用下，旋涡的稳定形态被破坏，其诱导下的风吸力将大幅减小。作用原理如图2所示。

如下算例以一低矮建筑为例，通过Computational Fluid Dynamics(CFD)技术对比了设置扰流板前后，建筑屋面风压系数的变化，以说明本发明专利中扰流板的有效性。简化起见，该算例采用二维模型和稳态求解。模型的基本尺寸及计算区域图3所示：低矮建筑高度为6m、跨度为15m；计算区域为180m×120m。入口风速设置为10m/s；除入口和出口外，其他边界均设置4层渐变的边界层；流线型扰流板的局部流体网格分布如图4所示。本算例中，扰流板与水平线的夹角为10°。图5和图6分别给出了设置扰流板前后，靠近迎风侧墙的屋面流线分布图；图7给出了设置扰流板前后屋面风压系数Cp的变化曲线。可见，(1)在屋面迎风前缘设置扰流板后，屋面边缘旋涡作用区域减小，作用强度减弱；(2)在屋面迎风前缘设置扰流板后，屋面旋涡作用区内的风压系数显著减小。所以，本发明中所设置的扰流板可有效抑制低矮建筑屋面的旋涡作用，进而减小旋涡诱导下的强风吸力。

Claims (8)

1.一种低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，用于减小旋涡诱导下低矮建筑屋面的强风荷载，其特征在于，包括：

流线型扰流板组件(1)，通过扰流板支架(4)与屋面固定连接，并与扰流板支架(4)传动连接；

风速仪(2)，用于测量实时风速；

伺服控制器(3)，与风速仪(2)连接，用于根据所述实时风速发出控制指令；

驱动电机(5)，分别连接伺服控制器(3)和扰流板支架(4)，根据所述控制指令改变流线型扰流板组件(1)与水平面间的夹角，实现屋面强风吸力的动态抑制；

外接电源(6)，分别连接风速仪(2)和驱动电机(5)，进行供电。

2.根据权利要求1所述的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，其特征在于，所述流线型扰流板组件(1)包括：

流线型扰流板(1-1)，设置于低矮建筑屋面迎风边缘处，所述风速仪(2)位于流线型扰流板组件(1)的下方；

中心转轴(1-2)，位于流线型扰流板(1-1)内，并靠近流线型扰流板(1-1)外侧迎风面偏心设置；

所述流线型扰流板(1-1)绕中心转轴(1-2)在设定范围内转动。

3.根据权利要求2所述的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，其特征在于，所述扰流板支架(4)一端与屋面固定连接，另一端设有环形套筒(4-1)，该环形套筒(4-1)与所述中心转轴(1-2)同心装配。

4.根据权利要求3所述的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，其特征在于，所述扰流板支架(4)与设置在屋面上的预埋锚栓连接或者与预埋钢板焊接。

5.根据权利要求3所述的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，其特征在于，所述驱动电机(5)固定设置于流线型扰流板(1-1)内部，并与环形套筒(4-1)传动连接。

6.根据权利要求1所述的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，其特征在于，所述扰流板支架(4)和驱动电机(5)根据屋面迎风边缘长度设置多个。

7.根据权利要求2所述的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，其特征在于，所述流线型扰流板(1-1)为长条形薄壁结构，横断面呈流线型，其迎风端的厚度大于背风端的厚度，且迎风端的高程大于背风端的高程。

8.根据权利要求7所述的低矮建筑屋面强风吸力动态抑制装置，其特征在于，所述中心转轴(1-2)至流线型扰流板(1-1)的背风端的距离L₂与中心转轴(1-2)离屋面高度H间的关系满足：

L₂sinθ＜H

其中，θ为流线型扰流板(1-1)与水平线的夹角。