CN110489854B - 一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法，包括如下步骤，S1：进行洞口封闭建筑的三维数值风场模拟；S2：估算建筑内部风压系数；S3：对结构计算模型施加内、外部风荷载进行计算；本发明提供的方法可以在简化三维数值风场模拟的基础上，快速估算不同建筑尺寸、开洞尺寸及开洞位置情况下的建筑内部风压；在缺少风洞试验结果的情况下，也能够估算出不同开洞方案下的内部风压，有效地简化了工程设计中的步骤，提高了效率。

Description

一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法
技术领域
本发明涉及土木工程风工程技术领域，具体为一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法。
背景技术
根据船舶工业厂房的使用、工艺设计及建筑要求，厂房山墙、纵墙往往需要考虑不完全封闭，甚至完全开敞的情况，开洞率的变化区间也较大。具有大开洞墙面的厂房(如开洞率50％)与传统封闭厂房相比，在风荷载分布和取值上都会有很大的不同。而现行荷载规范并没有充分考虑到各种墙面开洞方式对厂房结构风效应的影响，对于建筑在不同开洞情况下体型系数的取值并没有细致的规定。
除规范依据以外，风洞实验是目前结构抗风设计最主要的依据，尤其是对于重要且体型复杂的房屋。但由于风洞实验往往要在施工图设计阶段才能开展，方案阶段及初步设计阶段往往缺乏详细的风荷载数据，如何为这两个阶段的结构抗风设计提供依据是需要重点考虑的问题。在这一情况下，CFD数值模拟及参考已有工程风洞试验结果是确定此类开敞厂房风荷载的主要途径。
开敞建筑的内压的影响因素较多，建筑尺寸、开敞位置以及开洞尺寸、大小都有可能影响到建筑内压。目前，在缺少风洞试验结果的情况下，如何估算不同开洞方案下的内部风压尚未有比较简化的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法，包括如下步骤，
S1：进行洞口封闭建筑的三维数值风场模拟；
S2：估算建筑内部风压系数；
S3：对结构计算模型施加内、外部风荷载进行计算；
所述步骤S2中，设定参考点P，P为檐口高度自然流动处的点，则建筑表面某测点i的风压系数为：
其中，Cp，i是建筑表面某测点i的风压系数，Pi是测点i的风压值，P∞是参考点P处的静压力值，V∞是参考点P处的风速；
所述步骤S3中，在进行结构设计分析时，外部风荷载可根据现行规范或洞口封闭建筑的三维数值风场模拟结果施加，内部风荷载可通过施加内部风压的方式进行加载，也可转化为风荷载体型系数进行设定；
内部风压的方式进行加载的方式为，参考点P处的风压平均值计算公式为：
其中，ρ为空气密度；UP为P点高度处风速；μz，P为P点处风压高度变化系数，w0为基本风压；
则建筑内压平均值win计算公式为：
其中，βz为风振系数，得到的建筑内部风压win可加载至结构模型，同时在外墙风荷载作用下，进行结构抗风设计。
优选的，所述步骤S1中，建立单墙开洞建筑相应的洞口封闭建筑模型，分别进行洞口封闭建筑在0°、45°、75°、90°风向角下的三维数值风场模拟；其中，设定开洞墙体正面垂直受风时的风向角为0°，风向角按逆时针方向增加。
优选的，设定单墙开洞建筑长度为L、高度为H、宽度为B，开洞墙体高度、宽度与单墙开洞建筑相同，分别为H、B，开洞墙体设置有洞口，洞口宽度为b、高度为h，洞口中心距墙体水平中心线的水平距离为a；则单墙开洞建筑相对参考点P的内部风压系数Cp，in的计算公式为：
其中，δ为开洞率：δ＝hb/(HB)；
q为洞口高宽比：q＝h/b；
m为单墙开洞建筑的长宽比：m＝L/B；
n为单墙开洞建筑的高宽比，n＝H/B；
Cp，u、Cp，u，分别为洞口封闭建筑在相同工况下洞口封闭墙体7上u点、u’点处的外墙风压系数。
优选的，转化为风荷载体型系数进行设定的方式为，主要受力结构计算时的外部风荷载标准值为：wk＝βzμsμzw0；
其中，βz为工程所取风振系数，μs为外墙体型系数，μz为工程所取风压高度变化系数；
考虑墙面内外风压的同时作用有：
其中，win、wout为单墙开洞建筑的内、外风压，μz，P为参考点P高度处的风压高度变化系数，则为由建筑内部风压引起的风荷载体型系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的方法可以在简化三维数值风场模拟的基础上，快速估算不同建筑尺寸、开洞尺寸及开洞位置情况下的建筑内部风压；在在缺少风洞试验结果的情况下也能得出数据，有效地简化了工程设计步骤。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的单墙开洞建筑示意图；
图3为本发明的开洞墙面示意图；
图4为本发明的洞口封闭建筑示意图；
图5为本发明的洞口封闭墙体示意图；
图6为本发明的风向角示意图；
图中标号：1、单墙开洞建筑；2、洞口封闭建筑；3、开洞墙体；4、洞口；5、洞口中心；6、水平中心线；7、洞口封闭墙体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法，包括如下步骤，
S1：进行洞口封闭建筑的三维数值风场模拟；
S2：估算建筑内部风压系数；
S3：对结构计算模型施加内、外部风荷载进行计算；
所述步骤S2中，设定参考点P，P为檐口高度自然流动处的点，则建筑表面某测点i的风压系数为：
其中，Cp，i是建筑表面某测点i的风压系数，Pi是测点i的风压值，P∞是参考点P处的静压力值，V。。是参考点P处的风速；
所述步骤S3中，在进行结构设计分析时，外部风荷载可根据现行规范或洞口封闭建筑的三维数值风场模拟结果施加，内部风荷载可通过施加内部风压的方式进行加载，也可转化为风荷载体型系数进行设定；
内部风压的方式进行加载的方式为，参考点P处的风压平均值计算公式为：
其中，ρ为空气密度；UP为P点高度处风速；μz，P为P点处风压高度变化系数，w0为基本风压；
则建筑内压平均值win计算公式为：
其中，βz为风振系数，得到的建筑内部风压win可加载至结构模型，同时在外墙风荷载作用下，进行结构抗风设计。
进一步的，所述步骤S1中，建立单墙开洞建筑1相应的洞口封闭建筑2模型，分别进行洞口封闭建筑2在0°、45°、75°、90°风向角下的三维数值风场模拟；其中，设定开洞墙体3正面垂直受风时的风向角为0°，风向角按逆时针方向增加。
进一步的，设定单墙开洞建筑1长度为L、高度为H、宽度为B，开洞墙体3高度、宽度与单墙开洞建筑1相同，分别为H、B，开洞墙体3设置有洞口4，洞口4宽度为b、高度为h，洞口中心5距墙体水平中心线6的水平距离为a；则单墙开洞建筑1相对参考点P的内部风压系数CP，in的计算公式为：
其中，δ为开洞率：δ＝hb/(HB)；
q为洞口4高宽比：q＝h/b；
m为单墙开洞建筑1的长宽比：m＝L/B；
n为单墙开洞建筑1的高宽比，n＝H/B；
Cp，u、Cp，u，分别为洞口封闭建筑2在相同工况下洞口封闭墙体7上u点、u’点处的外墙风压系数。其中u点到墙体水平中心线7的距离为x0，高度为y0，u’点与u点相对墙体水平中心线7对称，α1、α2、α3、α4、α5、α6为系数。设定洞口中心6到墙体水平中心线7的水平距离为a；，则不同风向角下的各系数、u点坐标、公式适用范围如下表所示；
风向角 α1 α2 α3 α4 α5 α6 x0 y0 适用范围
0° 0.713 -0.084 0 0.011 0.115 1 a h 0＜h≤0.9H
45° 0.757 -0.111 0.070 -0.014 -0.159 1 a-b/2 3h/4 0.1H≤h≤H
75° 0.781 0.063 0.036 0.022 0.061 -1 a-b/4 2h/3 0＜h≤H
90° 0.657 -0.115 0 0.066 -0.002 -1 a h/2 0＜h≤H
进一步的，转化为风荷载体型系数进行设定的方式为，主要受力结构计算时的外部风荷载标准值为：wk＝βzμsμzw0；
其中，βz为工程所取风振系数，μs为外墙体型系数，μz为工程所取风压高度变化系数；
考虑墙面内外风压的同时作用有：
其中，win、wout为单墙开洞建筑1的内、外风压，μz，P为参考点P高度处的风压高度变化系数，则为由建筑内部风压引起的风荷载体型系数。
工作原理：从步骤S1中，进行开洞墙体3在0°、45°、75°、90°风向角下的三维数值风场模拟；在步骤S2中，估算建筑内部风压系数，根据公式：求内部风压系数Cp，in。在步骤S3中，对结构计算模型施加内部风荷载进行计算，外部风荷载可根据现行规范或洞口封闭建筑2的三维数值风场模拟结果施加，内部风荷载可以通过施加内部风压的方式进行加载，也可转化为风荷载体型系数进行设定，进而得出开洞建筑中的内部风荷载。
整个方案在简化三维数值风场模拟的基础上，快速估算不同建筑尺寸、开洞尺寸及开洞位置情况下的建筑内部风压；在在缺少风洞试验结果的情况下也能得出数据，有效地简化了工程设计步骤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：进行洞口封闭建筑的三维数值风场模拟；
S2：估算建筑内部风压系数；
S3：对结构计算模型施加内、外部风荷载进行计算；
所述步骤S2中，设定参考点P，P为檐口高度自然流动处的点，则建筑表面某测点i的风压系数为：
其中，Cp，i是建筑表面某测点i的风压系数，Pi是测点i的风压值，P∞是参考点P处的静压力值，V∞是参考点P处的风速；
所述步骤S3中，在进行结构设计分析时，外部风荷载根据现行规范或洞口封闭建筑(2)的三维数值风场模拟结果施加，内部风荷载可以通过施加内部风压的方式进行加载，也可转化为风荷载体型系数进行设定；
内部风压的方式进行加载的方式为，参考点P处的风压平均值计算公式为：
其中，ρ为空气密度；UP为P点高度处风速；μz，P为P点处风压高度变化系数，w0为基本风压；
则建筑内压平均值win计算公式为：
其中，βz为风振系数，得到的建筑内部风压win加载至结构模型，同时在外墙风荷载作用下，进行结构抗风设计；
设定单墙开洞建筑(1)长度为L、高度为H、宽度为B，开洞墙体(3)高度、宽度与单墙开洞建筑(1)相同，分别为H、B，开洞墙体(3)设置有洞口(4)，洞口(4)宽度为b、高度为h，洞口中心(5)距墙体水平中心线(6)的水平距离为a；则单墙开洞建筑(1)相对参考点P的内部风压系数CP，in的计算公式为：
其中，δ为开洞率：δ＝hb/(HB)；
q为洞口(4)高宽比：q＝h/b；
m为单墙开洞建筑(1)的长宽比：m＝L/B；
n为单墙开洞建筑(1)的高宽比，n＝H/B；
Cp，u、Cp，u’分别为洞口封闭建筑(2)在相同工况下洞口封闭墙体(7)上u点、u’点处的外墙风压系数；α1、α2、α3、α4、α5、α6为系数。
2.根据权利要求1所述的一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法，其特征在于：所述步骤S1中，建立单墙开洞建筑(1)相应的洞口封闭建筑(2)模型，分别进行洞口封闭建筑(2)在0°、45°、75°、90°风向角下的三维数值风场模拟；其中，设定开洞墙体(3)正面垂直受风时的风向角为0°，风向角按逆时针方向增加。
3.根据权利要求1所述的一种单墙开洞建筑的内压估算简化方法，其特征在于：转化为风荷载体型系数进行设定的方式为，主要受力结构计算时的外部风荷载标准值为：wk＝βzμsμzw0；
其中，βz为工程所取风振系数，μs为外墙体型系数，μz为工程所取风压高度变化系数；
考虑墙面内外风压的同时作用有：
其中，win、wout为单墙开洞建筑(1)的内、外风压，μz，p为参考点P高度处的风压高度变化系数，则为由建筑内部风压引起的风荷载体型系数。
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开洞低矮房屋屋面平均内外风压数值模拟;戴益民;《建筑结构》;20150131;第95-100页 *

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