CN111008425A - 一种大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，利用风洞实验的缩尺模型建立基准模型；将模型进行网格划分；设置结构模型参数；设定边界条件；模拟研究在不同风向角、不同风速和不同降雪强度下不同结构模型表面的积雪分布特性规律。本发明依托FLUENT数值模拟平台，应用风致雪漂理论，对大跨度双曲屋盖结构表面的风致积雪分布规律进行研究，为该类建筑的抗风雪设计提供有价值的参考依据，对于抗雪灾设计有着非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于建筑行业结构抗风分析与设计领域，具体涉及一种基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法。
背景技术
风雪流产生的跃移及由此造成建筑表面积雪不均匀分布是大跨度结构设计必须要考虑的问题之一。目前关于建筑周边及屋面风雪流作用的研究方法主要包括实地观测、风洞试验及数值模拟计算三种。随着计算机性能显著提高以及相关计算软件程序的不断先进，计算流体力学(CFD)手段已经逐渐成为研究与流体有关的工程问题的重要方法。以CFD技术为基础手段的数值模拟计算相比于实地观测和风洞试验具有相当大的优势。数值模拟计算成本低、周期短，可以方便的改变参数来研究不同参数对于结果的影响。它可以克服风洞试验中受相似参数约束较强的问题，同时在模拟计算时可以获取流场内任一时刻任一地点的相关物理信息，而后通过相关的后处理软件获取流畅的特征规律。
基于数值模拟计算方法的众多优点，国内外学者在近年运用该技术进行了多项研究。在国外，风致积雪的数值模拟研究开展较早，Uematsu等最早采用混合长度法作为湍流模型来模拟结构周围的风致积雪；Liston等进行的数值模拟研究的模拟方法与Uematsu相似，但选用的是标准k-ε湍流模型；Bang等提出了一种被称为“广义漂移通量模型”的两相流雪漂模型； Sundsb采用风雪单向耦合方法研究了挡板对台阶处积雪的影响；Beyers对南非的南极科考站 SANAE IV进行了风致积雪模拟；Tominag等研究了风致积雪的侵蚀和沉积，并修正了标准 k-ε湍流模型来考虑风场受积雪漂移的影响。
在国内，李雪峰、周晅毅等较早开始了风对积雪影响的研究，分别对北京火车南站、首都国际机场3号航站楼等进行了风致积雪的数值模拟；孙芳锦等对大跨度膜屋面的风致雪压进行了数值模拟；蒋坤、莫华美对单坡、双坡、拱形、高低屋面等典型的屋面进行了风吹雪作用下积雪分布的数值模拟研究；李跃等采用风雪单向耦合方法及单方程雪相模型对大跨度球壳屋盖结构进行风致积雪分析；赵雷等结合风洞试验与场地实测，考虑了雪相和风相的双向耦合、雪颗粒之间的碰撞粘结，对阶梯型屋面风吹雪作用下的积雪分布进行了二维数值模拟，论证了基于CFD技术的风雪流模拟方法的可行性。
发明内容
大跨度屋盖结构外形复杂多变，目前该类建筑的风致积雪研究只针对一些典型形状屋盖，基本没有针对大跨度双曲屋盖表面的风致积雪研究。从1954年我国颁布第一本荷载规范《荷载暂行规范》起至今，我国荷载规范中对关于雪荷载的部分进行了多次的修订。但以往每次的修订中针对雪荷载的设计部分都较为简略，只对简单屋面类型作了明确规定，很少考虑到风致雪漂移导致的不均匀积雪效应，这并不适合现如今形状多样的大跨度屋盖结构，尤其是本发明中将要进行研究的大跨度双曲屋盖结构的实际设计研究。因此，正确的预测大跨度双曲屋盖结构表面的积雪分布情况对该类建筑结构的抗雪灾设计有重要意义。
为了达到上述目的，本发明提出一种基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，包括下列步骤：
步骤1：利用风洞实验的缩尺模型建立基准模型；
所述的建立模型选取正方形、矩形、圆形和椭圆形四种大跨度双曲屋盖结构计算模型。
步骤2：将模型进行网格划分；
所述的网格划分为建筑物核心区域采用非规则四面体结构化网格，建筑物核心区域外采用六面体结构化网格，建筑区域内对其网格加密，最小网格尺寸为0.05m，流场网格总数量控制在150万左右。
步骤3：设置结构模型参数；
所述的结构模型参数设置中，假设L1、L2和Lmax分别为计算模型的宽度、长度和最大高度。本发明取计算域尺寸为：长(L)＝20L2，宽(B)＝10L1，高(H)＝10Lmax，长、宽、高分别对应坐标系的x、y、z轴，建筑迎风面到计算域入风口的距离为7L2，背风面距计算域出口距离为12L2，此时满足了计算域的阻塞率<3％。
步骤4：设定边界条件；
所述的边界设置中，入口处采用速度入流的边界条件，出口边界条件采用压力出口。在流体区域的顶部和两侧采用自由滑移的壁面条件，建筑物的表面及地面采用无滑移的壁面条件。
步骤5：模拟研究在不同风向角、不同风速和不同降雪量强度下不同结构模型表面的积雪分布特性规律。
所述的不同风向角为0°、30°、45°、60°、90°；不同风速为10m/s、15m/s、20m/s；不同降雪强度为3kg/m3、3.6kg/m3、4.54kg/m3。
本发明的有益效果是：
本发明选取了正方形、矩形、圆形、椭圆形的四种常见的大跨度双曲屋盖，模拟研究在风致积雪作用下这四种不同结构模型在不同方向角、不同风速和不同降雪强度下表面积雪压力分布规律。研究成果对风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计提供了有价值的参考，对抗雪灾设计有一定的意义。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法的流程图；
图2为本实验数值模拟中涉及到的模型以及各参数定义图；
其中a为正方形大跨度双曲屋盖模型；b为矩形大跨度双曲屋盖模型；c为圆形大跨度双曲屋盖模型；d为椭圆形大跨度双曲屋盖模型；e为各参数定义图；
图3为三种模型的网格划分图；
其中a为正方形结构网格划分图；b为矩形结构网格划分图；c为圆形结构网格划分图；d为椭圆形结构网格划分图；
图4为本发明数值模拟中各模型相应的计算模型尺寸；
图5为本发明数值模拟中计算域模型图；
图6为正方形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；
其中a为正方形模型在不同风向角时参数；b为正方形模型在不同风速时参数；c为正方形模型在不同降雪强度时参数；
图7为矩形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；
其中a为矩形模型在不同风向角时参数；b为矩形模型在不同风速时参数；c为矩形模型在不同降雪强度时参数；
图8为圆形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；
其中a为圆形模型在不同风向角时参数；b为圆形模型在不同风速时参数；c为圆形模型在不同降雪强度时参数；
图9为椭圆形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；
其中a为椭圆形模型在不同风向角时参数；b为椭圆形模型在不同风速时参数；c为椭圆形模型在不同降雪强度时参数；
图10为风向角示意图；
图11为不同风向角下的正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为0°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；c为45°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60 °风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；
图12为不同风速下的正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为10m/s风速下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为20m/s风速下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
图13为不同降雪强度下的正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为在3kg/m3雪浓度下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
图14为不同风向角下的矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为0°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；c为45°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；
图15为不同风速下的矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为10m/s风速下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为20m/s风速下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
图16为不同降雪强度下的矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为在3kg/m3雪浓度下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
图17为不同风向角下的圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为0°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；c为45°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；
图18为不同风速下的圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为10m/s风速下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为20m/s风速下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
图19为不同降雪强度下的圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为在3kg/m3雪浓度下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
图20为不同风向角下的椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为0°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；c为45°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60 °风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；
图21为不同风速下的椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为10m/s风速下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为20m/s风速下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
图22为不同降雪强度下的椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
其中a为在3kg/m3雪浓度下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
具体实施方法
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：利用风洞实验的缩尺模型建立基准模型。
本实施方式中，建立模型选取了正方形、矩形、圆形及椭圆形四种形式的大跨度双曲屋盖结构计算模型。
步骤2：将模型进行网格划分。
本实施方式中，网格划分为建筑物核心区域采用非规则四面体结构化网格，建筑物核心区域外采用六面体结构化网格，建筑区域内对其网格加密，最小网格尺寸为0.05m，流场网格总数量控制在150万左右。如图3所示，其中正方形结构建筑模型采用六面体结构化网格，并对建筑物附近进行了局部加密，网格数量为162万左右；矩形结构建筑模型采用六面体结构化网格，并对建筑物附近进行了局部加密，网格数量为134万左右；圆形结构建筑模型采用六面体结构化网格，并对建筑物附近进行了局部加密，网格数量为148万左右；椭圆形结构建筑模型采用六面体结构化网格，并对建筑物附近进行了局部加密，网格数量为130万左右。
步骤3：设置结构模型参数。
本实施方式中，缩尺模型来自于加拿大的Fabio Rizzo和Piero D’Asdia等人所做的大跨度双曲屋盖结构的风洞实验，结构模型如图2，缩尺模型尺寸具体见图4。对于大跨度结构来说，用L1、L2和Hmax表示建筑物的宽度、长度和最大高度。数值模拟时要求计算域中模型的阻塞率不得大于百分之三，根据要求提出建筑物迎风面到计算域入风口的距离应大于5Hmax，建筑物的侧面距离计算域侧面距离应大于4Hmax，建筑物顶面距离计算域上边界的距离应大于 4Hmax的建议。同时为了满足湍流在出口处能够得到充分发展，建筑物背风面距离计算域出口的距离应尽量的大，一般取Hmax的9到10倍，这样做的原因是如果建筑物背风面距离计算域出口处的距离太小的话，在出口处会出现流体的回流现象，进而导致计算出现发散。为达到湍流充分发展的效果，一般在计算域内流体流动方向的三分之一处放置模拟模型，以消除设置出口边界条件产生的影响。如图5为计算域模型图，取计算域尺寸为：长(L)＝20L2，宽(B)＝10L1，高(H)＝10Hmax，长、宽、高分别对应坐标系的x、y和z轴。将建筑模型放置在计算域入口前沿三分之一处，即建筑迎风面到计算域入风口的距离为7L2，建筑物背风面距离计算域出口的距离为12L2，此时计算域的阻塞率小于百分之三，满足要求。
步骤4：设定边界条件。
本实施方式中，空气相的入口边界条件：入口处采用速度入流的边界条件，入口处风速以公式
给出，参考高度Zb＝10m，地面粗糙度取B类地貌条件下的地面粗糙度α＝0.15，Zb处对应风
入口湍流动能k和湍流耗散率ε分别按公k＝1.5(V(z)·I)2和
给出，湍流动能按公式
给出，其中I10＝0.14，α＝0.15。雪相的入口边界条件：雪相在空气相的影响下，具有与空气相相同的入口速度。但是雪相的入口处浓度在跃移层和悬移层是不同的。跃移层和悬移层内的雪相浓度按公式
hs＜z和f＝0.8exp[-1.55(4.78u* -0.544-z-0.544)]/ρs，hs≥z给出。出口边界设置：出口处边界条件采用压力出口。壁面边界设置：数值模拟中将计算域视为外部大气环境的一部分，在计算域顶端和两侧是不存在剪力和应力的，故本发明在流体区域的顶部和两侧采用自由滑移的壁面条件；建筑物的表面及地面采用无滑移的壁面条件。
步骤5：模拟研究在不同风向角、不同风速和不同降雪强度下不同结构模型表面的积雪分布特性规律。
本实施方式中，对在5种风向角、3种风速和3种降雪强度作用下的大跨度双曲结构屋盖表面积雪分布系数进行了研究，得出结果并进行分析，得到了风致积雪作用下大跨度双曲屋盖表面积雪分布特性规律，有正方形、矩形、圆形和椭圆形四种模型。风向角有0°、30°、 45°、60°、90°五种；风速有10m/s、15m/s、20m/s三种；雪浓度有3kg/m3、3.6kg/m3、4.54kg/m 3三种。
图6为正方形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；其中a为正方形模型在不同风向角时参数；b为正方形模型在不同风速时参数；c为正方形模型在不同降雪强度时参数；
由试验参数可知正方形大跨度屋盖模型选用的是M1计算模型，计算域尺寸为16m×8m× 2.133m,保持两个试验影响参数不变，改变另一个试验参数来进行模拟研究。
图7为矩形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；其中a为矩形模型在不同风向角时参数；b为矩形模型在不同风速时参数；c为矩形模型在不同降雪强度时参数；
由试验参数可知正方形大跨度屋盖模型选用的是M2计算模型，计算域尺寸为16m×8m× 2.133m,保持两个试验影响参数不变，改变另一个试验参数来进行模拟研究。
图8为圆形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；其中a为圆形模型在不同风向角时参数；b为圆形模型在不同风速时参数；c为圆形模型在不同降雪强度时参数；
由试验参数可知圆形大跨度屋盖模型选用的是M3计算模型，计算域尺寸为16m×8m× 2.133m,保持两个试验影响参数不变，改变另一个试验参数来进行模拟研究。
图9为椭圆形大跨度屋盖模型数值试验工况的试验参数；其中a为椭圆形模型在不同风向角时参数；b为椭圆形模型在不同风速时参数；c为椭圆形模型在不同降雪强度时参数；
由试验参数可知椭圆形大跨度屋盖模型选用的是M4计算模型，计算域尺寸为16m×8m× 2.133m,保持两个试验影响参数不变，改变另一个试验参数来进行模拟研究。
图10为风向角示意图；
通过风向角示意图可知，本发明选取的风向角有0°、30°、45°、60°、90°五种。
图11为不同风向角下的正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为0°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数； c为45°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的正方形双曲屋盖表面积雪分布系数；
通过对比a、b、c、d、e积雪分布系数图可知正方形大跨度双曲屋盖结构表面积雪分布既出现侵蚀又出现沉积，风雪流在屋盖形状发生改变处产生的变化是影响屋盖表面积雪分布情况的主要因素，正方形大跨度双曲屋盖结构表面积雪分布受风向角的影响较大。对比几种风向角下正方形双曲屋盖结构表面积雪分布系数大小发现0°风向角下正方形屋盖表面积雪分布系数较大，根据相关公式推断该风向角下正方形屋盖表面雪压最大，即0°为最不利风向角。
图12为不同风速下的正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为10m/s风速下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c 为20m/s风速下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知不同风速下正方形双曲屋盖结构表面积雪分布情况大致相同,以积雪侵蚀为主；风速越大，迎风面积雪侵蚀面积越大，背风面积雪沉积处雪压越大，但风速达到一定数值后，屋盖表面积雪全部侵蚀，经对比正方形双曲屋盖结构表面抗风雪最不利风速为15m/s。
图13为不同降雪强度下的正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为在3kg/m3雪浓度下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下正方形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知不同降雪强度下正方形双曲屋盖结构表面积雪分布情况大致相同，以积雪侵蚀为主；降雪强度越大，屋面侵蚀区域越小，沉积区域越大，且沉积处雪压越大，屋盖抗风雪越不利。
图14为不同风向角下的矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为0°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；c为45 °风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的矩形双曲屋盖表面积雪分布系数；
通过对比a、b、c、d、e积雪分布系数图可知矩形大跨度双曲屋盖结构表面积雪分布既出现侵蚀又出现沉积，风雪流流动受双曲屋盖表面形状改变而产生的变化是影响屋盖表面积雪分布情况的主要因素；风向角的改变对矩形大跨度双曲屋盖结构表面积雪分布影响较大；经对比发现对于矩形双曲屋盖结构来说，0°风向角下屋盖表面的积雪分布系数普遍大于其它风向角下屋盖表面的积雪分布系数，根据相关公式推断该风向角下矩形屋盖表面雪压最大，即0°为最不利风向角。
图15为不同风速下的矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为10m/s风速下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为20m/s 风速下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知不同风速下矩形双曲屋盖结构表面积雪分布情况大致相同，以积雪侵蚀为主，同时存在积雪的沉积；对于矩形双曲屋盖来说，风速增大，迎风面积雪侵蚀面积越大，背风面积雪沉积处雪压越大，达到一定程度后屋盖表面积雪完全侵蚀，雪压变小，屋盖抗风雪不利风速为15m/s。
图16为不同降雪强度下的矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为在3kg/m3雪浓度下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下矩形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知改变降雪强度对矩形双曲屋盖表面的积雪分布影响较小，对相应的侵蚀或沉积大小影响较大，屋盖表面积雪以积雪侵蚀为主。不同降雪强度下矩形双曲屋盖结构表面积雪分布情况大致相同；降雪强度越大，雪颗粒越难被吹动，屋面侵蚀区域越小，沉积区域越大，且沉积处雪压越大，矩形屋盖越不利于抗风雪。
图17为不同风向角下的圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为0°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；c为45 °风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；
通过对比a、b、c、d、e积雪分布系数图可知圆形大跨度双曲屋盖结构表面积雪分布在不同风向角下均以积雪侵蚀为主，原因是圆形双曲屋盖表面较为圆滑有利于风雪流的流动；圆形双曲屋盖表面积雪分布受风向角的影响较大；对比发现0°风向角下圆形双曲屋盖表面积雪分布系数与其他风向角下相比较大，根据公式推断该风向角下圆形屋盖表面雪压最大，即 0°为最不利风向角。
图18为不同风速下的圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为10m/s风速下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为20m/s 风速下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知圆形双曲屋盖表面积雪分布系数分布受风速改变的影响较小，不同风速下圆形双曲屋盖结构表面积雪分布情况以侵蚀为主；对于圆形双曲屋盖来说，随着风速变大，出现沉积位置的沉积雪压越大，但风速达到一定程度后屋盖表面雪颗粒被大风速的风吹走，积雪完全侵蚀，雪压变小，总结得出圆形屋盖抗风雪不利风速为15m/s。
图19为不同降雪强度下的圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为在3kg/m3雪浓度下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知不同降雪强度下圆形双曲屋盖结构表面积雪分布情况大致相同；降雪强度越大，风速不变情况下屋盖表面雪颗粒越难被吹动，屋面侵蚀区域越小，沉积区域越大，且沉积处雪压越大，圆形屋盖越不利于抗风雪。
图20为不同风向角下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数，其中a为0°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；b为30°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；c 为45°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；d为60°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数；e为90°风向角下的椭圆形双曲屋盖表面积雪分布系数。
通过对比a、b、c、d、e积雪分布系数图可知椭圆大跨度双曲屋盖结构表面积雪分布在不同风向角下同时存在积雪的侵蚀和沉积情况；椭圆形双曲屋盖表面积雪分布受风向角的影响较大，风向角发生改变，椭圆形双曲屋盖表面积雪分布发生很大变化；对比发现0°风向角下椭圆双曲屋盖表面积雪分布系数与其他风向角下相比出现了最大值，根据公式推断该风向角下圆形屋盖表面最大雪压，推断0°为最不利风向角。
图21为不同风速下的椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为10m/s风速下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为15m/s风速下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c 为20m/s风速下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知不同风速下椭圆形双曲屋盖结构表面积雪分布情况以侵蚀为主；对于椭圆形双曲屋盖来说，随着风速变大，出现沉积位置的沉积雪压越大，但再增大风速达到一定程度后屋盖表面雪颗粒会被大风速的风吹走，积雪完全侵蚀，总结得出圆形屋盖抗风雪不利风速为15m/s。
图22为不同降雪强度下的椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；其中a为在3kg/m3雪浓度下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；b为在3.6kg/m3雪浓度下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；c为在4.54kg/m3雪浓度下椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；图22为不同降雪强度下的椭圆形双曲屋盖表面的积雪分布系数；
通过对比a、b、c积雪分布系数图可知不同降雪强度下椭圆形双曲屋盖结构表面积雪分布情况大致相同；在风速不发生改变的情况下，降雪强度越大，屋面侵蚀区域越小，沉积区域越大，原因是强度大的降雪，雪质量也越大，积雪很难被风吹动从而造成沉积，相应的沉积雪压也就越大，屋面越不利于对抗风雪的共同作用。
Claims (6)
1.一种基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用风洞实验的缩尺模型建立基准模型；
步骤2：将模型进行网格划分；
步骤3：设置结构模型参数；
步骤4：设定边界条件；
步骤5：模拟研究在不同风向角、不同风速和不同降雪强度下不同结构模型表面的积雪分布特性规律。
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，其特征在于，所述步骤1中建立模型选取正方形、矩形、圆形和椭圆形四种大跨度双曲屋盖结构模型。
3.根据权利要求1所述的基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，其特征在于，所述步骤2中网格划分为建筑物核心区域采用非规则四面体结构化网格，建筑物核心区域外采用六面体结构化网格，建筑区域内对其网格加密，最小网格尺寸为0.05m，流场网格总数量控制在150万左右。
4.根据权利要求1所述的基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，其特征在于，所述步骤3中假设L1、L2和Hmax分别为计算模型的宽度、长度和最大高度；本发明取计算域尺寸为：长(L)＝20L2，宽(B)＝10L1，高(H)＝10Hmax，长、宽、高分别对应坐标系的x、y、z轴，建筑迎风面到计算域入风口的距离为7L2，背风面距计算域出口距离为12L2，此时满足了计算域的阻塞率<3％。
5.根据权利要求1所述的基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，其特征在于，所述步骤4中入口处采用速度入流的边界条件，出口边界条件采用压力出口；在流体区域的顶部和两侧采用自由滑移的壁面条件，建筑物的表面及地面采用无滑移的壁面条件。
6.根据权利要求1所述的基于数值模拟方法的风致积雪作用下大跨度双曲屋盖的抗风雪设计方法，其特征在于，所述步骤5中设置不同风向角为0°、30°、45°、60°、90°；不同风速为10m/s、15m/s、20m/s；不同降雪强度为3kg/m3、3.6kg/m3、4.54kg/m3。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112661007A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-16 | 西南交通大学 | 门式起重机箱梁抗风减载仿生结构及其设计方法 |
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| CN108804838A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-13 | 辽宁工程技术大学 | 一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法 |
| CN108959784A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-12-07 | 辽宁工程技术大学 | 一种风雨联合作用下的大跨度双曲屋盖结构抗风雨设计方法 |
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2019
- 2019-12-09 CN CN201911253892.5A patent/CN111008425A/zh active Pending
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