CN113203537A - 一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，包括风洞试验段、金属屋面系统模型、转盘、支承架和多个检测元器件，所述金属屋面系统模型设置在所述支承架上，所述支承架设置在所述转盘上，所述多个检测元器件设置在金属屋面系统模型的各测点处且与外部的控制终端通过有线或无线通信连接，从而获取相应风场下的金属屋面系统及其各部分构件的响应情况，用于分析金属屋面系统的抗风压性能和抗风掀性能。本发明还公开了一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试方法。本发明能够模拟实际使用环境，准确获取金属屋面系统的抗风压性能和抗风掀性能的相关数据，从而有利于对金属屋面系统进行抗风性能的分析。

Description

一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统及方法

技术领域

本发明属于建筑结构风洞试验技术领域，涉及一种用于金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统及方法。

背景技术

传统的房屋屋顶封盖采用砖瓦或水泥板，随着社会的发展，人们对建筑物的美观、安全、安静、保温、透气要求也越来越普遍，因此，金属屋面系统在各类工业、体育、娱乐、展览馆、零售超市等建筑物中也得到了越来越多应用，该金属屋面系统整体结构简单，拆装方便，造型多样；金属屋面系统包括支撑组件、金属屋面板层、防水透气层和保温层，金属屋面系统与建筑围护结构水平方向的夹角小于75°；由于金属屋面系统的金属屋面板层属于薄板结构，具有质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率抵的特点，属于风敏感性结构；而且现代建筑结构的造型复杂多样，金属围护的产品类型也层出不穷，现有资料很难对金属屋面系统的抗风性能做出准确评估。

金属屋面系统作为钢结构建筑的板材，经常在建筑工程上使用，利用金属屋面系统对钢结构建筑物防水及防晒保护，金属屋面系统为钢结构建筑最外层，一般是直接通过螺钉与建筑物屋架的主梁及副梁进行固定，长期处于温差大、大风、大雨等自然环境中，其固定处容易出现螺钉脱落及松动、漏水、漏风、发出噪音等异常情况，导致需要不断的对钢结构建筑物进行修复，影响了钢结构建筑物的正常使用及使用寿命。

金属屋面系统设计时是根据荷载规范对单一构件进行承载力计算，但实际工程中出现了很多未达到风荷载设计值就发生金属屋面风致破坏的案例。目前工程实际会根据需要进行金属屋面系统的抗风性能研究。主要的研究方法有物理实验、数值模拟以及理论分析等方法，物理实验结果是屋面抗风设计的主要依据，常用的物理实验方法有静压箱法检测、气囊加载法等，这些检测方法主要都是在实验室里通过对金属屋面系统模型进行气压加载来模拟静或动风荷载以检测系统及各部分构件的极限承载力和正常使用承载力。然而，气囊加载法只有与气囊薄膜接触的金属板受到力的作用因而无法模拟整个金属屋面受风荷载的情况，且气囊加载试验中容易出现金属屋面系统模型达不到最大变形或极限承载力，另外气囊加载法忽略了金属屋面系统模型气密性对结构性能的影响，使得测试的抗风极限承载力偏大。静压箱法检测通过静态风荷载试验检测试件的变形、极限承载能力和连接能力，通过动态风荷载试验分析金属围护系统的疲劳特性，评定系统的正常使用承载力。但是静压箱法检测不能模拟实际风场的湍流特征，更不能体现屋面处发生流动分离而导致风致破坏的机理，因此静压箱法检测虽可一定程度上测试金属屋面系统模型的抗风压性能，但是无法真实的反应金属屋面系统模型的抗风掀性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，该风洞测试系统能够模拟实际使用环境，准确获取金属屋面的抗风压性能和抗风掀性能的相关数据，从而有利于对金属屋面进行抗风性能分析。

本发明的另一目的在于提供一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试方法，该方法不仅能够准确测试金属屋面系统各组成构件的抗风压性能，还能准确检测金属屋面系统的抗风掀性能，使用范围广。

本发明提供的一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，包括风洞试验段，所述风洞试验段的内部沿风的流动方向依次设有用于模拟风剖面的挡风尖塔、用于模拟地表粗糙度的粗糙元、用于风速测试的毕托管、转盘，其特征在于，所述风洞试验段的内部还包括金属屋面系统模型、支承架和多个检测元器件，所述金属屋面系统模型设置在所述支承架上，所述支承架设置在所述转盘上，所述多个检测元器件设置在金属屋面系统模型的各测点处且与外部的控制终端通过有线或无线通信连接。

进一步地，所述检测元器件包括加速度传感器和应变片。

进一步地，所述金属屋面系统模型包括金属屋面板、紧固件、防水透气层、支撑构件、承重板和龙骨，所述金属屋面板通过紧固件固定在防水透气层上，所述防水透气层通过支撑构件设置在承重板上，所述承重板设置在龙骨上，所述龙骨设置在支承架上。

进一步地，所述金属屋面系统模型还包括保温隔热或隔声层和防风夹具，所述保温隔热或隔声层设置在承重板的下部，所述防风夹具设置在紧固件的上端部。

进一步地，所述金属屋面系统模型的测点包括金属屋面板的跨中处、紧固件端部、支撑构件端部和跨中处，支撑构件与防水透气层的交接处、支撑构件与承重板连接的植钉处、龙骨的跨中处、龙骨与支承架的连接处和防风夹具的两端部。

进一步地，所述尖塔包括多组可调节倾角的挡风板，所述挡风板为竖向设置的两块可绕中间轴转动的直角三角形板。

进一步地，所述金属屋面系统模型的各部分构件的材质与所测建筑物相同。

进一步地，所述金属屋面系统模型具有的设计倾角与所测建筑物相同。

进一步地，所述支承架的四角处设有用于承托龙骨的支撑脚，支撑脚竖直向上，支承架两侧的支撑脚的长度不同，所述金属屋面系统模型的倾角通过调整支撑脚的不同长度来实现。

进一步地，所述转盘为风洞试验段地板的可旋转部分，转盘的径向尺寸大于所述支承架的径向尺寸，所述支承架通过螺栓固定在所述转盘上。

本发明提供的金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统的风洞测试方法，用于模拟和测试实际风场下的金属屋面系统的抗风性能，包括以下步骤：

(1)通过风洞试验检测金属屋面系统模型的各构件在设计风速下的连接性能；

(2)对金属屋面系统模型进行风洞试验，测试时逐级加载风速直至金属屋面系统模型发生破坏，检测各构件的抗风压性能和抗风掀性能；

(3)在金属屋面系统模型的构件上粘贴应变片和安装加速度传感器，测试金属屋面系统模型各构件在逐级长时间加载的设计风速下的应变情况和振动响应情况，分析金属屋面系统模型的正常使用承载力和耐疲劳特性；

(4)评价金属屋面系统模型的抗风性能。

与现有技术相比，本发明技术具有以下优点：

(1)本发明模拟了实际风场，考虑了风的湍流特征，考虑了金属屋面板的实际倾角，能够真实的反映金属屋面系统各部分构件的受力情况，通过检测元器件准确获取金属屋面系统的抗风压性能和抗风掀性能的相关数据，从而有利于对金属屋面系统进行抗风性能分析；

(2)本发明能够再现金属屋面系统在各级风速下的动力响应和变形情况，为金属屋面系统抗风性能的分析提供便利；

(3)本发明不仅能够准确测试金属屋面系统各组成构件的抗风压性能，还能准确检测金属屋面系统的抗风掀性能，使用范围广。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统的结构示意图；

图2为本发明的金属屋面系统模型支承在支承架上的结构示意图；

图3为本发明的金属屋面系统模型的测点布置局部示意图一；

图4为本发明的金属屋面系统模型的测点布置局部示意图二。

附图上的标记：1-风洞试验段、2-检测元器件、2a-加速度传感器、2b-应变片、3-挡风尖塔、4-粗糙元、5-毕托管、6-转盘、7-支承架、8-金属屋面系统模型、8a-金属屋面板、8b-支撑构件、8c-防水透气层、8d-龙骨、8e-承重板、8f-防风夹具、8g-紧固件，8h-保温隔热或隔声层。

具体实施方式

参见图1至图4，本实施例的一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，该风洞测试系统包括风洞试验段1、多个检测元器件2、支承架7和金属屋面系统模型8，风洞试验段1的内部沿风的流动方向依次设有挡风尖塔3、粗糙元4、毕托管5和转盘6；支承架7通过螺栓固定在转盘6上，金属屋面系统模型8支承在该支承架7上，转盘6的径向尺寸大于支承架7的径向尺寸，通过转盘6带动支承架7转动，从而调节金属屋面系统模型8的风向角以测得金属屋面系统模型在不同风向角下的风场特性；挡风尖塔3包括多组可调节倾角的挡风板，每组挡风板包括两块直角三角形板，两直角三角形板竖向设置且可相对转动，通过转动直角三角形板能够改变其迎风面积，从而模拟出风剖面；支承架7安装在风洞试验段1的转盘上；而金属屋面系统模型8包括金属屋面板8a、紧固件8g、防水透气层8c、支撑构件8b、承重板8e和龙骨8d，金属屋面板8a通过紧固件固定在防水透气层8c上，防水透气层8c通过支撑构件8b设置在承重板8e上，承重板8e设置在龙骨8d上，龙骨8d设置在支承架8e上，承重板8e的下部设有保温隔热或隔声层8h，紧固件8g的上端部设有防风夹具8f；金属面板系统模型8的各部分构件的材质与所测建筑物相同；在金属屋面板8a的跨中处、紧固件8g端部、支撑构件8b端部和跨中处、支撑构件8b与防水透气层8c的交接处、支撑构件8b与承重板8e连接的植钉处、龙骨8d的跨中处、龙骨8d与支承架7的连接处和防风夹具8f的两端部设为金属屋面系统模型的测点，各测点安装检测元器件2；检测元器件2包括加速度传感器2a和应变片2b，各检测元器件2与外部的控制终端通过数据线通信连接，根据实际需要检测元器件2与控制终端还可以采用无线通信连接；控制终端内置有数据处理程序及数据存储器，控制终端可以为台式电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能手机；毕托管5将测试获得的风速通过数据线传输至控制终端；因此，本实施例中的金属屋面抗风性能的风洞测试系统能够模拟实际使用环境，准确获取金属屋面的抗风压性能和抗风掀性能的相关数据，从而有利于对金属屋面板进行抗风性能分析。

本实施例中的粗糙元4由多个尺寸块体组成，块体通过螺栓固定在风洞试验段1的底板上，根据实际试验需要可以改变各块体的安装位置以及选择不同尺寸规格的块体，风从各块体之间流过，模拟出试验需要的地形风，该粗糙单元4不但能够根据试验需要快速拼装构成需要的地形模型，而且能够重复利用，降低试验成本。

本实施例中的支承架7的四角处设有竖直向上的支撑脚，支承架7两侧的支撑脚的长度不同，金属屋面系统模型8容纳在支承架7内，且金属屋面系统模型8的四角处通过支承架7的支撑脚支承，通过调整支撑脚的长度，使金属屋面系统模型8的设计倾角与所测建筑物相同。

应用本实施例的风洞测试系统进行金属屋面系统模型抗风性能检测的方法如下：

(1)系统连接性能检测

试验对象为直立锁边式金属屋面系统模型，首先检测金属屋面系统模型连接件的抗风性能，准备相应试件；测试时逐渐将风速加至设计风速，观察连接件是否出现变形或破坏，判断连接件的抗风性能是否满足要求；

具体的，试件应包含金属屋面系统模型中的金属屋面板、紧固件及支撑构件，若为多层金属屋面系统模型，则试件应为去掉保温隔热或隔声层之后的金属屋面系统模型；

(2)抗风极限承载力检测

根据所测试金属屋面系统模型的体型系数选择不利单元的屋金属屋面板进行测试，准备相应试件。测试时逐渐将风速加至设计风速，过程中观察试件是否发生破坏或坠落现象，判断金属屋面系统模型是否在设计风速以内达到极限承载力；

具体的，试件应完整的包含金属屋面系统模型中的各部分构件，包括保温隔热或隔声层、遮阳构件、防风夹具等部件；

(3)正常使用承载力检测

在屋金属屋面板、紧固件、支撑龙骨等构件上选取合适位置粘贴应变片和安装加速度传感器，测试金属屋面系统模型各构件在逐级加载风速下的应力应变情况和振动响应情况，分析金属屋面系统模型的正常使用性能和耐疲劳性；

具体的，逐级加载风速是指试验风速按照“30m/s(2min)、40m/s(2min)、50m/s(2min)、60m/s(10min)”依次逐级增加，可根据实际情况做适当调整；

具体的，应变片和加速度传感器的测点主要设置在金属屋面板的跨中、紧固件端部、支撑构件端部和跨中、支撑构件与防水透气层的交接处，支撑构件与承重板连接的植钉处、承重板的端部和跨中等；

(4)抗风性能评价

通过对比金属屋面系统模型发生破坏时的风速与设计风速的大小关系判定系统的抗风承载力，根据破坏顺序确定各部件的抗风压性能和抗风掀性能；通过对比金属屋面系统模型在各级风速下金属屋面系统模型各测点的加速度和应变来判定金属屋面系统模型在各级风速下的正常使用性能和耐疲劳性能。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，包括风洞试验段，所述风洞试验段的内部沿风的流动方向依次设有用于模拟风剖面的挡风尖塔、用于模拟地表粗糙度的粗糙元、用于风速测试的毕托管、转盘，其特征在于，所述风洞试验段的内部还包括金属屋面系统模型、支承架和多个检测元器件，所述金属屋面系统模型设置在所述支承架上，所述支承架设置在所述转盘上，所述多个检测元器件设置在金属屋面系统模型的各测点处且与外部的控制终端通过有线或无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的金属屋面抗风性能的风洞测试系统，其特征在于，所述检测元器件包括加速度传感器和应变片。

3.根据权利要求1所述的金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，其特征在于，所述金属屋面系统模型包括金属屋面板、紧固件、防水透气层、支撑构件、承重板和龙骨，所述金属屋面板通过紧固件固定在防水透气层上，所述防水透气层通过支撑构件设置在承重板上，所述承重板设置在龙骨上，所述龙骨设置在支承架上。

4.根据权利要求3所述的金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，其特征在于，所述金属屋面系统模型还包括保温隔热或隔声层和防风夹具，所述保温隔热或隔声层设置在承重板的下部，所述防风夹具设置在紧固件的上端部。

5.根据权利要求4所述的金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，其特征在于，所述金属屋面系统模型的测点包括金属屋面板的跨中处、紧固件端部、支撑构件端部和跨中处，支撑构件与防水透气层的交接处、支撑构件与承重板连接的植钉处、龙骨的跨中处、龙骨与支承架的连接处和防风夹具的两端部。

6.根据权利要求1所述的金属屋面抗风性能的风洞测试系统，其特征在于，所述尖塔包括多组可调节倾角的挡风板，所述挡风板为竖向设置的两块可绕中间轴转动的直角三角形板。

7.根据权利要求1所述的金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，其特征在于，所述金属屋面系统模型的各部分构件的材质与所测建筑物相同。

8.根据权利要求1所述的金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统，其特征在于，所述金属屋面系统模型具有的设计倾角与所测建筑物相同，所述支承架的四角处设有用于承托龙骨的支撑脚，支撑脚竖直向上，支承架两侧的支撑脚的长度不同，所述金属屋面系统模型的倾角通过调整支撑脚的不同长度来实现。

9.根据权利要求1所述的金属屋面抗风性能的风洞测试系统，其特征在于，所述转盘为风洞试验段地板的可旋转部分，转盘的径向尺寸大于所述支承架的径向尺寸，所述支承架通过螺栓固定在所述转盘上。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的金属屋面抗风性能检测的风洞测试系统的风洞测试方法，包括以下步骤：

(1)通过风洞试验检测金属屋面系统模型的各构件在设计风速下的连接性能；

(2)对金属屋面系统模型进行风洞试验，测试时逐级加载风速直至金属屋面系统模型发生破坏，检测各构件的抗风压性能和抗风掀性能；

(3)在金属屋面系统模型的构件上粘贴应变片和安装加速度传感器，测试金属屋面系统模型各构件在逐级长时间加载的设计风速下的应变情况和振动响应情况，分析金属屋面系统模型的正常使用承载力和耐疲劳特性；

(4)评价金属屋面系统模型的抗风性能。

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