低矮建筑屋面局域风毁所致内压试验与理论研究

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双坡低矮建筑屋面在强风作用下极易发生局部破坏而形成孔洞,建筑内部瞬间增大的内压容易诱导低矮建筑发生次生灾害。基于A、B、C三类地貌风场,对缩尺比为1:40,坡角为18.4°的双坡低矮建筑屋面易损区局部风毁所致内压进行风洞试验。重点研究了屋面局部风毁所致瞬态内压峰值影响因素、脉动内压功率谱、内压相干函数及内外压相干函数和内压导纳函数,分析了各类地貌风场对瞬态内压、稳态内压及屋面净风压极值特性的影响,最后对比了屋面开孔所致内压理论值与试验值。结果表明,屋面不同形状开孔所致瞬态及稳态内压峰值随开孔率增大而增大。角部开孔所致内压过冲比大于背风屋脊开孔。开孔长度的增大削弱了无开孔屋面侧瞬态内压过冲效应。迎风屋面开孔所致瞬态内压峰值远大于背风屋脊开孔引起的瞬态内压峰值。风速对稳态内压峰值影响不大但对瞬态内压峰值影响明显,且瞬态内压峰值随风速线性变化。迎风屋脊开孔所致瞬态内压峰值随风速增大而增大,而背风屋脊开孔所致瞬态内压峰值却随风速增大而减小。屋面角部方形和矩形开孔所致旋涡脱落频率和内压Helmholtz频率均随开孔率的增大而增大。开孔率相同时,孔口形状对旋涡脱落频率影响不大,但矩形开孔所致内压Helmholtz频率大于方形开孔。对建筑内部容积进行2倍扩容时,孔口气流的旋涡脱落和内压的Helmholtz共振将产生耦合作用而增大内压脉动特性。低频范围内,内压相干性较好,迎风屋面开孔所致内压相干性强于背风脊屋开孔,孔口气流旋涡脱落和内压Helmholtz共振均降低了内压相干函数。各地貌条件下背风屋脊开孔所致内压瞬态过冲比均大于迎风角部开孔。瞬态内压过冲比与湍流度呈明显线性递增关系。各类地貌风场中迎风面开孔所致屋面不同区域瞬态内压过冲比差别明显,而背风屋脊开孔所致过冲比分布均匀;各类地貌中,屋面不同位置开孔所致内压分布均匀,内压值随湍流度增大呈增大趋势;背风屋脊开孔所致内压明显大于迎风角部开孔;采用现行建筑荷载规范中的方法估算屋面开孔所致内压将导致估计值严重偏小。开孔屋面的二次破坏易损区主要分布在未开孔侧屋面山墙区域。C类地貌中屋面局域损坏所致净风压极值明显大于其他两类地貌。双坡低矮建筑屋脊区域损坏比屋檐角部破坏更易诱发屋面次生灾害。屋面角部开孔所致平均内压估算结果精度较高;开孔率较小时,试验值与理论值吻合程度更高。内压控制方程易于估算简单形状屋面开孔内压而对复杂形状开孔内压估算困难。内部容积不同时,脉动内压和峰值内压估算精度均高于平均内压估算精度;湍流度对理论内压与试验值吻合程度的影响较小;提高风速有利于提高理论内压估算精度。
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