肖 艷

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

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大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致雪飄移研究方法以及防治措施

肖 艷

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

介紹了大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致雪飄移問(wèn)題原理與危害性，并簡(jiǎn)述了CFD及FAE方法在計(jì)算風(fēng)致屋蓋表面積雪分布系數(shù)中的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用，通過(guò)分析結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)范的對(duì)比，找出現(xiàn)有規(guī)范不足之處，給出了合適的調(diào)整范圍，以更好的預(yù)測(cè)風(fēng)致屋蓋積雪分布系數(shù)，減少建筑倒塌破壞。

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)，CFD，F(xiàn)AE，積雪分布系數(shù)

2008年1月份我國(guó)南方地區(qū)遭遇了50年以來(lái)罕見(jiàn)的大雪災(zāi)害，屋面的積雪荷載大大超出我國(guó)GB 50009—2001建筑荷載規(guī)范規(guī)定了50年一遇基本雪壓荷載限值，造成了南方地區(qū)大量的大跨輕質(zhì)廠房倒塌，產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果[1]。國(guó)外也常常有大跨屋蓋結(jié)構(gòu)因?yàn)檠?zāi)發(fā)生損害的案例發(fā)生，2004年2月16日，莫斯科附近一水上樂(lè)園玻璃屋頂被積雪壓塌，造成人員傷亡。

目前我國(guó)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的雪荷載研究還不夠完善，大跨屋蓋結(jié)構(gòu)因風(fēng)致雪飄移產(chǎn)生的不均勻雪荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，由于雪荷載發(fā)生的周期長(zhǎng)，實(shí)測(cè)研究比較困難，目前隨著計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，數(shù)值模擬成為了有效的研究手段[2]。

本文主要通過(guò)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致雪飄移問(wèn)題原理的介紹，采用數(shù)值模擬(CFD)的手段結(jié)合FAE方法對(duì)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)表面的積雪分布系數(shù)展開(kāi)研究討論。

1 風(fēng)致雪飄移理論基礎(chǔ)

風(fēng)致雪飄移是利用有限面積法通過(guò)把屋面劃分為若干個(gè)有限面積區(qū)域，通過(guò)試驗(yàn)得到的一系列風(fēng)速方向和大小可以通過(guò)插值得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的平均風(fēng)速大小與方向。用來(lái)計(jì)算屋面每個(gè)小時(shí)由于雪的侵蝕、沉積、吸收雨水、雪的融化而形成的積雪，利用歷史氣象數(shù)據(jù)通過(guò)每間隔1 h的計(jì)算來(lái)模擬整個(gè)冬天的積雪情況。圖1展示了一個(gè)典型的有限元單元。如果雪處于侵蝕狀態(tài)且順風(fēng)向單元有充足的雪供應(yīng)，則雪流量存在被稱為在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)潛在的雪流量，用qi,j表示[3]。

在網(wǎng)格點(diǎn)(i,j)雪流量在x,y方向的大小分別為：

(1)

約定流入網(wǎng)格單元的雪流量為正,流出的為負(fù)，則垂直于四個(gè)單元邊界的平均質(zhì)量流量q1,q2,q3和q4分別為：

(2)

在一個(gè)單元中單位時(shí)間的雪流量改變量為：

dm=(q1l1+q2l2+q3l3+q4l4)dt+Mfall+Mrain-Mmelt

(3)

l1～l4為面積單元的四個(gè)邊長(zhǎng)，本文中只考慮風(fēng)致雪飄移，因此公式可以簡(jiǎn)化為：

dm=(q1l1+q2l2+q3l3+q4l4)

(4)

采用Beyers的侵蝕沉積模型得到:

(5)

(6)

式中：qero,qdep——單位時(shí)間內(nèi)單位壁面面積上發(fā)生侵蝕進(jìn)入流域或沉積下來(lái)的雪的質(zhì)量，侵蝕為負(fù)，沉積為正；

A——常數(shù)，取A=7.0×10-4；

u*——摩擦速度，取u*=0.15m/s；

wf——雪顆粒下落的速度，本文中取wf=0.5m/s。

入流面的雪質(zhì)量濃度空間分布按躍移層和懸移層采用不同的經(jīng)驗(yàn)公式[4]，其中躍移層采用公式為:

(7)

懸移層入流面的雪質(zhì)量濃度空間分布采用的公式為：

(8)

2 數(shù)值模擬在風(fēng)致雪飄移研究中的應(yīng)用

在工程領(lǐng)域已經(jīng)有兩個(gè)研究雪荷載的方法，分別是UWO質(zhì)量平衡方法和RWDI的FAE方法，這兩個(gè)方法都存在一些不足之處，這兩種方法都不能考慮屋面已有的積雪和屋面上已堆積的飄移。兩者相當(dāng)于只是簡(jiǎn)單的線性疊加，將雪荷載假設(shè)為單次降雪和雪飄移事件[6]。

而雪堆積狀態(tài)會(huì)影響屋頂表面的形態(tài)，從而影響屋頂表面的流場(chǎng)改變屋面的局部風(fēng)速。RWDI的有限元面FAE方法被應(yīng)用到工程實(shí)際中，基于氣象資料，利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量屋面1 m高度上16方向角的風(fēng)速分布和雪通量—風(fēng)速經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算屋面的雪飄率。通過(guò)FAE方法能夠預(yù)測(cè)屋頂表面的積雪分布，判斷積雪嚴(yán)重的區(qū)域計(jì)算雪荷載。FAE方法在應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)還存在著很多不足之處，因而利用有效的數(shù)值模擬方法，完善FAE方法，使該方法更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)屋頂表面的積雪分布，得到準(zhǔn)確的屋面雪荷載，在對(duì)實(shí)際大跨屋面雪荷載取值計(jì)算時(shí)可靠度更高[7]。

利用數(shù)值模擬進(jìn)行雪荷載問(wèn)題研究時(shí)，通過(guò)建立各種大跨屋面模型，基于k-ε模型或者目前流行的大渦模擬，建立初始邊界條件，采用兩相流模擬風(fēng)致漂移問(wèn)題，數(shù)值模擬的方法建立準(zhǔn)確的風(fēng)場(chǎng)能夠得到大跨屋面不同工況下我們所需要的各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速分布情況[8]。

3 雪荷載研究在實(shí)際工程中的應(yīng)用

屋頂表面的積雪荷載分布主要由積雪密度和積雪飄移的速度兩個(gè)關(guān)鍵因素影響，我國(guó)建筑荷載規(guī)范中并沒(méi)有明確給出地區(qū)的積雪密度，而屋頂表面的風(fēng)速值又難以得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因而這兩個(gè)問(wèn)題在應(yīng)用到工程實(shí)際往往不夠準(zhǔn)確，在大跨屋面荷載計(jì)算時(shí)可能會(huì)偏向于保守，導(dǎo)致浪費(fèi)材料，成本增加。

因?yàn)樵谘┖奢d引發(fā)的安全問(wèn)題實(shí)際工程案例中，除了大跨屋蓋之外，還有許多低矮房屋在設(shè)計(jì)初期也往往會(huì)忽略雪荷載而導(dǎo)致坍塌。雪荷載的研究在實(shí)際工程中就顯得尤為重要，我國(guó)現(xiàn)行的建筑荷載規(guī)范中對(duì)于屋面水平投影上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了如下計(jì)算：

sk=μrs0

(9)

其中，sk,μr,s0分別為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，屋面積雪分布系數(shù)和基本雪壓。從式(9)可以看出對(duì)于實(shí)際工程的雪荷載而言，影響是多方面因素綜合作用的結(jié)果。目前的研究還不夠廣泛，諸多問(wèn)題的存在是解決實(shí)際工程問(wèn)題的瓶頸。結(jié)合多方面的試驗(yàn)，對(duì)于大跨屋蓋結(jié)構(gòu)可以建立多組不同跨度的模型分析屋蓋表面的雪荷載分布規(guī)律，對(duì)大跨屋蓋進(jìn)行一系列規(guī)律性的研究，此外低矮房屋不同坡度不同女兒墻設(shè)置，將屋面進(jìn)行分類研究，在應(yīng)用到實(shí)際工程中時(shí)，可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律對(duì)某一類別的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，增加結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高效率，避免不必要的錯(cuò)誤。

4 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)際案例中發(fā)現(xiàn)我國(guó)建筑荷載規(guī)范中關(guān)于雪荷載的規(guī)定不夠準(zhǔn)確，還需要進(jìn)一步的結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)研究的方法對(duì)雪飄移理論，通量—風(fēng)速分布的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，使之更加有效的應(yīng)用于工程實(shí)踐。本文通過(guò)對(duì)雪飄移理論的介紹，從數(shù)值模擬在雪荷載研究中的應(yīng)用論述中得出以下結(jié)論：

1)由于雪荷載發(fā)生周期較長(zhǎng)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集比較困難，可以利用相似理論建立縮尺模型，在模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行大跨屋蓋風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量屋蓋表面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速結(jié)合數(shù)值模擬，應(yīng)用FAE方法對(duì)屋蓋表面的積雪分布進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，能夠有效彌補(bǔ)實(shí)測(cè)的劣勢(shì)，是雪荷載分布研究的趨勢(shì)。

2)針對(duì)不同的屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，對(duì)影響大跨結(jié)構(gòu)以及低矮房屋雪荷載分布的一系列參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究和數(shù)值模擬分析，增加工程實(shí)際的應(yīng)用性。

[1] 周晅毅，顧 明.大跨屋蓋表面風(fēng)致雪壓分布規(guī)律的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,29(20):7-12.

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[5] 李 躍.大跨空間結(jié)構(gòu)屋面雪荷載研究[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

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Research method and prevention measures of wind-induced snow drift in large-span roof

Xiao Yan

(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

In this paper the principle and harm of wind-induced snow drift in structure of large-span be narrated, and briefly introduces the research status and application of CFD and FAE method in the calculation of the snow distribution coefficient in the roof surface deduced by wind. According to analysis results compared with the existing norms, find out the deficiency in existing specifications, give an appropriate adjustment range. In order to better predict the snow distribution coefficient in roof because of wind-induced snow drift, reducing the damage.

large-span roof structure, CFD, FAE, snow distribution coefficient

1009-6825(2017)06-0055-02

2016-12-11

肖 艷(1990- )，女，在讀碩士

TU312

A