小型懸挑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì) ——基于不同前緣形狀的風(fēng)壓特性 力學(xué)與

1、小型懸挑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)基于不同前緣形狀的風(fēng)壓特性力學(xué)與工程科學(xué)系 王舒悅 劉炳強(qiáng)指導(dǎo)教師 郭明旻摘要：本文基于現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)小型懸挑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的需求，結(jié)合大型懸挑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的研究成果，提出了在前緣設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，以改良小型懸挑結(jié)構(gòu)頂棚上下表面的壓力分布，進(jìn)而達(dá)到抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。相關(guān)實(shí)驗(yàn)、模擬計(jì)算結(jié)果及分析指出，小型懸挑結(jié)構(gòu)的前緣中波浪形的相較壓力分布良好，上表面經(jīng)開槽處理后，其壓力分布情況也有所改善。文中同時(shí)展現(xiàn)比較了各種前緣動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣。關(guān)鍵詞：小型懸挑 前緣 風(fēng)壓特性。Abstract: This paper aims to improve the frontal shape of ove

2、rhanging canopy widely used in residential building as a protector from rain drops. It sets its researching method as to reduce the lifting force(by nature the variation of pressure from below and above the canopy) as much as possible. The paper provides three principles to be used in geometric desi

3、gn of small canopy by experiment outcome and theoretical calculations.Keywords: canopy ,wind pressure, frontal shape.1.引言現(xiàn)實(shí)生活中存在許多懸挑型結(jié)構(gòu)，如大型體育場(chǎng)看臺(tái)上方的挑篷、火車站的站臺(tái)雨篷以及生活中常見的雨篷等。這些懸挑型結(jié)構(gòu)屬于抗風(fēng)敏感的結(jié)構(gòu)，所以在強(qiáng)風(fēng)季節(jié)及多發(fā)臺(tái)風(fēng)的地區(qū)都較易受到所受升力產(chǎn)生的破壞。到目前為止，國(guó)內(nèi)及國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的這類結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬研究。如：Killen和Letchford兩位學(xué)者研究了懸挑屋蓋的基本集合參數(shù)、通氣孔的位

4、置等因素對(duì)于頂棚風(fēng)壓的影響，發(fā)現(xiàn)頂棚傾角及懸挑長(zhǎng)度與頂棚高度之比的變化不會(huì)明顯改變作用在頂棚上的荷載極值 G.P.Killen , C.W.Letchford, A parametric study of wind loads on grandstand roofs. Eng.Struct.2001,24.。孫瑛發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)流至頂棚前緣時(shí)，部分風(fēng)向上流動(dòng)，形成漩渦，空氣粘性效應(yīng)使屋蓋上表面的風(fēng)流動(dòng)方向與來流方向相反，伴有小的漩渦，在頂棚前緣上方的漩渦最大，在頂棚上表面形成負(fù)壓區(qū)，且在屋蓋前緣的風(fēng)速和風(fēng)壓最大，朝屋蓋后緣延伸的風(fēng)速和風(fēng)壓逐步減小 孫瑛，武岳，沈世釗.體育場(chǎng)看臺(tái)挑篷結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷特性及

5、抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究.2005-10-26。上述研究均未將頂棚前緣的形狀可能對(duì)來流分離產(chǎn)生的影響列入考慮范圍，同時(shí)目前針對(duì)前緣設(shè)計(jì)的研究亦較為少見。因本文的主要研究對(duì)象為小型懸挑結(jié)構(gòu)，在生活常見的設(shè)施為自行車雨棚、汽車站臺(tái)頂棚等。這些設(shè)施的尺寸規(guī)模均不大，且對(duì)其前緣的設(shè)計(jì)及改裝、改造較為便利且易于施行，所以我們將研究方向放在對(duì)前緣的設(shè)計(jì)上。本文考慮頂棚前緣的幾種設(shè)計(jì)，如波浪型、鋸齒型和前緣開槽型，在確定風(fēng)向、頂棚坡度的情況下，借助風(fēng)洞試驗(yàn)，得出其上下表面壓力分布較之未經(jīng)前緣處理的頂棚獲得何種程度的優(yōu)化。本研究的主要應(yīng)用方向?yàn)閷?duì)公共民用設(shè)施中頂棚的改良，以提高其抗風(fēng)能力以及安全系數(shù)、延長(zhǎng)使用壽命。2.模

6、型與實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑筒捎蒙钪谐Ｒ姷挠昱?，基本形式包括頂棚、兩?cè)支架、與棚體所倚靠的墻體。其尺寸比例參照生活中雨棚的常見尺寸與施工標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參照W.H.Melbourne，G.P.Killen與C.W.Letchford的研究結(jié)果，即頂棚傾角及懸挑長(zhǎng)度與頂棚高度之比的變化不會(huì)明顯改變作用在頂棚上的荷載極值 W.H.Melbourne,J.C.K.Cheung.Reducing the wind loading on large cantilevered roofs , J.Wind Eng.Ind.Aerodyn. 1988,(28); G.P.Killen,C.W.Letchford.

7、A parametric study of wind loads on grandstand roofs. Eng.Struct.2001,24.。頂棚長(zhǎng)寬比為50：17，墻體長(zhǎng)高比為50：27，頂棚所在平面與地面夾角為5。圖1 雨棚模型三維效果圖實(shí)驗(yàn)使用風(fēng)洞為FD-4大氣邊界層風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗(yàn)段橫截面大小為2.7m2，模型有效面積為135000mm2 。由此確定模型相應(yīng)尺寸為：頂棚（長(zhǎng)寬厚）5001702（mm），墻體（長(zhǎng)高）500270（mm），模型安裝在500500(mm)的底板上。對(duì)頂棚的前緣設(shè)計(jì)分別為波浪型、鋸齒型、前緣開槽型，對(duì)照組為不經(jīng)前緣處理的平直前緣頂棚。因模型正對(duì)來流且模型本

8、身為軸對(duì)稱，在布測(cè)壓點(diǎn)時(shí)只需將測(cè)壓點(diǎn)分布在對(duì)稱軸的一側(cè)，主要測(cè)量前緣處的壓力分布。本實(shí)驗(yàn)側(cè)重定性分析以上三種前緣設(shè)計(jì)對(duì)壓力分布的影響，而非研究每一種前緣設(shè)計(jì)中的一些特征值（如齒數(shù)，波浪數(shù)，槽線數(shù)，波浪深度等）對(duì)壓力分布的影響。圖2 平直前緣頂棚及測(cè)壓孔示意圖平直前緣頂棚作為對(duì)照組，在其對(duì)稱軸的一側(cè)布有六個(gè)測(cè)壓孔，分別編號(hào)16號(hào)，其余三種前緣設(shè)計(jì)方案中，測(cè)壓孔的位置完全一樣。圖3 波浪型前緣頂棚及測(cè)壓孔示意圖波浪型前緣每一完整波形的波長(zhǎng)為40mm，波幅4.75mm。圖4 鋸齒型前緣頂棚及測(cè)壓孔示意圖鋸齒型前緣每一個(gè)完整齒形為邊長(zhǎng)20mm的等邊三角形。圖5 前緣開槽型頂棚及測(cè)壓孔示意圖前緣開槽型頂

9、棚模型從前緣起在上表面以1mm的間距刻有10條槽線，槽線深度0.5mm。DH3840程控應(yīng)變放大器壓力傳感器待測(cè)模型傳壓管道計(jì)算機(jī)收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理AD卡圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集流程圖分別測(cè)量每一種頂棚的上下表面壓力變化，實(shí)驗(yàn)中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速為9.7m/s。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為兩個(gè)部分，即分別對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)均分析和動(dòng)態(tài)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為各頂棚每個(gè)測(cè)壓孔處的上下表面壓力經(jīng)壓力傳感器、應(yīng)變放大器、AD卡轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定后將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力值。其中6號(hào)孔由于所處的流場(chǎng)靠近支架而涉及了很多與實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟幌嚓P(guān)的因素，所得數(shù)據(jù)中難以分析得出可靠結(jié)論，故未列入分析行列。3.1時(shí)

10、均結(jié)果對(duì)各測(cè)壓孔所獲得壓力值進(jìn)行無量綱處理，獲得壓力系數(shù)Cp。Cp=p-p12v2其中p為模型位置的當(dāng)?shù)仂o壓，為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的大氣密度，v 為實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速。表一 各頂棚上表面壓力系數(shù)測(cè)壓孔編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)平直前緣-0.66 -0.62 -0.65 -0.66 -0.57 波浪型-0.04 0.00 -0.13 -0.28 -0.13 鋸齒型-0.83 -0.72 -1.06 -1.02 -0.82 前緣開槽型-0.67 -0.63 -0.70 -0.75 -0.67 表一中鋸齒前緣頂棚模型上3、4號(hào)測(cè)壓孔處的上表面壓力系數(shù)大于1，這是不正確的數(shù)值，但是這兩點(diǎn)受到的吸力的確很大，所以在壓力矢

11、量圖中近似記為1 。表二 各頂棚下表面壓力系數(shù)測(cè)壓孔編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)平直前緣0.19 0.15 0.26 0.29 0.39 波浪型0.39 0.39 0.28 0.39 0.42 鋸齒型0.35 0.45 0.46 0.39 0.46 前緣開槽型0.31 0.35 0.08 0.09 0.29 經(jīng)矢量圖能更為直觀的表現(xiàn)出個(gè)測(cè)壓孔處所受壓力的情況。圖7 頂棚上表面壓力矢量圖從頂棚上表面壓力矢量圖中，可以明顯看出波浪型前緣設(shè)計(jì)對(duì)上表面吸力的減小作用。圖8 頂棚下表面壓力矢量圖下表面壓力矢量圖結(jié)合相應(yīng)表格克分析得，相比于平直前緣的情況，除了前緣開槽設(shè)計(jì)的3、4號(hào)測(cè)壓孔處壓力有所減小，其余情

12、況下表面壓力均出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。如果將平直前緣頂棚表面所得到的壓力系數(shù)作為基準(zhǔn)，其余情況的壓力系數(shù)與之作比值。將這一運(yùn)算的結(jié)果定義為“相對(duì)壓力系數(shù)”。表3 頂棚上表面相對(duì)壓力系數(shù)測(cè)壓孔編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)波浪型0.06 -0.01 0.20 0.43 0.23 鋸齒型1.25 1.15 1.62 1.55 1.44 前緣開槽型1.01 1.01 1.06 1.14 1.19 表4 頂棚下表面相對(duì)壓力系數(shù)測(cè)壓孔編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)波浪型2.04 2.63 1.10 1.34 1.08 鋸齒型1.83 3.00 1.78 1.34 1.18 前緣開槽型1.64 2.31 0.31 0.32

13、0.74 分析：1、在平直前緣的情況下，主要風(fēng)載荷效果為上表面的負(fù)壓對(duì)頂棚有著極大的吸力，下表面所受的向上的壓力相對(duì)上方吸力來說不起主要的效果。2、波浪型前緣的頂棚在上表面前緣處的壓力得到明顯的減弱，下表面所受的壓力雖然比起平直前緣的情況有所提升，但是整體所受到的升力被減弱了。而鋸齒型前緣頂棚不僅上表面壓力系數(shù)未見減小，下表面壓力系數(shù)也有增大。由此可發(fā)現(xiàn)鋸齒型前緣對(duì)減小頂棚前緣壓力幾乎沒有優(yōu)化效果，反而使得其所受升力增大。3、前緣處上表面開槽后，上表面所受壓力并無明顯變化，下表面有微小增大，整體來說并沒有改善頂棚前緣處所受風(fēng)載荷情況。借助FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行分析。選取對(duì)象為平

14、直前緣頂棚與前緣開槽型頂棚。圖9 平直前緣頂棚壓力分布圖圖10 前緣開槽型頂棚壓力分布圖對(duì)數(shù)值模擬獲得的兩圖進(jìn)行比較，可以看到前緣開槽頂棚表面的壓力分布與平直前緣的情況下相比得到了明顯的改善。平直前緣頂棚的上表面近前端存在很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)域，而在前緣開槽頂棚表面該區(qū)域不再存在與上表面，而是“漂浮”到了上表面空中的某一位置，這也與預(yù)期的設(shè)想相符合。在棚板的兩端盡頭的測(cè)孔的壓力數(shù)據(jù)較出乎意料，這也許和模型下表面受模型兩邊的支架影響了的流場(chǎng)有關(guān)。在生產(chǎn)實(shí)踐中這些測(cè)孔所在點(diǎn)都是處于安裝雨篷的固定點(diǎn)，對(duì)棚板的破壞的作用的因素不大。3.2動(dòng)態(tài)結(jié)果通過對(duì)各組壓力系數(shù)的最大、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，比較3種前緣設(shè)

15、計(jì)方案在抗風(fēng)效果上的優(yōu)劣。表5 壓力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)平直前緣上表面0.03 0.03 0.00 0.00 0.01 下表面0.08 0.05 0.03 0.03 0.02 波浪型上表面0.02 0.01 0.03 0.04 0.04 下表面0.03 0.03 0.03 0.02 0.01 鋸齒型上表面0.12 0.06 0.04 0.04 0.04 下表面0.03 0.03 0.01 0.01 0.00 前緣開槽上表面0.04 0.04 0.01 0.01 0.01 下表面0.03 0.05 0.01 0.02 0.01 從標(biāo)準(zhǔn)差的角度分析，難以發(fā)現(xiàn)明顯的差異。壓力變化趨于穩(wěn)

16、定，整體壓力值未見到明顯波動(dòng)。同時(shí)，對(duì)比各情況下的壓力系數(shù)最大，最小值。表6 頂棚上表面壓力系數(shù)最值編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)平直前緣最大值-0.63 -0.58 -0.65 -0.64 -0.55 最小值-0.74 -0.69 -0.66 -0.67 -0.58 波浪型最大值-0.01 0.03 -0.08 -0.21 -0.07 最小值-0.08 -0.03 -0.18 -0.35 -0.19 鋸齒型最大值-0.68 -0.62 -0.98 -0.95 -0.75 最小值-1.06 -0.86 -1.13 -1.10 -0.87 前緣開槽最大值-0.57 -0.54 -0.68 -0.73

17、-0.66 最小值-0.73 -0.68 -0.71 -0.76 -0.68 表7 頂棚下表面壓力系數(shù)最值編號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)平直前緣最大值0.34 0.24 0.31 0.330.42最小值 0.03 0.07 0.20 0.240.34波浪型最大值0.43 0.45 0.33 0.420.43最小值 0.33 0.34 0.23 0.350.40鋸齒型最大值0.41 0.52 0.47 0.400.47最小值 0.29 0.40 0.45 0.370.45前緣開槽最大值0.35 0.40 0.10 0.130.31最小值 0.26 0.20 0.07 0.070.27 從頂棚上下表面壓

18、力系數(shù)最值表格中，可以看出具有波浪型前緣的頂棚上表面的壓力有明顯的減小，而鋸齒型前緣和開槽型前緣沒有明顯的減壓效果；從下表面的數(shù)據(jù)對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，各種前緣設(shè)計(jì)均對(duì)壓力有微小的增幅。從總體上分析，可以看出波浪型千元具有優(yōu)秀的抗風(fēng)減小升力的效果。4.結(jié)果和展望本項(xiàng)目基于現(xiàn)有懸挑型結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究的文獻(xiàn)，找到了對(duì)小型懸挑結(jié)構(gòu)前緣的的研究進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)的研究方向，做了實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先在時(shí)均分析的角度說明了波浪形前緣的棚板在壓力分布上要優(yōu)于無任何改進(jìn)的平直前緣棚板，同時(shí)發(fā)現(xiàn)若對(duì)棚板的上表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_槽處理，實(shí)驗(yàn)和理論模擬都發(fā)現(xiàn)這一改進(jìn)有助優(yōu)化壓力分布；又從動(dòng)態(tài)分析的角度展現(xiàn)比較了各種類型的棚板在脈動(dòng)特性上的優(yōu)劣。本項(xiàng)目的結(jié)果也有引人思考的部分。究竟是什么機(jī)理導(dǎo)致靠近棚板兩端的測(cè)孔產(chǎn)生不和別的測(cè)孔相似的壓力性質(zhì)？囿于各種條件限制，本項(xiàng)目未能對(duì)此進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，但推測(cè)可以通過流場(chǎng)顯示進(jìn)行定性或者定量的分析。參考文獻(xiàn)1 G.P.Killen,C.W.Letchford.A parametric study of wind loads on grandstand roofs. Eng.Struct.2001,24:725-735.2 G.P.Killen,C.W.Letchford.Equivalent static wind loads for canti