大跨馬鞍屋蓋脈動風(fēng)壓譜特性

孫虎躍，葉繼紅

(混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室(東南大學(xué)),南京 210018)

大跨馬鞍屋蓋脈動風(fēng)壓譜特性

孫虎躍，葉繼紅

(混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室(東南大學(xué)),南京 210018)

為研究譜能量與旋渦運動或湍流尺度之間的演變關(guān)系，基于風(fēng)洞測壓試驗，分析了來流垂直于馬鞍體迎風(fēng)墻面時不同矢跨比和不同迎風(fēng)面高度下的屋面風(fēng)壓分布特性，以迎風(fēng)低點、迎風(fēng)中點和迎風(fēng)高點3個關(guān)鍵測點為研究對象，揭示了在旋渦作用下的脈動風(fēng)壓功率譜特性.分析表明：風(fēng)吸力最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)低點附近，且風(fēng)壓變化梯度大；矢跨比對屋面風(fēng)壓的影響主要表現(xiàn)在屋蓋后方三分之二區(qū)域，且曲率越大風(fēng)吸力越大；迎風(fēng)面高度越高其風(fēng)吸力越大，在迎風(fēng)低點附近其風(fēng)吸力變化幅度達到最大；馬鞍迎風(fēng)高點和中點處測點風(fēng)壓譜表現(xiàn)為窄頻分布，前緣以低頻為主控，后緣高頻段能量顯著高于前緣，而迎風(fēng)低點處前緣為寬頻分布且隨來流向后發(fā)展高頻能量逐漸增大.

鞍形屋蓋；測壓試驗；風(fēng)壓譜；旋渦；風(fēng)吸力

風(fēng)是由大氣相對運動形成的自然現(xiàn)象，大部分建筑物均處于大氣邊界層中，在靠近地表附近，風(fēng)受到建筑物的影響而導(dǎo)致湍流度高且風(fēng)速梯度大，再加上屋蓋結(jié)構(gòu)造型的多變，繞流和空氣動力學(xué)作用相當(dāng)復(fù)雜.當(dāng)來流到達屋蓋的迎風(fēng)前緣處，邊界層將發(fā)生流動分離，進而在屋蓋表面上方出現(xiàn)各種尺度的旋渦，而隨著來流速度大小及風(fēng)向變化等各種因素的影響，旋渦的位置及其形狀大小均處于不斷變化當(dāng)中，隨之導(dǎo)致屋面的風(fēng)壓也在發(fā)生脈動作用.旋渦誘導(dǎo)的風(fēng)壓脈動將引起屋蓋的疲勞破壞，在巨大的風(fēng)吸力作用下導(dǎo)致屋蓋局部區(qū)域被掀翻.大跨屋蓋的破壞都是始于迎風(fēng)前緣附近及拐角區(qū)域，大跨屋蓋抗風(fēng)設(shè)計的安全與否很大程度上取決于這些關(guān)鍵部位的處理.

國內(nèi)外學(xué)者對旋渦作用下的風(fēng)壓脈動特性開展了一系列研究.Mostafa等[1]對大跨平屋蓋表面的風(fēng)壓譜進行了研究，指出在屋蓋的迎風(fēng)前緣處測點是以低頻為主，隨著來流往下游流動，小尺度旋渦的逐漸增多，頻譜峰值不斷減小且分散于各個頻段內(nèi).Kasperski等[2]研究了在最不利風(fēng)向下低矮房屋迎風(fēng)墻面、迎風(fēng)屋面、下風(fēng)屋面及背風(fēng)墻面的風(fēng)壓譜，給出了其各自的譜形狀，但未給出具體的風(fēng)壓譜公式.Chen等[3]研究了雙坡屋蓋表面測點的風(fēng)壓譜，將其分為三類，第一類譜為標(biāo)準(zhǔn)的寬帶譜；第二類譜有兩個譜峰，分別出現(xiàn)在低頻段和高頻段；第三類譜只在中頻段出現(xiàn)一個譜峰，之后根據(jù)風(fēng)壓譜特征對屋蓋表面進行了分區(qū).Nakamura等[4]對拱形懸挑屋蓋體育場的風(fēng)荷載進行了分析，指出模型試驗的測點風(fēng)壓功率譜的形狀基本一致，與測點位置的關(guān)系不大.同時指出在高頻段屋蓋上表面的風(fēng)壓能量高于下表面，而在低頻段屋蓋上表面的風(fēng)壓能量低于下表面.Kumar等[5]對不同形狀低矮房屋表面的風(fēng)壓譜形狀進行研究，結(jié)果表明風(fēng)壓譜特性與來流、地貌以及測點所處位置相關(guān).Kiya等[6]對屋蓋表面的分離泡結(jié)構(gòu)進行了研究，指出旋渦結(jié)構(gòu)內(nèi)部不穩(wěn)定，低頻占主導(dǎo)，且分離泡體積在不斷放大和縮小.Lee等[7]對臺階表面的風(fēng)壓脈動進行了譜研究，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)壓脈動最大值位于旋渦的再附點附近.孫瑛等[8-9]，指出屋面風(fēng)壓譜的頻譜成分既有大氣湍流的影響，還存在特征湍流的成分，且主要以特征湍流影響為主.

本次研究目標(biāo)是針對三維曲面馬鞍體結(jié)構(gòu)，以B類地貌為載體，利用風(fēng)洞測壓試驗分析了不同矢跨比和不同迎風(fēng)面高度下屋蓋表面的風(fēng)壓分布特征，重點研究了馬鞍屋面風(fēng)壓脈動的頻譜特性.通過脈動風(fēng)壓譜揭示了馬鞍屋蓋迎風(fēng)前緣的旋渦運動、湍流尺度對于風(fēng)壓分布的影響，建立了譜能量與湍流尺度之間的聯(lián)系.

1 馬鞍屋蓋測壓方案

1.1 試驗概況及模型

本次鞍形模型風(fēng)洞測壓試驗是在湖南大學(xué)HD-2大氣邊界層風(fēng)洞的高速試驗段中完成.試驗段的尺寸分別為7 m長、3 m寬、2.5 m高.模型為剛性模型.模型底面邊長為780 mm×780 mm，矢跨比分別為1/6和1/12，兩種矢跨比的馬鞍模型分別有低點高度為104 mm和208 mm.參考點高度處風(fēng)速控制在10 m/s，試驗中每個測點采集6 600個數(shù)據(jù).模擬B類地貌風(fēng)場時，采用被動模擬，在風(fēng)洞試驗段入口處按規(guī)律放置尖塔陣和粗糙元.

考慮到風(fēng)洞試驗段的截面尺寸，將馬鞍屋蓋模型的幾何縮尺比設(shè)為1∶200，阻塞率約為3%.試驗在滿足幾何相似的基礎(chǔ)上，需要同時滿足Strouhal相似.由于本試驗采用剛性材料制作，因此不考慮剛度受重力的影響，即不考慮Froude相似，相似比設(shè)計見表1.

1.2 B類地貌模擬

試驗室風(fēng)場模擬出的B類地貌平均風(fēng)速剖面及湍流度剖面分布見圖1(a)，其中ZG為梯度風(fēng)高度，ub為梯度風(fēng)高度處的風(fēng)速，Iu為湍流度.順風(fēng)向風(fēng)速譜實測值與理論譜曲線對比見圖1(b)，圖中橫坐標(biāo)為折減頻率，即Hf/u，其中H為模型特征高度，f為頻率，u為模型高度處的平均風(fēng)速；縱坐標(biāo)為無量綱化的功率譜值，即fSu(n)/σ2，其中σ2為順風(fēng)向風(fēng)速脈動值的方差.

表1 模型相似比

圖1 B類地貌風(fēng)場模擬

由Nyquist Frequency定理可知，對于任意頻帶受限的信號，用不低于兩倍信號的最高頻率對其采樣，不會丟失信息[10].因此試驗中的采樣頻率應(yīng)不小于兩倍模型的最高頻率值，即300 Hz，測壓信號的采樣頻率為331 Hz，滿足要求.采樣時長一般以保證對應(yīng)于原型值不小于10 min為宜，根據(jù)表1，該采樣時間換算到原型為1 993 s，即33 min，大于規(guī)范規(guī)定的10 min.綜上所述，所測試驗結(jié)果準(zhǔn)確可信.

1.3 測點布置及數(shù)據(jù)處理

由于本文研究的內(nèi)容基于分離泡作用下屋蓋表面的脈動風(fēng)壓效應(yīng)，因此試驗結(jié)果的討論僅限于來流垂直于屋蓋的迎風(fēng)墻面.如圖2所示，馬鞍屋蓋表面共布置336個測點，規(guī)定以壓力向下為正，向上吸力為負.

［2］King LA，Downey GO，Potish RA，et al.Treatment of advanced epithelial ovarian carcinoma in Pregnancy with cisplatin-based chemotherapy.Gynecol Oncol，1991，41:78-80.

圖2 馬鞍屋蓋模型測點分布(mm)

Fig.2 Measuring point locations and definition of flow directions (mm)

測點的風(fēng)壓值采用風(fēng)壓系數(shù)來表示[11]:

(1)

式中：Pi為模型第i個測孔測得且修正后的表面風(fēng)壓值；P總和P靜分別為參考點處的平均總壓和平均靜壓(P總=61.817，P靜=-1.855).對數(shù)據(jù)進行處理得到平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù).參考點高度取高點與低點之間的平均高度.在得到風(fēng)壓系數(shù)時程的基礎(chǔ)上對其做脈動功率譜分析，下文中給出的功率譜示意圖均是標(biāo)準(zhǔn)化功率譜示意圖[12],圖中橫縱坐標(biāo)含義均同圖1(b).

2 試驗結(jié)果分析

2.1 旋渦作用下的馬鞍屋面風(fēng)壓分布

圖3～6分別給出了不同矢跨比和不同迎風(fēng)面高度處馬鞍屋蓋表面的平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)等值線圖，(a)中的陰影部分為平均風(fēng)壓系數(shù)小于-0.7的區(qū)域；(b)中的陰影部分為脈動風(fēng)壓系數(shù)大于0.2的區(qū)域.

圖3 矢跨比1/12、低點高度104 mm屋面風(fēng)壓分布

圖4 矢跨比1/12、低點高度208 mm屋面風(fēng)壓分布

由圖4可知，馬鞍形屋蓋的風(fēng)壓分布形式上既體現(xiàn)了平屋蓋類似的分離泡旋渦作用的特征，又隨著屋蓋的曲率而變化體現(xiàn)出一定的差異.當(dāng)來流風(fēng)向垂直于迎風(fēng)墻面時，屋蓋上的風(fēng)荷載是以風(fēng)吸力為主，最大風(fēng)吸力值出現(xiàn)在迎風(fēng)屋面低點邊緣附近，且平均風(fēng)壓系數(shù)的變化梯度較大，而在屋蓋迎風(fēng)高點處風(fēng)吸力值較小，且變化相對平緩，這說明雖然來流在迎風(fēng)屋面邊緣產(chǎn)生分離，但由于屋蓋的迎風(fēng)面高度不同，因此產(chǎn)生有組織的旋渦活動也不相同.由于從低點到高點存在一定的正向坡度，它能夠引導(dǎo)氣流向上運動導(dǎo)致屋蓋低點處吸力最大.屋蓋表面較強的脈動風(fēng)壓則出現(xiàn)在迎風(fēng)前緣兩低點連線前半?yún)^(qū)域和高點到低點的中部，最大值位于迎風(fēng)前緣靠近馬鞍低點處，屋面其他部位的脈動風(fēng)壓基本相當(dāng).

圖5 矢跨比1/6、低點高度104 mm屋面風(fēng)壓分布

圖6 矢跨比1/6、低點高度208 mm屋面風(fēng)壓分布

2.2 矢跨比和迎風(fēng)面高度對風(fēng)壓分布的影響

圖7 風(fēng)向及關(guān)鍵線示意

圖8分別給出了馬鞍屋面平均風(fēng)壓系數(shù)隨矢跨比的變化曲線，高點連線下兩種矢跨比的平均風(fēng)壓系數(shù)比較接近，兩者均在屋面的前1/3處達到最大值，隨來流的向下游發(fā)展，風(fēng)壓系數(shù)迅速減小.矢跨比為1/6的其后方區(qū)域風(fēng)吸力相對較大；中點連線時，兩種矢跨比下屋面風(fēng)壓系數(shù)相當(dāng)，但隨來流往下游發(fā)展時，屋蓋的后方區(qū)域矢跨比較小的其風(fēng)吸力也較??；對于低點連線而言，兩種矢跨比的風(fēng)荷載在迎風(fēng)前緣處變化幅度達到最大，矢跨比1/12的風(fēng)吸力約為1/6的兩倍.而在屋蓋的背面區(qū)，矢跨比1/6的屋面風(fēng)壓系數(shù)較小.由以上分析可知，對于高點連線和中點連線，矢跨比對屋面風(fēng)壓的影響主要體現(xiàn)在屋蓋后2/3區(qū)域，且曲率越大風(fēng)吸力越大.而在低點連線的迎風(fēng)前緣，矢跨比1/12的分離效應(yīng)更為劇烈，導(dǎo)致其風(fēng)荷載約為矢跨比為1/6的1.5至2倍.從迎風(fēng)高點至迎風(fēng)低點，風(fēng)吸力在不斷增大，屋蓋后方的風(fēng)壓系數(shù)穩(wěn)定在0.2.迎風(fēng)前緣低點附近是風(fēng)荷載最大值點，也是屋蓋受到巨大抽吸效應(yīng)而破壞的關(guān)鍵部位.

馬鞍屋面平均風(fēng)壓系數(shù)隨迎風(fēng)墻面高度的變化曲線見圖9.3條關(guān)鍵路線下，迎風(fēng)面高度越高其風(fēng)吸力越大，在迎風(fēng)低點附近其風(fēng)吸力變化幅度達到最大.因為迎風(fēng)墻面高度越低，其湍流度越大，旋渦的強度有部分被湍流運動所耗散.相對于矢跨比而言，迎風(fēng)墻面高度的變化對漩渦脫離作用的影響很大.

2.3 馬鞍屋蓋脈動風(fēng)壓譜特性

風(fēng)壓譜可以反映風(fēng)壓脈動的頻域特性，能夠建立譜能量與旋渦運動和湍流尺度之間的關(guān)系.以順風(fēng)向測點列作為研究對象，分為迎風(fēng)高點列Rank1、中點列Rank14和低點列Rank21(見圖2).馬鞍屋蓋的迎風(fēng)高點、中點和低點測點列的脈動風(fēng)壓譜見圖10～12，形狀相似的風(fēng)壓譜繪于同一幅圖中.

由圖10可知，馬鞍屋蓋風(fēng)壓譜曲線整體上為較寬的頻譜特點.隨著測點位置的改變其譜峰值大小、位置和曲線走勢均在不斷發(fā)生變化.在馬鞍的迎風(fēng)前緣高點處脈動風(fēng)壓譜能量中共存在三類頻段：低頻(F<0.1)、中頻(0.11).迎風(fēng)高點處譜形狀按照測點位置可分為3個區(qū)域.

圖8 不同矢跨比風(fēng)壓對比

圖9 不同低點高度風(fēng)壓對比

1)屋面迎風(fēng)前緣區(qū)：剪切層的分離階段.由圖10(a)可知，脈動風(fēng)壓譜在低頻段出現(xiàn)譜峰，此時譜能量最大值達到0.4，其對應(yīng)的頻率主要集中于0.1 Hz處，此后風(fēng)壓譜一直呈衰減狀態(tài).在剪切層分離初期，脈動風(fēng)壓中的低頻成分占主動，低頻主要來源于來流中的大尺度湍流成分和剪切層分離時的逆壓卷吸運動.隨著測點向屋蓋低點移動，風(fēng)壓譜中的低頻成分逐漸減少并向中間頻段轉(zhuǎn)移，說明來流中的大尺度湍流對脈動風(fēng)壓的影響逐漸減弱，在風(fēng)壓數(shù)值上體現(xiàn)為測點1、22、43、67的平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)均在不斷增大(見表2).

2)旋渦吸力極值區(qū)：旋渦的形成和發(fā)展階段.由圖10(b)可知，相比于第一階段，低頻能量逐漸減少，風(fēng)壓譜開始向中頻發(fā)展，譜帶變窄，風(fēng)壓譜主峰值有所增大，能量最大值達到0.5.中頻段下降斜率相比迎風(fēng)區(qū)急劇增加.風(fēng)壓脈動中的中頻成分則是來源于小尺度湍流成分，小尺度湍流是由來流受到馬鞍迎風(fēng)高點的干擾作用而產(chǎn)生于屋蓋附面層處.在測點98附近風(fēng)壓譜達到峰值0.46，對應(yīng)的頻率約0.2.此階段測點的脈動吸力主要來自迎風(fēng)前緣處剪切層分離運動的影響和旋渦再次卷吸形成的二級渦有關(guān).從風(fēng)壓上看，測點的脈動風(fēng)壓系數(shù)也相應(yīng)增大，相反平均吸力在測點98達到最大值后開始逐漸減小.

3)后方流動區(qū)：旋渦破裂和脫落階段.從圖10(c)可知，此時測點的脈動風(fēng)壓譜譜峰值在中頻段仍然較大，對比迎風(fēng)前緣區(qū)域，其譜峰能量有所減弱且對應(yīng)的頻率為0.5，逐漸向高頻靠攏.當(dāng)來流在屋蓋上再附時，分離泡向后方運動受到阻擋而導(dǎo)致內(nèi)部旋渦破裂，旋渦破裂后可能出現(xiàn)紊亂運動模式，這種模式的不穩(wěn)定使得風(fēng)壓出現(xiàn)很大脈動.在測點208處脈動風(fēng)壓系數(shù)達到最大，但平均風(fēng)壓系數(shù)卻由于能量的耗散而迅速減小.如圖10(d)所示，隨著來流繼續(xù)往下游發(fā)展，風(fēng)壓譜逐漸向高頻擴展，高頻處的譜能量最大值達到0.35，且高頻段開始出現(xiàn)間斷式譜峰.此外由于分離泡破裂產(chǎn)生了大量小尺度渦和微尺度渦，它們具有較大粘性應(yīng)力和剪切變形效應(yīng)，使氣流中的湍流能量快速耗散[11]，因此從測點230開始，平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)開始迅速減小.可以看出，此階段的旋渦破裂導(dǎo)致譜能量在高頻段重新分布且譜能量值較大.

圖10 馬鞍迎風(fēng)高點處測點脈動風(fēng)壓譜

Rank1X/L平均風(fēng)壓系數(shù)脈動風(fēng)壓系數(shù)10．02-0．856010．16123220．04-0．839770．15584430．08-0．869030．15979670．12-0．908140．16793810．15-0．883050．18752980．19-0．956730．206371120．23-0．912400．222251280．27-0．885200．222311390．31-0．883500．229991550．35-0．838400．225172080．50-0．573950．234162300．58-0．463380．219232700．73-0．329000．179862880．81-0．256970．161653030．88-0．248200．141983190．96-0．273900．11999

注：X為沿順風(fēng)向各測點與迎風(fēng)前緣的距離,L為馬鞍屋蓋底面邊長. 由圖11可知，迎風(fēng)中點處各測點的脈動風(fēng)壓譜同迎風(fēng)高點比較類似，譜形狀沿順風(fēng)向也經(jīng)歷3個階段：來流在迎風(fēng)前緣分離階段，低頻脈動為主控，屋面風(fēng)壓主要受到來流遠場脈動的直接作用；隨著剪切層再附形成分離泡，風(fēng)壓脈動中的中頻成分增加，旋渦的近場脈動成為關(guān)鍵因素；當(dāng)來流到達背風(fēng)面邊緣時，由中頻轉(zhuǎn)向高頻成分，這是由旋渦的脫落引起.在風(fēng)壓譜經(jīng)歷的3個階段，迎風(fēng)中點測點的譜峰值相比于高點測點明顯下降，主要原因是由于馬鞍在迎風(fēng)中點處的高度有所降低，馬鞍曲率變化較小，減弱了馬鞍對來流的干擾作用.由表3可知，平均風(fēng)壓最大值出現(xiàn)在測點106附近，平均風(fēng)壓最大值點離迎風(fēng)前緣距離同迎風(fēng)高點處一致，說明從迎風(fēng)高點到中點位置分離泡的流動是二維的，風(fēng)壓在橫風(fēng)向表現(xiàn)出強烈且均一的相關(guān)特征.

圖11 馬鞍迎風(fēng)中點處測點脈動風(fēng)壓譜

如圖12所示，來流在迎風(fēng)低點區(qū)的風(fēng)壓譜形狀與迎風(fēng)高點處差異較大，風(fēng)壓譜曲線總體上呈現(xiàn)寬帶特性，各個頻率段均有譜峰值，譜峰最大值出現(xiàn)在中高頻段.從平均風(fēng)壓數(shù)值上看(表4)，測點21～測點97的平均風(fēng)壓系數(shù)變化梯度最大，說明來流在迎風(fēng)低點屋檐處分離作用更為嚴重，在剪切層分離時產(chǎn)生的逆壓梯度在屋面形成強烈的抽吸作用，同時又受到來流中的湍流成分作用，因此在迎風(fēng)頂點附近平均和脈動吸力值達到最大，而以來流為主導(dǎo)作用的迎風(fēng)前緣區(qū)范圍減小，甚至消失，這也和上風(fēng)階段的馬鞍曲面相關(guān)，因此可以說迎風(fēng)前緣區(qū)域受到特征湍流影響顯著.隨著來流往下游發(fā)展，中頻能量開始減少，風(fēng)壓譜開始向高頻發(fā)展，圖12(b)、(c)中的高頻成分說明了存在小尺度湍流促使旋渦的形成.在風(fēng)壓系數(shù)上體現(xiàn)為從迎風(fēng)低點處開始呈一直下降趨勢.當(dāng)來流到達背風(fēng)面高點時，來流與結(jié)構(gòu)的相互作用顯著，高點附近結(jié)構(gòu)對來流造成了干擾，致使脈動風(fēng)壓系數(shù)增大.由于干擾作用形成的湍流積分尺度相比于來流的湍流積分尺度小得多，在風(fēng)壓譜上體現(xiàn)為高頻脈動(圖12(d)).

圖12 馬鞍迎風(fēng)低點處測點脈動風(fēng)壓譜

Tab.3 Time series statistics of middle high point rank 14 on saddle roof

Rank14X/L平均風(fēng)壓系數(shù)脈動風(fēng)壓系數(shù)140．02-1．001290．14320350．04-0．979720．14484560．08-0．978860．149281060．19-1．004370．178261360．27-0．923330．215811620．35-0．806110．205972010．46-0．609840．222302390．58-0．370910．173472630．69-0．297070．143402970．85-0．225490．115003080．88-0．237550．106483280．96-0．235500．08471

表4 馬鞍迎風(fēng)前緣低點處Rank21測點風(fēng)壓時程統(tǒng)計值

Tab.4 Time series statistics of low high point rank 21 on saddle roof

Rank21X/L平均風(fēng)壓系數(shù)脈動風(fēng)壓系數(shù)210．02-1．692770．47800420．04-1．381590．42601660．08-0．737230．32786970．15-0．463950．195221660．35-0．293490．099212210．50-0．181380．070312420．58-0．238530．066452690．69-0．127940．061232870．77-0．181190．049693020．85-0．095770．053033180．92-0．193080．044943360．96-0．261610．04801

綜上所述，在馬鞍形屋蓋的迎風(fēng)前緣區(qū)內(nèi)測點的脈動風(fēng)壓譜曲線與Kaimal譜較為接近.隨著來流往下游發(fā)展，測點的風(fēng)壓譜出現(xiàn)了明顯波動，這與旋渦的脫落特征相關(guān).屋面極值吸力區(qū)向中高頻移動，譜帶變窄且峰值有所增大.這表明了結(jié)構(gòu)對來流的作用逐漸增大，而來流隨測點的后移作用減小.特別是對于背風(fēng)面的測點主要表現(xiàn)為特征湍流的特性.在馬鞍屋蓋的迎風(fēng)中點處，風(fēng)壓譜曲線與迎風(fēng)高點處類似，由于馬鞍曲率在迎風(fēng)中點處基本一致，受屋蓋的干擾作用小，其譜峰值較高點也較低.在馬鞍屋蓋的迎風(fēng)低點處，由于來流在低點處分離作用更為劇烈，同時又受到來流中的湍流成分作用，因此在迎風(fēng)頂點附近平均和脈動吸力值達到最大.

3 結(jié) 論

1)當(dāng)來流垂直于迎風(fēng)墻面時，屋蓋上的風(fēng)荷載以風(fēng)吸力為主，最大風(fēng)吸力值出現(xiàn)在迎風(fēng)屋面低點邊緣附近，且風(fēng)壓變化梯度較大，而在屋蓋迎風(fēng)高點處風(fēng)吸力值較小，且變化相對平緩.在迎風(fēng)前緣低點連線的前半?yún)^(qū)域風(fēng)壓脈動較強，且最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)前緣低點處，而其他區(qū)域脈動風(fēng)壓基本相當(dāng).

2)矢跨比對屋面風(fēng)壓的影響主要體現(xiàn)在屋蓋后2/3區(qū)域，且曲率越大風(fēng)吸力越大.但在迎風(fēng)低點前緣處矢跨比1/12的風(fēng)荷載約為1/6的1.5～2倍.從迎風(fēng)高點至迎風(fēng)低點風(fēng)吸力在不斷增大，迎風(fēng)低點區(qū)域是平均風(fēng)壓和脈動風(fēng)壓最強區(qū)，為屋蓋破壞的關(guān)鍵部位.

3)對于大跨馬鞍屋蓋迎風(fēng)高點，屋蓋迎風(fēng)前緣區(qū)內(nèi)測點的脈動風(fēng)壓譜曲線與Kaimal譜較為接近.隨著來流的往下游發(fā)展，測點的風(fēng)壓譜出現(xiàn)了持續(xù)抖動，屋面極值吸力區(qū)向中高頻移動，譜帶變窄且峰值有所增大.在迎風(fēng)中點處，風(fēng)壓譜曲線與迎風(fēng)高點處類似，由于馬鞍曲率在迎風(fēng)中點處基本一致，受屋蓋的干擾作用小，其譜峰值較高點也較低.在迎風(fēng)低點處，由于來流在低點處分離作用更為劇烈，同時又受到來流中的湍流成分作用，因此在迎風(fēng)頂點附近平均和脈動吸力值達到最大.

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Wind pressure spectrum characteristics of the large-span saddle roof

SUN Huyue, YE Jihong

(Key Laboratory of Concrete and Pre-stressed Concrete Structure (Southeast University), Ministry of Education, Nanjing 210018, China)

To study the relationship between spectral energy and vortex motion or turbulence scale, wind pressure distribution characteristics of different rise-span ratio and low height of the saddle roof surface were investigated when the flow was perpendicular to the windward wall through the rigid model wind tunnel pressure tests. Then the study focused on the high point, middle point and low point wind measuring point column respectively, and their wind pressure spectra were discussed. Results show that the maximum wind suction is at the location of the low windward point, and the wind pressure gradient changes greatly. The saddle rise-span ratio is mainly embodied in the rear of two-thirds area of the roof of wind pressure, and the severer wind suction occurs with the greater the curvature. The greater the windward side height is with the higher the wind suction. The wind suction has maximum change near the low point of the windward. In high and middle windward point the wind pressure spectrum is the narrowband distribution and low frequency plays a leading role at the front windward, however, the high frequency band energy of back area is greater than that of the front area. The wind is characterized by wide distribution and the high frequency energy increases gradually as the development of flow downstream.

saddle roof; pressure experiment; wind pressure spectrum; vortex; wind suction

(編輯 趙麗瑩)

10.11918/j.issn.0367-6234.201510100

2015-10-29

國家杰出青年科學(xué)基金(51125031)； 江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(KYLX_0157)； 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(3205005718)

孫虎躍(1986―)，男，博士研究生； 葉繼紅(1967―)，女，教授，博士生導(dǎo)師

葉繼紅，yejihong@seu.edu.cn

TU312

A

0367-6234(2017)06-0142-08