低矮開洞建筑風致內壓試驗研究

樊友川,顧 明,全 涌

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092)

由于建筑物門窗破壞等原因導致開洞,外部氣流沿開洞傳播,風致內壓急劇增大,使得內外風壓共同作用成為導致建筑結構破壞甚至倒塌的重要原因。通過一系列不同條件下的單個常開洞低矮建筑剛性模型風洞測壓試驗,分析了內壓的脈動特性以及脈動來源,同時利用穩態理論與非定常理論預測內壓系數,并與試驗值進行比較。風洞試驗原型為單跨雙坡低矮建筑,縱向長度為90 m,跨度為45 m,高跨比為0.8,屋面坡角均為3°。模型幾何縮尺比為1∶100。模型均在一側縱墻開洞。模型示意圖見圖1。

圖1 風洞試驗模型示意圖

由圖2可知,低頻段即小于5 Hz時內壓脈動主要來自來流紊流作用;中頻段即5～50 Hz區間內內壓脈動主要源于旋渦脫落、尾流干擾等;高頻段即50 Hz以上內壓脈動主要是赫姆霍茲共振導致。

圖2 內壓系數與開洞墻面外壓系數的自功率譜

圖3 內風壓系數試驗值與穩態理論預測值

圖3為內壓系數穩態理論計算值與試驗值。由圖可知,穩態理論運用于平均內壓的估計可以得到較為精確的結果。但是模型的內壓脈動估計值普遍偏大,所以采用穩態理論計算內壓脈動值通常不準確,實際設計中采用穩態理論計算內壓峰值會取得偏安全的結果。

圖5 內風壓系數試驗值與非定常理論預測值

圖4 內風壓系數時程模擬值與試驗值

非定常響應方程預測內壓脈動時程可以得到良好的結果,如圖4、5所示,非定常方法預測的內壓時程與試驗內壓時程非常相似,當洞口摩擦損失系數取為45時,模擬效果較好。