大跨屋蓋結構風致雪飄移研究方法以及防治措施

肖 艷

(華南理工大學，廣東 廣州 510641)

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大跨屋蓋結構風致雪飄移研究方法以及防治措施

肖 艷

(華南理工大學，廣東 廣州 510641)

介紹了大跨屋蓋結構風致雪飄移問題原理與危害性，并簡述了CFD及FAE方法在計算風致屋蓋表面積雪分布系數中的研究現狀及應用，通過分析結果與現有規范的對比，找出現有規范不足之處，給出了合適的調整范圍，以更好的預測風致屋蓋積雪分布系數，減少建筑倒塌破壞。

大跨屋蓋結構，CFD，FAE，積雪分布系數

2008年1月份我國南方地區遭遇了50年以來罕見的大雪災害，屋面的積雪荷載大大超出我國GB 50009—2001建筑荷載規范規定了50年一遇基本雪壓荷載限值，造成了南方地區大量的大跨輕質廠房倒塌，產生了嚴重的后果[1]。國外也常常有大跨屋蓋結構因為雪災發生損害的案例發生，2004年2月16日，莫斯科附近一水上樂園玻璃屋頂被積雪壓塌，造成人員傷亡。

目前我國大跨屋蓋結構的雪荷載研究還不夠完善，大跨屋蓋結構因風致雪飄移產生的不均勻雪荷載是建筑結構設計中需重點考慮的問題，由于雪荷載發生的周期長，實測研究比較困難，目前隨著計算機水平的發展，數值模擬成為了有效的研究手段[2]。

本文主要通過大跨屋蓋結構風致雪飄移問題原理的介紹，采用數值模擬(CFD)的手段結合FAE方法對大跨屋蓋結構表面的積雪分布系數展開研究討論。

1 風致雪飄移理論基礎

風致雪飄移是利用有限面積法通過把屋面劃分為若干個有限面積區域，通過試驗得到的一系列風速方向和大小可以通過插值得到每個網格點的平均風速大小與方向。用來計算屋面每個小時由于雪的侵蝕、沉積、吸收雨水、雪的融化而形成的積雪，利用歷史氣象數據通過每間隔1 h的計算來模擬整個冬天的積雪情況。圖1展示了一個典型的有限元單元。如果雪處于侵蝕狀態且順風向單元有充足的雪供應，則雪流量存在被稱為在每個網格點潛在的雪流量，用qi,j表示[3]。

在網格點(i,j)雪流量在x,y方向的大小分別為：

(1)

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

(2)

在一個單元中單位時間的雪流量改變量為：

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

(3)

l1～l4為面積單元的四個邊長，本文中只考慮風致雪飄移，因此公式可以簡化為：

dm=(q1l1+q2l2+q3l3+q4l4)

(4)

采用Beyers的侵蝕沉積模型得到:

(5)

(6)

式中：qero,qdep——單位時間內單位壁面面積上發生侵蝕進入流域或沉積下來的雪的質量，侵蝕為負，沉積為正；

A——常數，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。

入流面的雪質量濃度空間分布按躍移層和懸移層采用不同的經驗公式[4]，其中躍移層采用公式為:

(7)

懸移層入流面的雪質量濃度空間分布采用的公式為：

(8)

2 數值模擬在風致雪飄移研究中的應用

在工程領域已經有兩個研究雪荷載的方法，分別是UWO質量平衡方法和RWDI的FAE方法，這兩個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。兩者相當于只是簡單的線性疊加，將雪荷載假設為單次降雪和雪飄移事件[6]。

而雪堆積狀態會影響屋頂表面的形態，從而影響屋頂表面的流場改變屋面的局部風速。RWDI的有限元面FAE方法被應用到工程實際中，基于氣象資料，利用風洞實驗測量屋面1 m高度上16方向角的風速分布和雪通量—風速經驗公式，計算屋面的雪飄率。通過FAE方法能夠預測屋頂表面的積雪分布，判斷積雪嚴重的區域計算雪荷載。FAE方法在應用于工程實踐時還存在著很多不足之處，因而利用有效的數值模擬方法，完善FAE方法，使該方法更加準確的預測屋頂表面的積雪分布，得到準確的屋面雪荷載，在對實際大跨屋面雪荷載取值計算時可靠度更高[7]。

利用數值模擬進行雪荷載問題研究時，通過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，采用兩相流模擬風致漂移問題，數值模擬的方法建立準確的風場能夠得到大跨屋面不同工況下我們所需要的各測點風速分布情況[8]。

3 雪荷載研究在實際工程中的應用

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關鍵因素影響，我國建筑荷載規范中并沒有明確給出地區的積雪密度，而屋頂表面的風速值又難以得到實測數據，因而這兩個問題在應用到工程實際往往不夠準確，在大跨屋面荷載計算時可能會偏向于保守，導致浪費材料，成本增加。

因為在雪荷載引發的安全問題實際工程案例中，除了大跨屋蓋之外，還有許多低矮房屋在設計初期也往往會忽略雪荷載而導致坍塌。雪荷載的研究在實際工程中就顯得尤為重要，我國現行的建筑荷載規范中對于屋面水平投影上的雪荷載標準進行了如下計算：

sk=μrs0

(9)

其中，sk,μr,s0分別為雪荷載標準值，屋面積雪分布系數和基本雪壓。從式(9)可以看出對于實際工程的雪荷載而言，影響是多方面因素綜合作用的結果。目前的研究還不夠廣泛，諸多問題的存在是解決實際工程問題的瓶頸。結合多方面的試驗，對于大跨屋蓋結構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律，對大跨屋蓋進行一系列規律性的研究，此外低矮房屋不同坡度不同女兒墻設置，將屋面進行分類研究，在應用到實際工程中時，可以將實驗結果和規律對某一類別的結構進行一一對應，增加結果的準確性，提高效率，避免不必要的錯誤。

4 結語

從實際案例中發現我國建筑荷載規范中關于雪荷載的規定不夠準確，還需要進一步的結合數值模擬與實測研究的方法對雪飄移理論，通量—風速分布的經驗公式進行修正，使之更加有效的應用于工程實踐。本文通過對雪飄移理論的介紹，從數值模擬在雪荷載研究中的應用論述中得出以下結論：

1)由于雪荷載發生周期較長，實測數據采集比較困難，可以利用相似理論建立縮尺模型，在模擬實際風場的大氣邊界層風洞中進行大跨屋蓋風洞實驗，通過測量屋蓋表面測點的風速結合數值模擬，應用FAE方法對屋蓋表面的積雪分布進行分析預測，能夠有效彌補實測的劣勢，是雪荷載分布研究的趨勢。

2)針對不同的屋蓋結構進行系統的研究，對影響大跨結構以及低矮房屋雪荷載分布的一系列參數進行實測研究和數值模擬分析，增加工程實際的應用性。

[1] 周晅毅，顧 明.大跨屋蓋表面風致雪壓分布規律的研究[J].建筑結構學報,2008,29(20):7-12.

[2] 陸承鐸.雪荷載探析與減災措施[J].江蘇建筑，2008(3):42-43.

[3] 李芳慧,孟 凡,周晅毅.典型低矮屋蓋房屋雪荷載分布特性實測研究[J].自然災害學報,2016,25(1):158-168.

[4] 孟 凡.低矮屋蓋表面雪荷載分布特征研究[D].哈爾濱：黑龍江大學,2015.

[5] 李 躍.大跨空間結構屋面雪荷載研究[D].杭州：浙江大學,2014.

[6] Scott L Gamble，Will W.Kochanski.FINTTE AREA ELEMENT SNOW LOADING PREDICTION-APPLICATIONS AND ADVANCEMENTS[J].Journal of Wind Engineering and industrial Aerodynamics，1992(2)：1537-1548.

[7] Yang,Y.,M.Gu..New inflow boundary conditions for modelling the neutral equilibrium atmospheric boundary layer in computational wind engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2009(2):88-95.

[8] Tominaga,Y.,T.Okaze..CFD modeling of snow drift around a building:An overview of models and evaluation of a new approach[J].Building and Environment，2011，46(4):899-910.

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

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