落地四坡房屋风压分布特性及体型优化研究

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落地四坡的轻型房屋具有折叠方便、重复利用率高和机动性强等优势,因而在民用及军事领域得到广泛应用。由于房屋质量轻且低矮,处于大气边界层中风速变化大和湍流度高的近地区域,属于典型的风敏感房屋,所以在进行房屋结构设计时风荷载是其控制荷载。而目前国内外设计规范尚未给出落地四坡房屋的风荷载体型系数,因此抗风设计时仅能采用未计及体量变化的双坡屋顶房屋在0°和90°风向角下的风荷载体型系数,更不能进行基于风压分布特性的气动外形设计,故开展落地四坡房屋风压分布特性及体型优化研究具有理论意义及工程应用价值。为研究落地四坡房屋的风压分布特性和合理气动外形,结合我国野营房屋目前使用情况和功能要求,设计出27种计算模型,基于流体动力学和大气边界层基本原理,采用流体动力学分析方法,运用FLUENT有限元分析软件,结合风洞试验结果,探讨与分析网格类型及划分方法、离散格式、计算方法及湍流模型等关键技术和参数,建立落地四坡房屋的数值风洞。以落地坡角、屋面坡角、高宽比和风向角为分析参数,运用数值风洞分析与探讨81种工况下房屋表面风压分布特性,得到其表面风压分布规律和风荷载体型系数。在此基础上,以建筑体量与表面风压分布之间的最优分布关系作为优化目标,分别以风荷载的体型系数标准差最小、各区域体型系数最值接近及差值相对变化幅度降低作为优化计算指标,得到具有良好抗风性能的气动外形(合理体型),分析表明经优化的气动外形同初始外形各区域风荷载标准值比较显著下降。结果表明:在对落地四坡房屋表面风压分布特性进行数值风洞分析的基础上,采用体型系数标准差最小化可以有效地对该类房屋结构进行体型优化,提高其抗风性能。同时为野营房屋抗风设计与体型优化提供理论依据和设计方法。
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