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柱状屋面风荷载体型系数数值模拟研究及取值建议

汇报人：

2024-01-28

目录

CONTENTS

引言

柱状屋面风荷载体型系数概述

数值模拟方法及模型建立

数值模拟结果分析

取值建议及工程应用

结论与展望

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引言

柱状屋面结构广泛应用于建筑领域，其风荷载特性对结构安全性至关重要。

风荷载体型系数是描述结构在风荷载作用下受力特性的重要参数，对结构设计具有指导意义。

数值模拟方法可有效地分析柱状屋面结构的风荷载体型系数，为工程设计提供依据。

研究目的

通过数值模拟方法，分析柱状屋面结构的风荷载体型系数，提出合理的取值建议。

研究内容

建立柱状屋面结构的数值模型；模拟不同风速、风向角下的风荷载作用；分析风荷载体型系数的变化规律；提出适用于工程设计的风荷载体型系数取值建议。

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柱状屋面风荷载体型系数概述

柱状屋面定义

柱状屋面是指建筑物顶部呈柱状形态的屋面结构，其横截面形状可以是圆形、方形、多边形等。

柱状屋面特点

柱状屋面具有独特的建筑造型和空间效果，能够增加建筑物的立体感和层次感。同时，由于柱状屋面的形态特殊，其风荷载特性也不同于普通平面屋面。

风荷载体型系数概念

风荷载体型系数计算方法

风荷载体型系数的计算通常基于风洞试验或数值模拟方法。通过测量或模拟建筑物表面的风压分布，可以得到不同风向角、风速和湍流强度下的体型系数。

风荷载体型系数是描述建筑物在风荷载作用下，其表面风压分布与来流风压之间关系的无量纲参数。它是评估建筑物抗风性能的重要指标之一。

数值模拟方法是通过计算机模拟技术，对建筑物在风荷载作用下的响应进行预测和分析。常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、离散元法等。

数值模拟方法

数值模拟在风工程中具有广泛的应用，可以用于评估建筑物的抗风性能、优化建筑设计方案、研究建筑物周围的风环境等。通过数值模拟，可以更加深入地了解建筑物在风荷载作用下的受力特性和破坏机理，为风工程实践提供有力支持。

数值模拟在风工程中的应用

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数值模拟方法及模型建立

计算流体力学（CFD）方法

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基于流体动力学原理，通过数值计算求解流体运动方程，模拟流体在柱状屋面周围的流动情况。

有限元方法（FEM）

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将连续体离散化为有限个单元，通过求解单元节点上的未知量，近似得到整个连续体的解，适用于复杂几何形状和边界条件的模拟。

离散元方法（DEM）

03

将连续体看作由一系列离散的颗粒组成，通过追踪颗粒间的相互作用和运动轨迹，模拟颗粒系统的宏观力学行为。

几何模型建立

根据柱状屋面的实际尺寸和形状，建立三维几何模型，包括屋面、风场区域等。

网格划分

将几何模型离散化为计算网格，网格质量和密度对模拟结果的准确性和计算效率有重要影响。需根据模拟需求和计算资源合理划分网格。

边界层处理

针对柱状屋面周围流场的特性，对边界层进行特殊处理，如采用壁面函数法或加密边界层网格等，以提高模拟精度。

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入口边界条件

出口边界条件

壁面边界条件

初始条件设置

设置来流风速、风向、湍流强度等参数，以模拟实际风环境。

设置出口压力或速度等参数，以保证流场在出口处的合理性。

针对瞬态模拟问题，需设置合理的初始条件，如初始速度场、压力场等，以保证模拟过程的稳定性和收敛性。

根据柱状屋面的实际材料和粗糙度等特性，设置壁面边界条件，如无滑移壁面、粗糙壁面等。

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数值模拟结果分析

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在低风速下，风压分布相对均匀，随着风速的增加，风压分布逐渐变得不均匀，呈现出明显的局部高压和低压区域。

在高风速下，风压分布的不均匀性更加显著，局部风压极值出现频率增加，对屋面的影响也更加显著。

风速的变化对屋面风荷载的整体分布形态影响不大，但对局部风压的大小和分布有显著影响。

在同一风速下，随着高度的增加，风压整体呈减小趋势，但局部风压极值出现的位置和大小会有所变化。

在低高度处，风压受地面效应影响较大，风压分布相对复杂；而在高高度处，风压受地面效应影响较小，风压分布相对简单。

不同高度处的风压变化规律与建筑物的形状、高度、周围环境等因素有关。

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体型系数是描述建筑物形状对风荷载影响的重要参数，随风向角的变化而变化。

在0°风向角下，体型系数通常取最小值，随着风向角的增加，体型系数逐渐增大。

在90°风向角下，体型系数通常取最大值，此时建筑物侧面受风面积最大，风荷载也最大。

体型系数的变化规律与建筑物的形状、高度、周围环境等因素有关，需要进行详细的数值模拟和实验验证才能得到准确的结果。

05

取值建议及工程应用

01

基于数值模拟结果，结合工程实践经验，给出不同风向下柱状屋面风荷载体型系数的建议取值范围。

02

针对不同类型的柱状屋面结构，提出相应的体型系数取值方法和调整建议。

03

给出体型系数取值时需要考虑的影响因素及其