一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法技术

本发明专利技术属于封闭结构风致内压技术领域，公开了一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法，通过风洞试验探究了完全封闭结构的内压特征；然后考查了内压的非高斯特性，并详细研究了不同均匀背景孔隙率、风向角以及相对孔隙率下的平均和峰值内压水平，并将不同均匀背景孔隙率下的内压结果与风荷载规范进行了对比分析。本发明专利技术的名义封闭结构的风致内压服从高斯分布；极值内压系数的变化幅度与均值的变化幅度相似，当峰值因子g取3.5时，最高负极值风压系数为‑0.255，远低于由规范(GB50009～2012)计算得到的峰值内压系数‑0.326。

A wind pressure test method for fully and nominal closed structures

The invention belongs to the closed structure wind induced internal pressure technology field, and discloses a complete and nominal closed structure wind induced internal pressure test method. Through the wind tunnel test, the internal pressure characteristics of the completely closed structure are explored. Then the non Gauss characteristics of the internal pressure are examined, and the different homogeneous background porosity, wind direction angle and relative value are studied in detail. The average and peak internal pressure levels under porosity are compared, and the results of internal pressure under different uniform background porosity are compared with those of wind load codes. The wind induced internal pressure of the nominal closed structure of the invention is subject to Gauss distribution; the variation amplitude of the extreme internal pressure coefficient is similar to that of the mean. When the peak factor G is 3.5, the maximum negative air pressure coefficient is 0.255, far below the peak internal pressure coefficient calculated by the code (GB50009 to 2012).

【技术实现步骤摘要】
一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法
本专利技术属于封闭结构风致内压
，尤其涉及一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法。
技术介绍
风致内压作为大跨空间结构、高层建筑以及低矮民居建筑不可避免的一个问题，多年来风工程研究者在该领域进行了大量的研究工作，主要集中于墙面存在大开洞的单空间结构风致内压的理论研究和试验研究在考虑背景孔隙和屋盖柔度后，导出了完善的内压控制方程，并通过风洞试验验证了内压控制方程的有效性和精度。在开洞多空间结构风致内压研究方面，SaathoffandLiu(1983)指出对于多分区多开洞的建筑物，可对每一开洞建立相应的内压控制方程，这样对于建筑物中的任一房间可建立一系列内压控制方程来获得其时变内压，但所采用的内压控制方程存在一定的局限性。Sharma(2003)、Guhaetal.(2013)采用孔口损失系数来描述孔口阻尼特性，导出了迎风墙面和隔墙存在大开洞时的两空间结构风致内压控制方程组，所得方程具有更强的适用性。Yuetal.(2012)在考虑背景孔隙后，进一步发展和完善了开洞两空间结构内压控制方程组。在突然开洞结构风致内压研究方面，Stathopoulosetal.(1989)采用膜的快速溶化技术和照相机快门技术模拟建筑结构迎风墙面的突然开孔，并将风洞试验结果与理论计算结果进行了对比，研究表明当结构出现突然开孔时，内压瞬态过冲响应小于随后的稳态内压峰值。Tecleetal.(2013)虽然改进了试验装置，但由于开洞的响应时间限制，尚未观察到明显的内压过冲现象，结果表明内压瞬态过冲响应仍然小于随后的稳态内压峰值。Guhaetal.(2013)通过内压控制方程数值模拟了突然开洞时的内压过冲现象，结果表明当洞口外压达到极值时开洞，所得瞬时过冲内压会高于后续的稳态内压峰值。尽管目前风工程研究者通过理论和风洞试验详细研究了开洞建筑结构风致稳态内压和瞬态内压，但至今尚未见对完全封闭结构内压特性的研究报道，也未系统研究名义封闭建筑结构的风致内压特性。风工程研究者在研究开洞建筑结构风致内压时，或多或少涉及了名义封闭时的结构内压。Gingeretal.(1997)对一典型低矮建筑的风致内压进行了现场实测研究，研究指出对于名义封闭结构，平均内压系数为-0.14，脉动内压远低于脉动外压，且高于特征频率的内压脉动被大大削弱了。Ohetal.(2007)通过风洞试验详细研究了开洞和名义封闭结构的内压特征，结果表明对于名义封闭结构，平均内压系数为负值，全风向下最大内压系数为0.1；脉动内压在各个频段的能量均小于墙面外压。Koppetal.(2008)也指出名义封闭结构的最大内压系数不超过0.1。事实上，完全封闭结构的内压特征是后续深入研究名义封闭结构风致内压的基础，只有在完全封闭的结构表面进行定量开孔，才能准确定义名义封闭结构的真实背景孔隙率。在准确的背景孔隙率下研究名义封闭结构风致内压才更具意义。另外，系统研究名义封闭结构的平均和极值内压，对于大跨空间结构和低矮民居抗风设计具有重要的应用价值。在设计中，结构表面外压通常由风洞试验确定，结构名义封闭时的内压一般按建筑结构荷载规范取值而不会单独进行内压风洞试验。对于名义封闭结构，中国《建筑结构荷载规范》(GB50009－2012)规定名义封闭结构的平均内压系数Cpi为±0.2，在B类地貌下参考高度为20米处，考虑阵风影响的极值内压系数(GCpi)为±0.326，规范对内压的取值是否合理，直接影响到结构的安全性和经济性。综上所述，现有技术存在的问题是：目前风工程研究者通过理论和风洞试验详细研究了开洞建筑结构风致稳态内压和瞬态内压，但至今尚未见对完全封闭结构内压特性的研究报道，也未系统研究名义封闭建筑结构的风致内压特性。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法。现实的建筑物(房子)不是完全封闭的，都是存在一定背景孔隙泄漏的(如空调管道等)。背景孔隙率的定量表达如5％，是建立在完全封闭的基础上。前人没有提及这一点。本专利技术名义封闭结构内压，具有工程应用价值，指明建筑结构荷载规范对名义封闭结构内压的取值可能偏于保守，导致设计风荷载偏大，经济性不佳。本专利技术是这样实现的，一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法，所述完全及名义封闭结构风致内压试验方法包括以下步骤：步骤一，在确保建筑模型气密性绝对良好的情况下，通过风洞试验探究了完全封闭结构的内压特征；步骤二，考查了内压的非高斯特性，并详细研究了不同均匀背景孔隙率、风向角以及相对孔隙率下的平均和峰值内压水平，并将不同均匀背景孔隙率下的内压结果与风荷载规范进行了对比分析。进一步，所述风洞试验如下：试验模型长80cm、宽40cm、高20cm，几何缩尺比为1/100，用以模拟纵长80米、跨度40米、高20米的大跨屋盖结构；模型采用5mm厚的有机玻璃板制作而成，纵长方向增设两道加劲肋，对绝对背景孔隙率的定义：最大背景孔隙率应为800mm2，在迎风和背风墙面各开了39个小圆孔，在模型两侧墙面各开了18个小圆孔，每个小圆孔的直径为3mm；在模型的底部内表面设置了一个内压测点；测点i的风压时程为Pi(t)，对其无量纲化后得到测点i的风压系数时程Cpi(t)：式中P∞为参考高度处的静压，ρa为空气密度，VH为参考高度处的平均风速；测点i的平均风压系数Cpi和脉动风压系数Cpi为：式中，N为采样点数，本试验N＝20480。本专利技术表面完全封闭的结构内压呈现非平稳状态，在不同时间起点采集到的内压值相差较大，并且内压呈现一定的周期性(约24小时)。名义封闭结构的风致内压服从高斯分布；在均布背景孔隙下，平均内压系数随着背景孔隙率的增大保持不变，平均内压系数仅在-0.15～-0.14范围内波动，且低于规范(GB50009～2012)的取值-0.2；极值内压系数的变化幅度与均值的变化幅度相似，当峰值因子g取3.5时，最高负极值风压系数为-0.255，远低于由规范(GB50009～2012)计算得到的峰值内压系数-0.326。附图说明图1是本专利技术实施提供的完全及名义封闭结构风致内压试验方法流程图。图2是本专利技术实施提供的模拟风的参数示意图；图中:(a)风速廓线和湍流强度分布，(b)接近屋顶的风功率谱密度。图3是本专利技术实施提供的风洞与建筑模型图像示意图。图4是本专利技术实施提供的完全封闭结构内压时程。图5是本专利技术实施提供的完全封闭到名义封闭结构内压时程的连续变化过程。图6是本专利技术实施提供的完全封闭与名义封闭结构内压时程比较示意图。图7是本专利技术实施提供的完全封闭结构内压随时间的变化示意图。图8是本专利技术实施提供的各墙面开孔比例均为50％时的内压系数概率密度曲线示意图。图9是本专利技术实施提供的各墙面开孔比例均为100％时的内压系数概率密度曲线示意图。图10是本专利技术实施提供的所有工况下的偏度与峰度示意图。图11是本专利技术实施提供的内压系数随绝对孔隙率的变化(工况1～8)示意图。图12是本专利技术实施提供的均布孔隙下内压系数随风向角的变化示意图。图中：(a)各墙面开孔比例均为100％时的内压系数随风向角的变化(工况54～60)；(b)各墙面开孔比例均为50％时的内压系数随风向角的变化(工况61～70)。图13是本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法，其特征在于，所述完全及名义封闭结构风致内压试验方法为：通过风洞试验分析完全封闭结构的内压特征；然后考查内压的非高斯特性，并分析不同均匀背景孔隙率、风向角以及相对孔隙率下的平均和峰值内压水平，并将不同均匀背景孔隙率下的内压结果与风荷载规范进行了对比分析。

【技术特征摘要】
1.一种完全及名义封闭结构风致内压试验方法，其特征在于，所述完全及名义封闭结构风致内压试验方法为：通过风洞试验分析完全封闭结构的内压特征；然后考查内压的非高斯特性，并分析不同均匀背景孔隙率、风向角以及相对孔隙率下的平均和峰值内压水平，并将不同均匀背景孔隙率下的内压结果与风荷载规范进行了对比分析。2.如权利要求1所述的完全及名义封闭结构风致内压试验方法，其特征在于，所述风洞试验如下：试验模型长80cm、宽40cm、高20cm，几何缩尺比为1/100，用以模拟纵长80米、跨度40米、高20米的大跨屋盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：余先峰，谢壮宁，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44