屋蓋角部開孔的低矮房屋屋面風(fēng)荷載特性研究

2014-09-27 13:41李秋勝王云杰李建成時(shí)峰

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版 2014年6期

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞試驗(yàn)

李秋勝+王云杰+李建成+時(shí)峰+

文章編號：16742974(2014)06000108

收稿日期：20140107

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(91215302)

作者簡介：李秋勝（1962-），男，湖南永州人，湖南大學(xué)教授，中組部千人計(jì)劃國家特聘專家，教育部長江學(xué)者特聘教授

通訊聯(lián)系人，E-mail: bcqsli@cityu.edu.hk

摘要：基于實(shí)測房屋模型風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了屋蓋角部不同開孔大小和開孔形狀情況下低矮房屋的風(fēng)荷載特性.內(nèi)外壓的疊加作用使屋蓋上出現(xiàn)了很大的正風(fēng)壓，內(nèi)壓整體分布均勻，開孔面積越小，內(nèi)壓作用越強(qiáng)；內(nèi)壓的概率密度接近于高斯分布，凈壓的非高斯特性相比于外壓有所減弱；內(nèi)壓在頻域內(nèi)也表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，內(nèi)壓譜在Helmholtz頻率和漩渦脫落頻率處均出現(xiàn)了譜峰值，凈壓譜中漩渦脫落作用被抵消；內(nèi)壓的荷載特性間接反映出迎風(fēng)前緣的長度有利于錐形渦的發(fā)展，成對出現(xiàn)的錐形渦并非同時(shí)同步達(dá)到最強(qiáng).

關(guān)鍵詞：低矮房屋；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)荷載；錐形渦；孔口



中圖分類號：TU247.1，TU973.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study of the Windinduced Roof Pressure Characteristics 

of a Lowrise Building with Holes on Its Roof Corner



LI Qiusheng1, 2, WANG Yunjie1, LI Jiancheng1, SHI Feng1

(1. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of Ministry of Education (Hunan Univ)，

Changsha, Hunan 410082, China;2. City Univ of Hongkong, Hongkong 100013, China)

Abstract: Based on the wind tunnel testing of a lowrise building, the wind pressure characteristics of the lowrise building with holes of different sizes and shapes on its roof corner were analyzed. The superimposition of internal and external pressures makes the emergence of large positive pressure on the roof. The internal pressure shows an overall uniform distribution. With the opening area becoming smaller, the internal pressure gets stronger. The probability density function of the internal pressure is closer to the Gaussian distribution, and when compared with external pressure, the nonGaussian characteristic of net pressure is weakened. The internal pressure also exhibits a strong correlation in frequency domain. There appear two humps in the internal pressure spectrum corresponding to Helmholtz frequency and vortex shedding frequency, and the peak of the vortex shedding frequency is offset for the case of net pressure. Furthermore, the internal pressure characteristics indirectly show that the length of the front edge enhances the development of the conical vortices and the conical vortices appearing in pairs do not become the strongest simultaneously.



Key words: lowrise building; wind tunnel testing; wind loading; conical vortex; orifices



作為一種最普遍存在的建筑形式——低矮房屋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)日益受到重視.實(shí)測[1-2]和風(fēng)洞試驗(yàn)[3-4]研究表明，在強(qiáng)風(fēng)作用下，低矮房屋在屋蓋迎風(fēng)角部和迎風(fēng)前緣將遭受強(qiáng)風(fēng)吸力作用，這些研究也揭示了產(chǎn)生這些破壞性作用的部分機(jī)理，為低矮房屋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù).災(zāi)后調(diào)查[5]顯示，強(qiáng)(臺(tái))風(fēng)造成的房屋破壞主要集中在低矮房屋，而低矮房屋破壞的主要形式為屋面角部、屋檐邊緣和屋脊等部位的表面覆蓋物被掀翻或屋蓋的整體破壞.

對于房屋破壞后的研究，目前國內(nèi)外主要集中在墻面破壞的模擬.Sharma和Richards[6]通過墻面有洞口的TTU房屋模型風(fēng)洞試驗(yàn)探討了不同風(fēng)向角下的Helmholtz共振現(xiàn)象和準(zhǔn)定常方法在內(nèi)壓中的應(yīng)用；Pan等[7]研究了墻面有多開孔情況的內(nèi)壓變化，認(rèn)為在預(yù)測風(fēng)致低矮房屋的潛在破壞時(shí)，要考慮孔洞的位置分布；Guha等[8]通過改變墻面開孔和背景泄露的組合，證明了一個(gè)簡化的內(nèi)壓響應(yīng)模型的適用性. 

關(guān)于建筑屋蓋開孔的研究，主要集中在屋蓋中心開洞的大跨結(jié)構(gòu)[9-10],而對于角部開孔的低矮房屋風(fēng)荷載研究，很少有文獻(xiàn)涉及.鑒于此，本文以實(shí)測房屋[11]模型的風(fēng)洞試驗(yàn)為研究手段，通過改變屋蓋角部孔洞的大小和形狀，模擬不同的破壞情況，探討屋蓋角部破壞后低矮房屋的風(fēng)荷載特性.

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ酮?/p>

本文試驗(yàn)，對應(yīng)的原型長6 m，寬4 m，屋脊高度4 m，具體房屋外形詳見文獻(xiàn)[11]，所采用的模型縮尺比為1∶10，則模型尺寸為400 mm×600 mm×400 mm，模型采用有機(jī)玻璃制作，滿足剛性模型的要求.工況Ⅰ模型屋蓋角部有一個(gè)矩形孔洞，尺寸為100 mm×100 mm，模型屋面上均為雙面測點(diǎn)，測點(diǎn)位置和編號、風(fēng)向角及坐標(biāo)系定義如圖1(a)所示，其他工況通過蓋板來改變孔洞大小和形狀，如圖1(b)～(f)所示. 

為了滿足風(fēng)洞試驗(yàn)中模型內(nèi)外壓力脈動(dòng)頻率相似比相同的要求，根據(jù)Holmes[12]推導(dǎo)的相似關(guān)系，模型空腔體積和原型空腔體積應(yīng)滿足式(1).

(a)模型測點(diǎn)布置及風(fēng)向角定義(工況Ⅰ)

圖1 工況、測點(diǎn)布置及風(fēng)向角定義(單位：mm)



Fig.1Cases, tap locations and definition

of wind direction(unit：mm)



VmVp=lm/lp3Um/Up2. (1)

式中：V為建筑內(nèi)部空腔體積；l為幾何長度；U為風(fēng)速；下標(biāo)m和p分別代表模型和原型.故本實(shí)驗(yàn)中按照原型和模型風(fēng)速比的平方對模型的內(nèi)部容積進(jìn)行放大，在不改變房屋外形的前提下，通過底部開洞并連接空腔的方法來滿足要求.

1．2 風(fēng)場模擬

風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)教育部建筑安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)控制風(fēng)速為10 m/s，風(fēng)速比約為1∶2，將模型放置在木制轉(zhuǎn)盤中心，通過轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)模擬不同風(fēng)向，風(fēng)洞中模型如圖2所示.實(shí)驗(yàn)風(fēng)向角為0°~90°，間隔5°.通過風(fēng)洞試驗(yàn)入口處放置尖劈和粗糙元模擬荷載規(guī)范[13]中的B類地貌，未放置模型時(shí)來流風(fēng)速剖面、湍流度剖面和順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜模擬結(jié)果如圖3所示，圖中Ur為參考高度的平均風(fēng)速，U為z高度處的平均風(fēng)速，Sv為脈動(dòng)風(fēng)速譜幅值，f為頻率，H為參考點(diǎn)高度，本實(shí)驗(yàn)中參考高度取屋脊高度400 mm，σ為脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差.試驗(yàn)中測得Ur的值為5.66 m/s.



圖2風(fēng)洞中模型

Fig.2 Model in wind tunnel

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)相似原理，模型和原型的斯托羅哈數(shù)須為常數(shù)且相等：

fmlmUm=fplpUp. (2)

式中符號意義與式(1)相同，由此可得頻率比和時(shí)間比：

fmfp=Um/Uplm/lp=1/21/10=51. (3)

自然來流湍流的截止頻率約為3 Hz，對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)頻率為15 Hz，實(shí)驗(yàn)中采樣頻率為312.5 Hz，滿足采樣準(zhǔn)則.本實(shí)驗(yàn)采樣時(shí)間為32 s，每個(gè)測點(diǎn)的風(fēng)壓采樣數(shù)為10 000個(gè)，將風(fēng)壓值用式(4)轉(zhuǎn)化為無量綱的風(fēng)壓系數(shù)：

Cpit=Pit－P

SymboleB@

1/2ρU2H.(4)

式中：Cpit為測點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程；Pit為測點(diǎn)i處的風(fēng)壓時(shí)程；P

SymboleB@

為參考靜壓；ρ為空氣密度，按荷載規(guī)范取1.25 kg/m3；UH為實(shí)驗(yàn)時(shí)參考高度(屋脊高度)的順風(fēng)向平均風(fēng)速.對于角部開孔模型內(nèi)外雙側(cè)點(diǎn)的凈風(fēng)壓系數(shù)按公式(5)計(jì)算：

Cpnit=Puit－Pdi（t)1/2ρU2H. (5)

式中：Cpnit為測點(diǎn)i處的凈風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程；Puit為測點(diǎn)i處的外表面風(fēng)壓時(shí)程；Pdit為測點(diǎn)i處的內(nèi)表面風(fēng)壓時(shí)程.另外，實(shí)驗(yàn)中約定壓力沿建筑物表面法線方向指向建筑表面時(shí)為正風(fēng)壓，反之為負(fù)風(fēng)壓.

U/Ur(a)平均風(fēng)速和湍流度剖面

fH/U(b)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速譜

圖3風(fēng)洞試驗(yàn)中大氣邊界層模擬

Fig.3Atmospheric boundary layer simulation

in wind tunnel tests

2.2 時(shí)域特性

當(dāng)來流以傾斜的角度吹向建筑物時(shí)，氣流在迎風(fēng)前緣分離后，形成一個(gè)或一對錐形渦，此時(shí)屋蓋上的風(fēng)壓分布特性與錐形渦密切相關(guān).圖4給出了工況Ⅰ45°風(fēng)向角時(shí)平均風(fēng)壓系數(shù)分布圖.屋蓋上表面出現(xiàn)了明顯的成對錐形渦作用，平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值且呈錐形分布，在錐形渦作用區(qū)域風(fēng)吸力較大且風(fēng)壓梯度比較大.屋蓋內(nèi)表面也承受很大的風(fēng)吸力作用，這將對迎風(fēng)墻面及房屋內(nèi)部覆面產(chǎn)生不利影響，另外內(nèi)表面平均風(fēng)壓系數(shù)整體分布比較均勻，只有孔口附近的幅值相對較大.

通過同步采集的瞬時(shí)內(nèi)外風(fēng)壓的相互疊加，可得到屋蓋上的凈風(fēng)壓.如圖4(c)所示，疊加后的平均凈風(fēng)壓系數(shù)也呈錐形分布，只是數(shù)值發(fā)生了變化：原來錐形渦作用范圍內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)吸力區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)由于內(nèi)部極大風(fēng)吸力的抵消作用，幅值有很大的減??；而原來的漩渦脫落區(qū)域，平均凈風(fēng)壓系數(shù)則變?yōu)檎担@種正風(fēng)壓與重力作用同時(shí)加于屋蓋，會(huì)對屋蓋及其附屬構(gòu)件產(chǎn)生極大危害.





圖4工況Ⅰ45°風(fēng)向角平均風(fēng)壓系數(shù)分布



Fig.4 Mean wind pressure coefficient distributions of caseⅠin 45° wind direction



在強(qiáng)(臺(tái))風(fēng)作用下，來流風(fēng)速風(fēng)向瞬時(shí)脈動(dòng)非常劇烈，會(huì)使角部破壞的低矮房屋屋蓋整體或者局部時(shí)而承受正風(fēng)壓力，時(shí)而承受風(fēng)吸力，這極易產(chǎn)生屋蓋的結(jié)構(gòu)破壞及其附屬構(gòu)件的疲勞破壞.需要指出的是，在其他角部開孔工況下，也有類似的風(fēng)壓分布特性，限于篇幅，不再贅述.

為了解內(nèi)部脈動(dòng)風(fēng)荷載的相關(guān)性，隨機(jī)抽取5個(gè)內(nèi)部測點(diǎn)(D29, D56, D139, D164和D214)，具體位置如圖1所示.表1和表2給出了5個(gè)測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，其中表1上三角和下三角分別為0°風(fēng)向角下工況Ⅰ和工況Ⅲ的情況，表2上三角和下三角分別為45°風(fēng)向角下工況Ⅳ和工況Ⅴ的情況.由表可知，隨著開孔面積的減小，各測點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)有所增加，這是由于越靠近屋蓋角部和迎風(fēng)邊緣，其受錐形渦的影響越大，風(fēng)吸力也越大.對比全部工況，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，說明內(nèi)部脈動(dòng)風(fēng)荷載有較高的時(shí)域相關(guān)性.

表1 0°風(fēng)向角工況Ⅰ和工況Ⅲ內(nèi)部

測點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓相關(guān)系數(shù)

Tab.1 Correlation coefficients of fluctuating wind pressures

for internal points under 0° wind direction (Case Ⅰ and Case Ⅲ)

測點(diǎn)

D29

D56

D139

D164

D214

D29

1.00

0.95

0.94

0.95

0.94

D56

0.96

1.00

0.95

0.94

0.96

D139

0.94

0.95

1.00

0.94

0.95

D164

0.96

0.95

0.94

1.00

0.94

D214

0.95

0.96

0.94

0.95

1.00

表2 45°風(fēng)向角工況Ⅳ和工況Ⅴ內(nèi)部

測點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓相關(guān)系數(shù)

Tab.2 Correlation coefficients of fluctuating wind pressures

for internal points under 45°wind direction

(Case Ⅳ and Case Ⅴ)

測點(diǎn)

D29

D56

D139

D164

D214

D29

1.00

0.97

0.98

0.97

D56

0.98

1.00

0.97

0.98

D139

0.98

0.97

1.00

0.97

D164

0.99

0.98

1.00

0.97

D214

0.98

0.99

0.98

1.00

由以上分析可知，屋蓋角部開孔時(shí)內(nèi)部各測點(diǎn)風(fēng)壓具有整體的同步性，故可采用統(tǒng)一變量描述，下面采用面積加權(quán)風(fēng)壓系數(shù)來加以說明，其定義如下式：

Cpt=∑ni=1Cpit?Ai∑ni=1Ai. (6)

式中: Cpt表示屋蓋內(nèi)表面面積加權(quán)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程；Cpit為屋蓋內(nèi)表面測點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程；Ai為測點(diǎn)i的附屬面積. 

圖5給出了屋蓋內(nèi)表面面積加權(quán)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程統(tǒng)計(jì)量(平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和最小風(fēng)壓系數(shù))隨風(fēng)向角的變化情況.隨著風(fēng)向角的變化，方形孔洞的平均風(fēng)壓系數(shù)和最小風(fēng)壓系數(shù)大致呈“W”形分布，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)大致呈“M”形分布，平均風(fēng)壓系數(shù)的變化曲線比較光滑，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和最小風(fēng)壓系數(shù)的變化波動(dòng)性較大，而且隨著開孔面積的減小，風(fēng)壓系數(shù)幅值都有增大的趨勢.值得注意的是，以45°風(fēng)向角為對稱軸，風(fēng)壓系數(shù)并非完全對稱分布，大風(fēng)向角的平均風(fēng)壓系數(shù)、脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和最小風(fēng)壓系數(shù)的幅值均大于相應(yīng)的小風(fēng)向角的幅值，這說明以45°為對稱軸，長邊上的錐形渦要強(qiáng)于短邊上的錐形渦，這是因?yàn)殚L邊上的錐形渦發(fā)展距離比較長，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，引起的風(fēng)吸力更加強(qiáng)勁.

對于單個(gè)三角形開孔的內(nèi)平均風(fēng)壓系數(shù)呈倒“S”分布，幅值先增大后減小再增大，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和最小風(fēng)壓系數(shù)幅值總的趨勢是先增大后減小，但隨著風(fēng)向角的變化波動(dòng)較大.隨著開孔面積的減小，各風(fēng)向角下統(tǒng)計(jì)量幅值也有增大的趨勢，這是因?yàn)殡x迎風(fēng)邊緣越近，錐形渦作用越強(qiáng)的緣故.值得一提的是，不同于工況Ⅴ，工況Ⅵ各風(fēng)向角風(fēng)壓系數(shù)的統(tǒng)計(jì)量幅值隨風(fēng)向角的變化并沒有那么劇烈，這一方面說明雙開孔破壞性比單開孔破壞性要小，另一方面說明成對出現(xiàn)的錐形渦同時(shí)對內(nèi)壓的影響并不比單邊錐形渦的影響強(qiáng)，這也從側(cè)面說明兩側(cè)迎風(fēng)前緣的錐形渦的強(qiáng)度并非同時(shí)增大或減小，它們之間的強(qiáng)度變化有一定的時(shí)間間隔.對比方形開孔和三角形開洞，可知最不利風(fēng)向角和最不利工況下三角形開孔風(fēng)壓系數(shù)統(tǒng)計(jì)量幅值均大于方形開孔工況，說明三角形開孔破壞作用更大.

圖5 面積加權(quán)內(nèi)壓系數(shù)隨風(fēng)向角的變化

Fig.5 The variations of areaweighted internal pressure coefficients with wind directions



為了分析內(nèi)壓對屋蓋上凈風(fēng)荷載的影響，選取最不利情況：工況Ⅴ30°風(fēng)向角時(shí)，對比垂直于迎風(fēng)邊緣分布測點(diǎn)的內(nèi)壓、外壓和凈壓的風(fēng)壓系數(shù)值，見表3.可知在最不利情況下，平均凈風(fēng)壓系數(shù)均為正值，相比脈動(dòng)外壓風(fēng)壓系數(shù)，只有小部分測點(diǎn)的脈動(dòng)凈風(fēng)壓系數(shù)因?yàn)閮?nèi)外負(fù)壓的疊加作用而減小，大部分測點(diǎn)的脈動(dòng)凈風(fēng)壓系數(shù)都比脈動(dòng)外風(fēng)壓系數(shù)大.

表3中同時(shí)給出了內(nèi)外風(fēng)壓系數(shù)的相關(guān)系數(shù)，從表中可看出，在錐形渦作用范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)先增大后減小，錐形渦影響區(qū)域以外，相關(guān)系數(shù)趨于一個(gè)

表3 30°風(fēng)向角下工況Ⅴ的內(nèi)壓、外壓和凈壓系數(shù)

Tab.3 Internal, external and net pressure coefficients

of Case Ⅴ in 30° wind direction

測點(diǎn)

Cpdmean

Cpumean

Cpnmean

Cpdrms

Cpurms

Cpnrms

ρud

-2.25

-1.82

0.43

0.58

0.35

0.57

0.33

-2.23

-2.12

0.11

0.57

0.46

0.60

0.34

-2.24

-1.98

0.26

0.56

0.43

0.77

-2.26

-1.15

1.11

0.57

0.64

0.48

0.68

-2.26

-0.67

1.59

0.57

0.43

0.53

0.47

-2.25

-0.47

1.78

0.57

0.22

0.57

0.20

-2.24

-0.41

1.83

0.57

0.15

0.58

0.01

-2.26

-0.43

1.83

0.57

0.13

0.59

-0.01

104

-2.25

-0.43

1.82

0.58

0.11

0.59

0.04注：Cpdmean,Cpumean和Cpnmean分別表示內(nèi)平均風(fēng)壓系數(shù)、外平均風(fēng)壓系數(shù)和凈平均風(fēng)壓系數(shù);Cpdrms, Cpurms和Cpnrms分別表示內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)、外脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)和凈脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù); ρud表示內(nèi)外風(fēng)壓系數(shù)的相關(guān)系數(shù).

較小的穩(wěn)定值.可從錐形渦的影響來解釋這一現(xiàn)象，屋蓋迎風(fēng)角部處的錐形渦作用通過孔口傳遞到房屋內(nèi)部，而在屋蓋外表面，錐形渦具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式，因而其作用范圍的外風(fēng)壓相關(guān)性較高［14］，這種共同受錐形渦影響的內(nèi)外風(fēng)壓，其時(shí)域相關(guān)性必定會(huì)很高，特別是錐形渦作用范圍內(nèi).另外，相關(guān)系數(shù)越大，脈動(dòng)凈風(fēng)壓系數(shù)越小，尤其是渦核區(qū)的測點(diǎn)，因?yàn)橄嚓P(guān)性越高，抵消作用越明顯.

圖6給出了迎風(fēng)邊緣測點(diǎn)4、渦核區(qū)測點(diǎn)14、再附區(qū)測點(diǎn)34和漩渦脫落區(qū)測點(diǎn)104在工況Ⅴ30°風(fēng)向角時(shí)內(nèi)壓、外壓和凈壓的概率密度分布圖.內(nèi)壓更接近于高斯分布，其偏度值和峰度值與高斯分布的相差不大，外壓的概率分布偏離高斯分布的程度與測點(diǎn)的位置有關(guān)，渦核區(qū)偏離程度最大，再附區(qū)次之，漩渦脫落區(qū)最小，接近高斯分布.由于內(nèi)壓的影響，各位置測點(diǎn)的凈風(fēng)壓系數(shù)的概率密度分布相比于外風(fēng)壓系數(shù)的密度分布，更接近高斯分布，這與在渦核區(qū)脈動(dòng)凈風(fēng)壓比脈動(dòng)外風(fēng)壓小是等價(jià)的.

（Cp-Cpmean)/Cprms(a)測點(diǎn)4

（Cp-Cpmean)/Cprms(b)測點(diǎn)14

（Cp-Cpmean)/Cprms(c)測點(diǎn)34

（Cp-Cpmean)/Cprms(d)測點(diǎn)104

圖6測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)概率分布函數(shù)(Sk代表偏度值，Ku代表峰度值)



Fig.6Wind pressure coefficient probability distributions of different taps (Sk represents skewness and Ku kurtosis)



2.3 頻域特性

圖7給出了45°風(fēng)向角時(shí)2個(gè)工況下4個(gè)內(nèi)部測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)的功率譜密度，可知內(nèi)部功率譜密度幾乎完全重合，說明內(nèi)部風(fēng)壓脈動(dòng)在頻域內(nèi)也具有很強(qiáng)的相關(guān)性.此外，除了高頻尾部風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)頻率和噪聲頻率引起的毛刺，2個(gè)工況的功率譜密度均出現(xiàn)了2個(gè)明顯的譜峰值，一個(gè)位于35.1 Hz附近，一個(gè)位于42.7 Hz左右.

為了解釋這兩個(gè)峰值產(chǎn)生的原因，圖8給出了45°風(fēng)向角時(shí)工況Ⅰ測點(diǎn)111外壓、內(nèi)壓和凈壓風(fēng)壓系數(shù)的功率譜密度.外壓在高頻范圍(42.7 Hz)出現(xiàn)了一個(gè)譜峰值,為斜風(fēng)向下錐形渦漩渦脫落主導(dǎo)頻率(簡稱漩渦脫落頻率)，內(nèi)壓和圖7一樣出現(xiàn)了2個(gè)譜峰值，一個(gè)位于漩渦脫落頻率處，另一個(gè)經(jīng)分析為開孔引起的Helmholtz共振頻率(簡稱Helmholtz頻率).本次試驗(yàn)中Helmholtz頻率均小于漩渦脫落頻率，但是譜密度均大于漩渦脫落頻率處的譜密度，說明此處的能量更強(qiáng).屋蓋內(nèi)外風(fēng)壓疊加下的凈風(fēng)壓的功率譜密度如圖8(c)所示，譜峰值出現(xiàn)在Helmholtz頻率處，漩渦脫落頻率處的譜峰值消失了，這是因?yàn)殄F形渦作用范圍內(nèi)的風(fēng)壓與內(nèi)壓有很強(qiáng)的時(shí)域和頻域相關(guān)性，內(nèi)外壓的疊加作用抵消了漩渦的作用，而Helmholtz共振作用只出現(xiàn)在內(nèi)壓中，因此在凈壓譜中不會(huì)被抵消.在此需要說明的是，其他角部開孔情況，在形成錐形渦的風(fēng)向角下，內(nèi)壓譜同樣存在雙峰現(xiàn)象，限于篇幅，這里不再贅述.

f/Hz(a)工況Ⅰ

f/Hz(b)工況Ⅳ

圖7 內(nèi)壓功率譜密度

Fig.7Spectra of internal pressure coefficients

f/Hz(a)測點(diǎn)111外壓譜

f/Hz(b)測點(diǎn)111內(nèi)壓譜

f/Hz(c)測點(diǎn)111凈壓譜

圖8 測點(diǎn)111的風(fēng)壓譜

Fig.8Pressure spectra of Tap 111

3結(jié) 論

本文通過屋蓋角部開孔模擬低矮房屋屋蓋角部

破壞后的受荷情況，基于實(shí)測房屋模型風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了屋蓋角部不同開孔大小和開孔形狀情況下低矮房屋內(nèi)壓、外壓和凈壓等荷載特性.內(nèi)外壓的疊加作用使屋蓋上出現(xiàn)了很大的正風(fēng)壓，隨著開孔面積越集中于迎風(fēng)角和迎風(fēng)前緣，內(nèi)壓作用越強(qiáng)，時(shí)域相關(guān)性越好；內(nèi)壓的概率密度接近于高斯分布，由于內(nèi)壓的抵消作用，相比于外壓，凈壓的非高斯特性有所減弱；受Helmholtz共振和漩渦脫落的共同影響，內(nèi)壓譜在Helmholtz頻率和漩渦脫落頻率處均出現(xiàn)了譜峰值，但是在凈壓譜中漩渦脫落作用被抵消了；通過內(nèi)壓的荷載特性，可間接反映出錐形渦的一些特征，比如迎風(fēng)前緣的長度有利于錐形渦的結(jié)構(gòu)發(fā)展，使錐形渦的作用更強(qiáng).

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