趙 雷, 余志祥,2, 齊 欣, 趙世春

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室， 成都 610031)

低矮建筑屋蓋風(fēng)雪流作用場地實測與數(shù)值模擬

趙 雷1, 余志祥1,2, 齊 欣1, 趙世春1

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室， 成都 610031)

為了研究風(fēng)雪流對低矮建筑屋蓋的作用，制作了6組縮尺模型，在常遇雪天氣候下，開展了屋蓋積雪特性場地實測與?；治?，考慮了典型的階梯型屋面以及平屋面、雙坡屋面、女兒墻等因素的影響，提出了典型低矮建筑屋蓋積雪荷載?；Ｐ?。研究表明：階梯型屋面的積雪分布與已有的場地實測及風(fēng)洞試驗結(jié)果相似；平屋面雪荷載沿來流方向呈倒U型分布，可?；癁榫鶆蚍植?，但隨著風(fēng)速變化，積雪漂移使積雪形態(tài)可能向倒V型演化，建議考慮其線性非均勻分布對結(jié)構(gòu)的不利影響；風(fēng)速較低時，雙坡屋面的積雪漂移量較少，對迎風(fēng)側(cè)屋蓋更不利，國內(nèi)外規(guī)范均側(cè)重考慮了積雪漂移對背風(fēng)側(cè)的影響，建議考慮弱風(fēng)條件下積雪漂移對迎風(fēng)側(cè)的不利影響；女兒墻的存在使屋面積雪量有較大的增加，屋蓋前緣和后緣區(qū)域的漂移長度差異較大。結(jié)合風(fēng)洞試驗與場地實測，考慮雪粒子與風(fēng)場的雙向耦合、雪粒碰撞、黏結(jié)，探索性地對階梯型屋面的積雪分布進行了二維數(shù)值模擬，論證了DEM-CFD風(fēng)雪流模擬方法的可行性。

風(fēng)雪流；低矮建筑；屋蓋結(jié)構(gòu); 場地實測；數(shù)值模擬；規(guī)范

隨著全球極端氣候的頻繁出現(xiàn)，因風(fēng)雪流作用導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)垮塌的報道常見諸于媒體，既有事故調(diào)查表明：雪荷載過大、局部不均勻堆載及風(fēng)雪耦合作用是導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的主要原因[1]。特別是近年來被廣泛使用的大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)，因其豎向剛度較弱、圍護體系輕薄，對豎向荷載的非均勻分布較為敏感，加之風(fēng)荷載是其主控作用之一，因此，風(fēng)雪流災(zāi)害影響往往更為突出[2]。Majowiecki[3]也曾指出：風(fēng)雪流產(chǎn)生的躍移及由此造成的建筑表面積雪的不均勻分布是大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的問題之一。

目前，世界各國規(guī)范[4-7]基本上均將風(fēng)荷載與雪荷載視作兩種無相互作用的外部作用。屋面雪荷載常用基本雪壓與一系列關(guān)聯(lián)系數(shù)(如傾角系數(shù)、遮擋系數(shù)和熱力系數(shù)等)的乘積確定，且差異較大，尤其針對雪荷載非均勻分布影響，亦主要按經(jīng)驗確定。而針對屋蓋風(fēng)荷載，既沒考慮雪顆粒運動對風(fēng)場的影響，也沒考慮建筑氣動外形和質(zhì)量因積雪分布產(chǎn)生改變，進而影響氣動特性這一重要問題。

針對風(fēng)雪流，國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬及場地實測開展了大量研究。Tsuchiya等[8]對一階梯形建筑縮尺模型進行了場地實測，模型高低兩階屋面的長×寬×高分別為5.4 m×1.8 m×1.8 m和5.4 m×4.5 m×0.9 m安裝于離地面0.5 m的位置，測試了實測場地的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及低階屋面的積雪分布形態(tài)，并與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行比較，研究了繞流對屋面積雪特性的影響。Thiis[9]對一7.5 m×2.5 m×2.5 m的長方體模型以及兩個相鄰5.9 m，邊長為2.5 m的立方體模型周邊地面積雪模式進行了研究，揭示了風(fēng)速與風(fēng)致積雪漂移堆積情況的關(guān)系以及既存積雪對積雪沉積率的影響。O’Rourke等[10-12]采用解析方法計算了屋面雪荷載、風(fēng)速數(shù)據(jù)及地面積雪分布等參數(shù)，統(tǒng)計計算獲得N年重現(xiàn)期屋面最大雪荷載，并采用核桃殼粉粒模擬雪粒，在水槽中對屋面積雪分布進行試驗研究，試驗?zāi)Ｐ桶p坡屋面、平屋面和階梯形屋面，分析了迎風(fēng)側(cè)屋面吹雪質(zhì)量輸運率。Cocca等[13]介紹了基于歷史氣象數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)模型估計屋面N年重現(xiàn)期雪荷載的方法。Tominaga等[14]基于兩相流理論提出了改進吹雪沉積與侵蝕的計算方法，并對立方體建筑周邊積雪進行數(shù)值模擬，得到與實測及風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)符合較好的結(jié)果。孫曉穎等[15]基于多相流模型，對幾種典型大跨度屋蓋的風(fēng)雪流作用進行了數(shù)值模擬。王衛(wèi)華等[16]采用石英砂模擬雪粒子，在邊界層風(fēng)洞中對典型階梯形屋面及雙坡屋面進行了積雪特性的試驗研究。

鑒于風(fēng)雪流作用的復(fù)雜性，場地實測已成為最直接、有效、可靠的研究方法。但既有的實測數(shù)據(jù)多針對風(fēng)雪流輸運特性以及建筑物周邊積雪，而針對建筑屋面積雪的實測研究相對較少。故此，本文旨在采用場地實測的方式，兼顧考慮風(fēng)雪流研究中典型的階梯型屋面以及工程中常用的平屋面、雙坡屋面、女兒墻等影響因素，對常遇雪天下的屋面積雪進行研究。同時，基于實測結(jié)果，與多國規(guī)范進行比較，分析兩者差異，提出可供設(shè)計參考的建議。最后，基于DEM(Discrete Element Method)與CFD (Computational Fluid Dynamics)，考慮雪粒子的碰撞、黏結(jié)及其與風(fēng)場的雙向耦合，探索性地對階梯型屋面積雪分布開展了二維數(shù)值模擬，結(jié)合風(fēng)洞試驗與實測數(shù)據(jù)論證了其有效性。

1 模型設(shè)計與實測

實測場地位于黑龍江省泰康縣體育場(見圖1)，該處地形開闊、平坦，適合進行場地實測，同時按GB 50009—2012規(guī)定，易判斷其屬于B類場地。因僅做機理性研究，故模型并無特定縮尺對象，采用膠合板、方木、合頁及鋼排釘，共制作了方便搬運、拆裝的建筑模型共6組，其中典型階梯型屋面及有、無女兒墻平屋面模型各1組，有、無女兒墻雙坡屋面分別為2組及1組。除階梯型屋面長度為3 000 mm外，其余模型長、寬、高均分別為1 500 mm、1 200 mm和1 200 mm，女兒墻高度為50 mm，模型特征及編號,如表1所示。模型擺放方位依據(jù)冬季該處氣流主流方向以及場地的實際情況布置。實測模型及風(fēng)速風(fēng)向儀的布置方式，如圖2所示。模型之間的橫向間距為10 m，縱向間距為15 m，風(fēng)速風(fēng)向儀位于場地的正中心。

圖1 實測場地Fig.1 Measured field

表1 模型特征及標(biāo)號

(a)平面示意 (b)實物照片圖2 模型布置方式Fig.2 Layout of models

實測內(nèi)容包括降雪期間的風(fēng)速風(fēng)向、模型屋面的積雪深度及場地的平均積雪深度。風(fēng)速風(fēng)向采用YGY-FSXY1風(fēng)速風(fēng)向儀測量，采集時間間隔為10 min，傳感器安置高度為2.5 m。積雪深度采用游標(biāo)卡尺豎直插入進行測量，測點采用標(biāo)線儀進行激光定位，測點縱橫向間距為50 mm，沿屋面均勻分布，并在積雪深度預(yù)期變化梯度大的區(qū)域適當(dāng)加密，通過Kriging方法對測點數(shù)據(jù)進行三維反演，獲得屋面積雪分布特征。場地地面積雪深度的測點位于該體育場跑道，該跑道冬季用作滑冰賽道，降雪前即為平整光滑的冰面，利于地面積雪深度的準(zhǔn)確測量，同時，采用多次隨機采樣取平均值的方式獲得實測場地的地面積雪深度。

2015-02-22/02-23，當(dāng)?shù)亟抵械酱笱?，雪停后立即進行測量。按前述測量方式，隨機選取8個測點測得地面積雪平均深度為42 mm。根據(jù)實測(見圖3)，可知降雪期間風(fēng)向以西南偏西為主，而且風(fēng)速較小，實測風(fēng)速v1約為1.77 m/s。結(jié)合當(dāng)?shù)貙崪y空氣密度ρ1與理想空氣密度ρ0(12.5 kg/m3)對v1進行修正，其中ρ1依據(jù)實測場地海拔高度h按式(1)計算，修正后實測平均風(fēng)速v2(式(2))為1.74 m/s。

ρ1=1.25e-0.000 1h

(1)

(2)

按指數(shù)律風(fēng)速剖面[17]轉(zhuǎn)化為10 m標(biāo)準(zhǔn)高度處的平均風(fēng)速約為2.17 m/s。

(a)風(fēng)速時程曲線 (b)風(fēng)向頻率玫瑰圖圖3 氣象資料Fig.3 Meteorological data

為了更直觀地反映屋面積雪分布實測的結(jié)果，本文中定義屋面積雪分布系數(shù)cs

(3)

式中：hr為屋面實測點積雪深度；hg為地面實測積雪深度的平均值。

2 積雪分布特征

2.1 平屋面

圖4為無女兒墻平屋面積雪后的實際形態(tài)，圖5為屋面積雪分布系數(shù)的實測結(jié)果。據(jù)圖分析易知：模型四周檐口處因受氣流剝離和積雪滑落影響，侵蝕較為嚴(yán)重，順流向積雪厚度的變化梯度較大，其中靠屋面前緣的順流向侵蝕長度(屋面邊緣積雪深度急劇變化區(qū)域的寬度)約25 mm，背風(fēng)側(cè)大致為迎風(fēng)面的2倍，達到50 mm；屋面積雪沿流向整體呈倒“U”型分布，積雪分布系數(shù)為0.4～0.8，具有一定非均勻分布特征。沿順流向中軸的積雪分布可按斷面面積相等簡化為線性分布，其中迎風(fēng)側(cè)積雪系數(shù)為0.5，背風(fēng)側(cè)為0.75。

(a) (b)圖4 1#模型實際積雪形態(tài)Fig.4 1# model after snowfall

(a)屋面整體積雪分布 (b)橫斷面積雪分布圖5 1#模型屋面積雪分布Fig.5 Snow distribution of 1# model

2.2 雙坡屋面

圖6為無女兒墻雙坡屋面(3#及4#模型)積雪后的實際形態(tài)，兩組模型的擺放角度正交(圖2(a))；圖7為模型屋面積雪分布系數(shù)的實測結(jié)果；圖8為模型屋面積雪系數(shù)沿垂直于屋脊方向的中軸分布曲線。分析易知：2組模型在屋脊兩側(cè)均有積雪堆積，檐口位置亦有明顯侵蝕，總體呈M形；迎風(fēng)側(cè)積雪分布系數(shù)均在順流向長度x=0.25 m達到最大，其中3#、4#模型分別為0.8和0.75；背風(fēng)側(cè)較迎風(fēng)側(cè)的積雪系數(shù)均有增加，均在x=1.0 m處達到最大，其中3#模型最大值為0.9，4#模型為最大值為1.0；屋脊位置x=0.6 m處雪深系數(shù)均較小，其中3#模型為0.4，4#模型為0.3。2組模型橫斷面積雪分布系數(shù)的分布類似，4#模型雖然峰值較3#模型略大，但沒有3#模型飽滿；積雪分布系數(shù)按斷面積等效可簡化為階梯型，其中迎風(fēng)側(cè)為0.65，背風(fēng)側(cè)為0.85。需特別指出的是，因來流風(fēng)速較低，兩組模型分布形態(tài)較為接近；同時，3#模型因其屋脊近似平行于來流風(fēng)向，屋脊兩側(cè)積雪分布也更趨于對稱。

(a)3#模型 (b)4#模型圖6 3#和4#模型實際積雪形態(tài)Fig.6 3# and 4# models after snowfall

(a)3#模型 (b)4#模型圖7 3#和4#模型屋面積雪分布Fig.7 Snow distribution of 3# and 4# models

圖8 3#和4#模型屋面橫斷面積雪分布Fig.8 Snow distribution on cross section

2.3 階梯型屋面

圖9為典型階梯型屋面積雪后的實際形態(tài)，圖10為低屋面積雪分布系數(shù)的實測結(jié)果。分析易知：cs從低屋面屋檐(x/H=0)處的0.2緩慢增加到x/H=2.1位置處達到最大，最大值為的1.4，隨后快速下降至x/H=2.8位置處的0.3，最后在低屋面末端(x/H=3)處急劇增加至1.2。低屋面積雪在x/H=2.1～2.8位置處所受風(fēng)力的掏蝕作用非常明顯。

(a) (b)圖9 7#模型實際積雪形態(tài)Fig.9 7# model after snowfall

圖10 7#模型低屋面積雪分布Fig.10 Snow distribution of 7# model

2.4 女兒墻對屋面積雪分布的影響

圖11為有無女兒墻時沿模型中軸橫斷面的積雪系數(shù)實測結(jié)果，包含平屋面及雙坡屋面兩種模型，共計四組參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：相同屋面形狀時，女兒墻對積雪系數(shù)的分布模式影響不大，但女兒墻的存在削弱了相鄰屋面的氣流剝離作用，使屋檐位置處積雪分布系數(shù)明顯增大(見圖11(a))；其分布規(guī)律為：沿順流向迎風(fēng)側(cè)的影響約10倍女兒墻高范圍，背風(fēng)側(cè)靠近女兒墻附近的影響約2～4倍墻高范圍，且雙坡屋面影響更甚；現(xiàn)行規(guī)范中除ASCE規(guī)范規(guī)定女兒墻的影響范圍與墻高和積雪深度相關(guān)外，中、加、歐規(guī)范均只規(guī)定為2倍墻高，遠(yuǎn)低于本文實測；同時，從積雪橫斷面積比較來看，女兒墻的存在使平均積雪系數(shù)增大約20%。

(a)平屋面 (b)雙坡屋面圖11 女兒墻對屋面積雪分布的影響Fig.11 Snow distribution influenced by parapets

3 實測結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范的比較

中國規(guī)范、ASCE規(guī)范、NBC規(guī)范及EU規(guī)范中雪荷載的計算公式分別為

Sk=μrS0

(4)

Ps=0.7CsCeCtIpg

(5)

S=Is[Ss(CbCwCsCa)+Sr]

(6)

S=μiCeCtsk

(7)

式中：Sk、ps、S均為屋面雪荷載；S0、pg、Ss、sk均為基本雪壓；μr為屋面積雪分布系數(shù)；Cs為傾斜系數(shù)，反映屋面坡度的影響；Ce為遮擋系數(shù)，反映周圍環(huán)境對建筑物的遮擋效應(yīng)；Ct為熱力系數(shù)，反映建筑物采暖情況的影響；I，Is為建筑物重要性系數(shù)；Cb為屋面雪荷載基本系數(shù)，除大跨度屋面有特殊規(guī)定外，一般情況下均取為0.8；Cw為風(fēng)力系數(shù)，反映風(fēng)對屋面積雪的影響；Ca、μi均為屋面形狀系數(shù)；Sr為關(guān)聯(lián)的雨水荷載，并且不大于Ss(CbCwCsCa)。此外，ASCE規(guī)范和NBC規(guī)范還將屋面分為光滑屋面和非光滑屋面。

為方便比較，可通過合理的參數(shù)設(shè)置，使得規(guī)范計算得到的雪荷載與本文式(3)所定義的屋面積雪分布系數(shù)cs具有相同的物理意義。參數(shù)設(shè)置如下：均按非光滑屋面考慮；ASCE規(guī)范的Ce、Ct及I，NBC規(guī)范的Is、Cw、Sr，EU規(guī)范的Ce、Ct均取為1.0，NBC規(guī)范中Cb取0.8；基本雪壓為單位值。

3.1 平屋面

平屋面雪載分布實測值及相關(guān)規(guī)范計算值,如圖12(a)所示。由圖12(a)可知，本文實測結(jié)果與歐、美、加三國規(guī)范的計算值較為接近，而中國規(guī)范的計算值則偏安全。這一定程度也證明了本文實測結(jié)果的有效性。

圖12(b)為平屋面的雪載形態(tài)，由圖12(b)可知，4個國家的規(guī)范均只考慮了雪荷載的均勻分布。但根據(jù)風(fēng)雪流的基本理論易判斷，隨著風(fēng)速增大，平屋面不均勻堆積特征也會加大，屋蓋積雪系數(shù)倒U型分布具有向到V型演化的趨勢，隨著跨中積雪增大，可能對大跨度屋蓋的不利影響會加劇。因此，結(jié)合本文實測結(jié)果，建議平屋面雪荷載同時考慮均勻分布與線性非均勻分布(見圖12(b))兩種形態(tài)，本文實測積雪系數(shù)可供參考。

(a)分布系數(shù) (b)分布形態(tài) 圖12 平屋面雪荷載分布Fig.12 Snow load distribution on flat roof

3.2 雙坡屋面

據(jù)圖13(a)分析可知，針對雙坡屋面，歐、美、加3個國家規(guī)范的均布積雪系數(shù)計算值與本文實測值更接近，中國規(guī)范計算值偏大。當(dāng)考慮非均勻分布時(見圖13(b))，在迎風(fēng)側(cè)，除中國規(guī)范值與本文實測值很接近外，其余3個國家的規(guī)范值明顯偏低，背風(fēng)側(cè)本文實測值與歐洲及美國規(guī)范更為接近，中國及加拿大規(guī)范則有較大富余。4個國家的規(guī)范中雙坡屋面的非均勻積雪分布狀態(tài)均依據(jù)積雪的漂移量確定，如美國規(guī)范規(guī)定當(dāng)屋蓋跨不大于6.1 m時，迎風(fēng)側(cè)100%漂移，而當(dāng)跨度大于6.1 m時，迎風(fēng)側(cè)則70%發(fā)生漂移，中國、加拿大和歐洲規(guī)范則分別按25%、100%和50%考慮，因此有較大差異。

(a)均勻分布 (b)非均勻分布圖13 雙坡屋面積雪分布系數(shù)Fig.13 Snow load distribution coefficient on pitched roof

4 風(fēng)雪流模擬

基于本文階梯型屋面積雪的部分實測數(shù)據(jù)，進一步對采用DEM-CFD方法進行風(fēng)雪流數(shù)值模擬展開了探索性研究。和傳統(tǒng)多相流方法相比，該方法可考慮雪粒子的碰撞、黏結(jié)，以及風(fēng)與雪之間的雙向耦合作用。

4.1 流域及邊界條件

根據(jù)Tsuchiya實測模型(見圖14(a))(H=0.9 m)構(gòu)建了二維流場，計算域長31 m，高10 m，寬度方向為4層厚0.05 m的單元，網(wǎng)格劃分采用分塊結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格(見圖14(b))，最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m。

(a)實測模型 (b)計算網(wǎng)格圖14 計算模型示意Fig.1 Diagram of calculation model

入口為速度邊界(velocity-inlet)，出口位置沿流向的壓力梯度為0，流域頂部及兩側(cè)面均采用對稱邊界條件(symmetry)，等價于自由滑移壁面，建筑物表面及地面均采用無滑移的壁面條件(wall)。兼顧計算量并參考相關(guān)文獻的研究結(jié)果，選用Realizablek-ε湍流模型與加強壁面函數(shù)的組合可取得不錯的CFD模擬結(jié)果。

入口處風(fēng)速剖面采用指數(shù)函數(shù)[18]，標(biāo)準(zhǔn)參考高度處的平均風(fēng)速取為24 m/s；地面粗糙度指數(shù)α，根據(jù)Davenport的建議，取0.16。湍流強度Iu、湍動能k和湍流耗散率ε的的取值參考文獻[19-20]建議，本文不再贅述。上述入口參量采用UDF (User-Defined Functions)編程與Fluent作接口實現(xiàn)。

4.2 雪顆粒相關(guān)參數(shù)

采用球形模型對雪粒子進行模擬，忽略雪顆粒的升華、融化等物理現(xiàn)象。采用Hertz-Mindlin (No Slip)模型[21-24]考慮雪顆粒之間及雪顆粒與壁面之間的碰撞，基于Linear Cohesion模型[25]通過添加法向凝聚力的方式修正Hertz-Mindlin (No Slip)模型來考慮雪顆粒之間的黏性，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 接觸模型參數(shù)

模型壁面采用混凝土材料，雪粒子及混凝土相關(guān)參數(shù)，如表3所示。

表3 材料參數(shù)

4.3 耦合求解方法

采用Eulerian耦合方法進行求解，該方法通過體積分?jǐn)?shù)α對連續(xù)性方程進行修正來考慮雪顆粒與風(fēng)場相互作用。忽略雪顆粒與流場之間熱交換，僅考慮質(zhì)量守恒及動量守恒。流體的連續(xù)性方程為

(8)

式中：下標(biāo)F為流體；下標(biāo)P為粒子；α為體積分?jǐn)?shù)；ρ為密度；v為速度；m為質(zhì)量。

每個單元中粒子質(zhì)量的改變率為

(9)

式中,τ為CFD的計算時間步。

動量守恒方程為

(10)

式中：下標(biāo)F為流體；τF為黏性應(yīng)力張量；p為壓力；Pp為從顆粒處獲得的動量；g為重力加速度。

耦合計算前采用“4.2”節(jié)參數(shù)，在階梯型屋面的低階屋面上鋪設(shè)0.1 m厚的雪顆粒，如圖14所示。其中DEM的計算時間步長為5×10-5s，為瑞利時間步長的50%；網(wǎng)格尺寸為0.01 m，即顆粒半徑的2倍。CFD計算時間步長設(shè)為0.01 s，總模擬計算時間為2.5 s。曳力模型采用Freesteam Equation方式，升力采用Saffman模型。

4.4 計算結(jié)果

圖15(a)和圖15(b)為不同時刻粒子的跡線圖，圖15(c)和圖15(d)為模型周圍流線圖以及粒子的分布形態(tài)，易知：流場的分離、再附、駐渦等繞流特征明顯；低階屋檐處剝離較為嚴(yán)重，粒子受其影響發(fā)生懸移運動，中后段粒子以躍移及蠕移為主，部分躍移粒子在撞擊到壁面后下落到低屋面尾端，而尾端受駐渦影響較大，粒子分布出現(xiàn)明顯的堆積及掏蝕。仿真時長達到0.6 s后，屋面積雪分布形態(tài)基本穩(wěn)定，表現(xiàn)為低屋面中前端的粒子受到駐渦影響向迎風(fēng)側(cè)發(fā)生蠕移，到屋檐處時受到剝離的影響隨即發(fā)生懸移。

(a)t=0.2 s (b)t=0.4 s (c)t=0.6 s (d)t=0.8 s圖15 跡線、流線及粒子分布形態(tài) Fig.15 Path lines,streamlines and particle distribution

圖16為階梯型屋面在無積雪時流場特性的風(fēng)洞試驗以及數(shù)值模擬結(jié)果。可知，有無積雪時流場在高低屋面的前緣均會出現(xiàn)較強的分離流動，在建筑物的后方均會出現(xiàn)較大的回流漩渦，但由于積雪與雪顆粒懸移的存在，使得低屋面上方的回流漩渦出現(xiàn)明顯削弱。

(a)風(fēng)洞試驗

(b)數(shù)值仿真[26]圖16 無積雪分布時流場特性Fig.16 Flow field characteristics without snow

圖17給出了t=0.8 s時低屋面cs的分布曲線，計算時hg取為初始鋪設(shè)的積雪深度。圖中同時給出了前文的場地實測結(jié)果以及Tsuchiya的3次場地實測結(jié)果和王衛(wèi)華等在XNJD-3風(fēng)洞實驗室的試驗結(jié)果。由圖17可知,模擬值與1#試驗值較為接近，本文實測值與3#試驗值較為一致，模擬結(jié)果與5組試驗值的分布態(tài)勢總體一致，但在靠近最大積雪深度位置的梯度略有差異，其原因和風(fēng)吹雪作用時間、下雪量、風(fēng)向等都有關(guān)系。

區(qū)別主要體現(xiàn)在：場地實測時cs的最大值為1.0～1.6，位于x/H=2.2～2.4，而仿真計算結(jié)果的最大值則為1.2，位于在x/H=2.5處；在x/H=2.3～2.7區(qū)域內(nèi)，場地實測值快速下降至0.1～0.3，但計算結(jié)果直至x/H=2.9處才達到最小，為0.7，其分布特征與風(fēng)洞試驗更為接近；在低屋面末端(x/H=3.0)處，均有一定的堆積出現(xiàn)，實測結(jié)果為0.7～1.9，風(fēng)洞試驗值為0.98，計算結(jié)果則為1.1。

分析其差異的原因主要在于：①實測時其主風(fēng)向并非完全正風(fēng)向，而是與屋面有一定夾角；②場地實測時，Tsuchiya的實測模型特征高度H=0.9 m，并安置于離地面0.5 m位置處，本文作者實測模型的特征高度H=0.6 m，并安置于地面，而計算時模型安置于地面且特征高度H=0.9 m；③計算時所采用的k-ε湍流模型本身具有局限性，其不足主要體現(xiàn)在繞流時，迎風(fēng)側(cè)檐口前側(cè)氣流剝離位置的湍動能容易過高估計，同時伴隨著后側(cè)湍動分離不足；④風(fēng)雪流風(fēng)洞試驗在雪粒子合理等代上爭議較大。

圖17 低屋面積雪分布Fig.17 Snow distribution on the low roof

5 結(jié) 論

綜上所述，可得：

(1) 平屋面積雪沿來流方向呈倒U型分布，隨著風(fēng)速增大，積雪漂移使積雪形態(tài)可能向倒V型演化，建議考慮其線性非均勻分布對結(jié)構(gòu)的不利影響。

(2)女兒墻的存在使屋面積雪加劇，且屋蓋前緣和后緣區(qū)域的漂移長度差異較大。

(3)采用DEM-CFD進行風(fēng)雪流數(shù)值模擬是可行的，該方法可考慮雪粒子運動特征及雪粒子對流場的影響，2D模擬結(jié)果與實測試驗值吻合較好，這位采用計算機模擬進一步預(yù)測積雪形態(tài)提供了途徑。

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Fieldmeasurementsandnumericalsimulationofsnowdriftonlow-risebuildings

ZHAO Lei1, YU Zhixiang1,2, QI Xin1, ZHAO Shichun1

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Ministry of Education， Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Field measurements and numerical simulations were adapted to research snowdrifts on low-rise buildings. Typical roofs including stepped flat roof, flat roof and pitched roof were considered. Snow load models on typical roofs were put forward. The results show thatcson stepped flat roof is similar to the existing results,cson flat roof increases along the wind direction, presenting an inverted u-shaped distribution, and can be simplified as an uniform distribution. With the changing of wind speed,cstrends to the evolution of inverted “V”. The adverse effect due to the linear inhomogeneous distribution should be considered. On the pitched roof, the amount of snowdrift is less on the condition of weak wind weather, the adverse effect on the windward side is suggested to be considered. Snow load on the plat roof and the pitched roof both increase due to the existence of parapets, and the drift length on the windward side is much higher than that on the Leeward side. At last, a coupled CFD and DEM method was used to simulate snowdrift on typical stepped flat roof, considering collision and bonding of snow, and the simulation results had a good consistency with the existing field measurement.

snowdrift; low-rise buildings; roof structure; field measurement; numerical simulation; norms

國家自然科學(xué)基金項目(51378428)；西南交通大學(xué)青年科技創(chuàng)新項目(SWJTU12CX069)

2016-04-27 修改稿收到日期： 2016-09-09

趙雷 男，博士生，1990年生

余志祥 男，博士，副教授 ，1976年生

TU312.1;TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.22.035