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风雪热耦合作用下大跨屋盖多次累积雪荷载分布规律研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

张清文

项目受资助机构

哈尔滨工业大学

立项年度

2019

立项时间

未公开

项目编号

51978207

研究期限

未知 / 未知

项目级别

国家级

受资助金额

60.00万元

学科

工程与材料科学-建筑与土木工程-结构工程

学科代码

E-E08-E0804

基金类别

面上项目

关键词

实地测量 ; 数值模拟 ; 雪荷载 ; 空间结构 ; 风雪联合实验系统 ;

参与者

莫华美；张瑀；张国龙；刘盟盟；章博睿；殷子昂；金钰；李昊宇；任志成

参与机构AI

哈尔滨工业大学

项目标书摘要：以大跨屋盖雪荷载为研究对象，结合长期积累的屋面雪荷载实测数据，综合考虑风雪耦合作用下单次降雪过程和雪热耦合作用下降雪间隔期雪荷载演变过程，以风雪热耦合作用为切入点，系统研究基于多次降雪的大跨度复杂屋盖雪荷载演变机理；利用考虑多因素耦合效应的多次降雪累积雪荷载实测方法，多指标可控的低温风雪热联合试验方法以及精细化数值模拟方法，深入地研究大跨屋盖雪荷载的分布规律，定量地揭示风致雪漂移，热力融雪，多次降雪累积等因素对屋面雪荷载的影响机理；提出考虑周围环境遮挡效应的大跨度屋盖雪荷载设计方法，给出相应的概念设计准则和减雪构造措施建议，从而为我国大跨屋盖雪荷载相关规范修订提供理论依据和决策支持。

Application Abstract: Taking large-span roof snow load as the research object,combining with the measured data of roof snow load for a long period,considering the wind-snow coupling single snow falls process and snow-heat coupling snow load evolution during snow falls break period,based on multiple snow fall,large-span complex roof snow load is studied;With considering the effect of multi-factor coupling snow load site measurement,more controllable wind heat joint test method and numerical simulation methods,large-span structure snow load distribution is investigated,quantitatively reveal the influence mechanism of the wind-induced snow drift,thermal de-icing,multi snow accumulated on the roof snow load,;the design method of snow load on large-span roofs t is proposed,and the corresponding conceptual design criteria and suggestions on snow reduction construction measures are given,so as to provide theoretical basis and decision support for the revision of relevant codes of snow load on large-span roofs in China.

项目受资助省

黑龙江省

项目结题报告(全文)

伴随着我国国力的提升，大跨空间结构在近三十年来得到快速发展，被广泛用于综合体育场馆、交通枢纽、会展中心等大型公共设施。然而，随着全球极端低温冰雪天气频发，雪致工程灾害不断增加，其中屋面尺寸大、雪荷载占比高的大跨空间结构受损尤为严重。考虑到我国现行荷载规范体系尚未能对冬季全周期多因素条件下的建筑屋盖漂移演变过程进行明确规定，因此本项目对风雪热耦合作用下大跨屋盖多次累积雪荷载分布规律进行了系统研究。主要研究成果包括：借助哈尔滨低温多雪的气候特点，对降雪时雪颗粒的形状和运动特征进行实测，并基于混合流理论提出了考虑雪颗粒形状和级配的数值模型；参考不同国家规范中屋面雪荷载热力系数的计算方法，对采暖建筑模型屋面开展了融雪实测，基于CFD-DEM理论建立了考虑热雪耦合作用的屋面融雪模型，并开展了风热联合影响的屋面积雪演变全过程分析；考虑到全周期过程中多次累积降雪的特点，开发了基于动网格技术的长周期屋面积雪堆积模拟方法，并对不同屋面多次累积降雪过程进行了系统研究；针对城市区域建筑群间干扰问题，本项目针对平屋面建筑群的雪荷载干扰效应开展了模拟研究，重点考察了施扰建筑位置以及高度对于目标建筑屋面积雪分布的影响，并根据研究结果给出了考虑雪荷载干扰效应的雪荷载设计方法。详实的实测数据和精细的模拟结果，为改进我国屋盖雪荷载设计方法，荷载规范的修订和完善，以及实际工程设计提供了重要参考和依据。

  • 排序方式：
  • 1
  • /

  • 1.大跨度屋面积雪漂移数值模拟方法与雪荷载特性研究

    • 关键词：
    • 数值方法;雪颗粒密度;雪相粘度;风速;球壳;多跨拱形屋面;范峰学科专业：结构工程博士电子期刊出版信息：年期：2022年第02期手机阅读
    • 张国龙
    • 指导老师：哈尔滨工业大学 范峰
    • 2021年
    • 学位论文

    我国地域广阔,气候复杂,降雪区域覆盖大面积国土。长期降雪天气的密集出现导致雪致工程灾害频发。其中,建筑倒塌由于直接危及人们的生命和财产安全,受到社会的高度关注。究其原因,主要是降雪突增,加之气流作用下形成局部堆雪,超出屋面荷载设计值。大跨空间结构由于屋面结构自重轻、面积大、体型复杂和雪荷载占比大的特点,其设计荷载往往由雪荷载控制,属于雪荷载敏感型结构。遗憾的是我国建筑结构荷载标准主要对简单体型屋面雪荷载分布进行了详细规定,对大跨空间结构屋面雪荷载考虑较少。为完善我国荷载规范在该领域的不足,本文采用数值模拟方法对大跨空间结构屋面积雪分布进行了深入分析和阐述。主要内容如下:1.积雪漂移数值模拟理论与方法改进。积雪漂移数值模拟理论自发展以来先后提出了两种方法:浓度扩散方法和多相流方法。然而这两类方法无法有效还原屋面积雪漂移过程中的风雪双向耦合机制和非平衡发展过程。故本文基于风雪双向耦合的混合流模型,提出了有漂移和无漂移情况下的非平衡态混合流模型。对有漂移情况,通过向雪相连续方程中引入源项来考虑跃移层内雪浓度变化。经验证,改进模型可有效还原非平衡状态下积雪漂移发展过程。对无漂移情况,参考积雪沉积特点,对雪相连续方程和沉积/侵蚀模型进行了修改。经实测验证,改进模型可有效还原飘落雪颗粒的运动轨迹和建筑屋面积雪不均匀分布。2.积雪漂移模拟关键参数研究。基于非平衡态混合流模型,对积雪漂移过程中关键参数的取值及其对积雪漂移的影响进行了分析。雪颗粒密度方面,采用冰密度代替雪颗粒密度会夸大雪颗粒的重力作用,高估近壁面雪浓度;采用基于颗粒随机堆积理论计算得到的雪颗粒密度能更准确地还原近壁面雪浓度和建筑周边积雪分布。雪相粘度方面,通过对比分析证明了流化雪颗粒可简化为牛顿流体进行模拟;雪相粘度对流场和雪场的影响程度则受限于雪浓度。风速方面,通过对比分析进一步证明了改进模型可有效还原积雪漂移的“自平衡机制”,同时指出风速对积雪分布形式起决定作用。3.大跨球壳屋面雪荷载研究。首先,通过与球壳屋面雪荷载风洞试验结果的对比,验证了数值模拟方法对球壳屋面积雪分布预测的有效性。然后,通过不同风速下球壳屋面雪荷载模拟,分析得到三种积雪分布形式:均匀满跨雪荷载、不均匀满跨雪荷载和背风面半跨雪荷载。最后,通过不同矢跨比和跨度条件下球壳屋面积雪分布模拟,明确了屋面外形和尺寸对积雪分布形式的影响,即随着屋面矢跨比的增加,屋面积雪不均匀分布加剧,但荷载值减小;随屋面跨度增加,屋面积雪不均匀分布减弱,但荷载值增大。4.多跨拱形屋面雪荷载研究。首先,通过与多跨拱形屋面风雪运动试验结果的对比,明确了数值模拟方法对多跨拱形屋面积雪分布的预测精度。然后,通过对不同矢跨比和跨数条件下拱形屋面雪荷载模拟,分析了多跨拱形屋面积雪分布的形成机理。最后,通过对多跨拱形屋面雪荷载分布形式的研究,明确了有无阻挡情况下拱形屋面雪荷载的分布形式、跨间波谷处积雪滑落堆积量和多跨拱形屋面雪荷载分布特征。

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