一种利用通风设备扰流的大跨屋盖极值风压控制方法与流程

本发明涉及一种屋盖风压控制方法，尤其是一种利用通风设备扰流的大跨屋盖极值风压控制方法，属于土木工程技术领域。

背景技术：

随着建筑技术的发展，大跨结构应用越来越广泛，大跨屋盖结构建造的数量呈现出不断增加的趋势，而随着跨度越来越大，对风敏感度也逐渐增大。此外，轻质高强材料的不断使用，使得大跨屋盖结构的风致敏感性进一步增强。由于气流的脉动、分离、再附着以及旋涡脱落等诸多因素的影响，导致屋盖结构周围的风场情况复杂。

在来流风作用下，大跨屋盖结构常承受很大的负压，在某些特殊部位会出现极值负压，造成局部或整体吸力过大引发结构破坏。比如在屋檐、屋脊、屋面边缘和转角等几何外形突变的部位，往往会产生大尺度的流动分离，这是由于几何外形的突变造成局部逆压梯度增大而引起的，气流的大尺度非定常分离即会引发屋面极值负风压，这是导致屋面破坏的最普遍原因。因此，抑制大跨屋盖几何突变处即迎风面与屋顶连接边缘处的流动分离一直以来是减小风吸力的关键所在。

目前在工程领域屋盖结构抗风措施主要有：改进屋盖结构形状、对屋盖结构进行抗风加固处理以及在原有屋盖形式基础上加装抗风元件。这几种传统抗风方法是通过改进屋盖结构形式进而改善屋盖绕流场来提高其抗风性能，存在被动的适应、抗风效果有限、针对性较差、造价高、维护费用高的缺点。因此，亟需一种经济实用、效果显著的抗风措施以实现大跨屋盖极值风压的合理控制。

技术实现要素：

本发明提供一种利用通风设备扰流的大跨屋盖极值风压控制方法，它基于边界层流动分离的性质，利用通风设备产生的顺流向涡作为扰动源，实现分离边界层内上下动量进行充分交换，减弱大跨屋盖边缘处大尺度流动分离，从而解决屋盖风压极值的问题，对通风设备合理利用，经济实用。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种利用通风设备扰流的大跨屋盖极值风压控制方法，包括以下步骤：

步骤一：针对大跨屋盖结构考虑周围建筑影响以及若干年内最大风速，并建立风洞试验或数值模拟模型，提取不同风速、风向下大跨屋盖的极值风压，建立极值风压与远端风速、风向的关系，并确定最不利风偏角，在大跨屋盖上方安装风速风向传感器，监测来流风速、风向；

步骤二：通过风洞试验或数值模拟得到最不利风偏角下不同展向间距l处安装通风设备时大跨屋盖的极值压力，然后寻找极值压力最小的展向间距l，对于平屋盖l＝(0.63–0.84)ls，其中ls为气流绕过屋盖锥形涡或展向涡的尺度，可按下式估计：ls＝h·st，h为屋盖高度，st取值范围为0.1～0.15，s/d小于1.0，s为通风设备的风机轴心到屋盖顶面的距离，d为通风设备的叶轮直径，在大跨屋盖迎风面顶端靠近转角处布置通风设备，对于曲面屋盖，通风设备的风机旋转面法向与来流风向平行，风机应靠近屋盖处；

步骤三：对于体型复杂的大跨屋盖，根据风洞试验或数值模拟以极值风压大小作为指标确定通风设备的风机尺寸与排气量，通风设备的叶轮直径d按通风机性能规格表选取，在与通风性能不矛盾前提下优选为平屋盖高度的1/8，通过风洞试验或数值模拟得到不同排气量时大跨屋盖的极值压力，然后寻找极值压力最小的排气量，根据排气量确定通风设备的风机转速，以风速风向传感器作为预警装置，根据步骤一建立的风速、风向与极值风压的关系，当风速、风向超过预警值时开启通风设备，控制通风设备的风机转速以减小极值风压，其中，风速预警值根据风速与极值风压预警值得到，而极值风压预警值通过屋盖设计的承载力极限状态获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用建筑屋盖大尺度流动分离的特点，将通风设备作为扰动源用减弱流动分离，实现对大跨屋盖极值风压的优化作用，这种扰乱气流的绕流流场优化方式，只需在合适位置施加较小的气流即可实现，但功效却十分显著，与传统优化风荷载的控制手段相比，具有使用方便、针对性强、控制效果好的优点，并且使得通风设备一物多用，在实现其室内外空气交换、保持室内空气清新的自身功能外，又能够削弱极值风压，普适性比较强，节约成本，经济实用。

附图说明

图1是本发明的通风设备安装位置立体图；

图2是本发明的通风设备安装位置平面图；

图3是本发明的预警系统的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图3所示，本发明公开了一种利用通风设备扰流的大跨屋盖极值风压控制方法，由于大跨屋盖具体尺寸不同，其在来流作用下的风场特性也不相同，因此该控制方法宜根据具体情况而定，但应包括以下步骤：

步骤一：利用风洞试验或数值模拟模型建立极值风压与远端风速、风向的关系，并在大跨屋盖周围安装风速风向传感器，具体为：

a)针对大跨屋盖结构考虑周围建筑影响以及若干年内最大风速，优选为50年，并建立风洞试验或数值模拟模型，提取不同风速、风向下大跨屋盖的极值风压，建立极值风压与远端风速、风向的关系，并确定最不利风偏角；

b)在大跨屋盖上方不小于3米处安装风速风向传感器，监测来流风速、风向；

步骤二：根据大跨屋盖敏感风偏角并结合屋盖截面尺寸，选择通风设备的展向安装间距l，并在大跨屋盖大尺度分离的位置，即在迎风面顶端靠近转角处布置通风设备，参照图1～图2所示，具体为：

a)由步骤一得到的最不利风偏角，通过风洞试验或数值模拟得到最不利风偏角下不同展向间距l处安装通风设备时大跨屋盖的极值压力，极值压力通过测压传感器直接测量屋盖模型的压力得到，然后寻找极值压力最小的展向间距l，对于体型简单的平屋盖l＝(0.63–0.84)ls，其中ls为气流绕过屋盖锥形涡或展向涡的尺度，可按下式估计：ls＝h·st，h为屋盖高度，st取值范围为0.1～0.15，s/d小于1.0，s为通风设备的风机轴心到屋盖顶面的距离，d为通风设备的叶轮直径，如受限制须保持该值尽量小；

b)在大跨屋盖大尺度分离的位置，即在迎风面顶端靠近转角处布置通风设备，对于曲面屋盖，通风设备的风机旋转面法向与来流风向平行，风机应尽量靠近屋盖处；

步骤三：对于体型复杂的大跨屋盖，根据风洞试验或数值模拟以极值风压大小作为指标确定通风设备的风机尺寸与排气量，通风设备自身参数为：

a)通风设备的叶轮直径d按通风机性能规格表选取，不做限制，在与通风性能不矛盾前提下优选为平屋盖高度的1/8；

b)通过风洞试验或数值模拟得到不同排气量时大跨屋盖的极值压力，极值压力通过测压传感器直接测量屋盖模型的压力得到，然后寻找极值压力最小的排气量，根据排气量确定通风设备的风机转速，排风量与转速成正比，比例系数可通过厂家提供或由试验获得；

c)以风速风向传感器作为预警装置，根据步骤一建立的风速、风向与极值风压的关系，当风速、风向超过预警值时开启通风设备，控制通风设备的风机转速以减小极值风压(转速和极值风压关系由上一步得到)，其中，风速预警值可根据风速与极值风压预警值得到，而极值风压预警值可通过屋盖设计的承载力极限状态获得(屋盖在建造前需要设计单位进行设计，承载力极限状态是设计时必须考虑的状态)，参照图3所示，预警系统包括风速风向传感器，其将风速风向信号通过传输设备传递给控制面板，控制面板连接转速控制器实现叶轮的转速调节。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。