土木工程防灾国家重点实验室风洞试验室
风灾是人类社会面临的几种主要的自然灾害之一,全球每年由于风灾造成的直接经济损失可达数百亿美元,并且有逐年增加的趋势。2004年8月台风“云娜”在我国浙江登陆,造成浙江省4万多间房屋倒塌,受灾人数近千万,经济损失达236亿元。2005年8月肆虐美国路易斯安那州的“卡特里娜”飓风为历史上损失最大的飓风之一,造成1000多人死亡,经济损失达1500亿美元以上。
在我国,通常把高度在20米以下的1~3层的各类建筑物称为低矮房屋(建筑),包括民居、厂房、商业建筑和公共建筑等。对于风灾害,通常人们关注的是高层建筑、大跨桥梁和大跨屋盖结构这些风敏感结构,但多次风灾调查表明,低矮房屋(特别是低矮民居)破坏造成的损失超过风灾总损失的半数。事实上,由于风灾所致的农村中大量民房的破坏和倒塌从而引起人员伤亡和财产损失是我国风灾损失巨大的主要原因,如台风“云娜” 所造成的近200人死亡中,三分之二是直接由于低矮房屋倒塌造成的。
村镇建筑(民居)外形有非常浓郁的国家和地方特色。不同国家,甚至同一国家不同地区,其村镇低矮建筑的外形各具特色,不尽相同,因而风荷载和破坏特征各不相同。这就意味着国外的资料和数据不能被我们直接应用,而必须针对我国沿海村镇建筑开展专门的抗风研究,最终形成适合我国国情的具有自主知识产权的我国村镇建筑的抗风软件、手册和数据库,为我国的抗风减灾服务。
一般来说,村镇低矮建筑由于自振频率较高,在风荷载作用下产生共振的可能性较小(低层大跨、轻柔体系除外),因此结构主体的抗风强度不是主要问题,而其屋顶、窗户等表面围护结构体系的强度是建筑物破坏的主要原因。低层房屋的破坏往往是从表面围护体系(比如窗户),尤其是屋盖体系的破坏开始的。这就意味着改善建筑物的外型以减小其所受风荷载,特别是屋盖体系风荷载是解决低层房屋抗风问题的最有效途径。而要做到这一点,首先必须了解低层房屋的风荷载特性,特别是屋盖体型的风荷载特性。
在过去的数十年中,有关低矮房屋风荷载特性的研究主要借助于三种手段:一是足尺现场实测,二是模型风洞试验,三是计算机数值模拟技术,即CFD方法。足尺现场实测是最直接的研究手段,对于检验其余两种方法的可靠程度是不可或缺的。风洞试验仍然是目前最主要的研究手段,通过缩尺模型进行试验来获取低矮房屋的风荷载分布特性,已取得丰硕的成果。CFD(Computational Fluid Dynamic)方法是借助计算机的数值模拟技术研究风对建筑物的三维绕流问题,可方便进行系统的参数分析,在风工程中得到广泛的应用。
同济大学土木工程防灾国家重点实验室在上海浦东国际机场附近租用了一块靠近东海的场地,建造了高40米和10米的两个测风塔及屋面坡脚可调的足尺低矮房屋(目前通常的现场实测只能针对特定的坡角),开展了地表风特性和低矮房屋屋面风压的现场测量工作,并结合现场实测数据和风洞试验结果进行对比,以改进风场模拟技术和风洞试验方法。下图与现场实测基地图片。
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