风雪作用下大跨度屋盖表面雪压分布模拟及结构风雪荷载效应的研究

Wind has the capability of causing large quantities of snow to drift from one part of roof surface to another, which results in significant change of snow distribution. The significant unbalanced snow loads on the surface of roof increase the possibility of structure collapse. The project intends to simulate the snow drift on surface of large-span roof, using LES (Large Eddy Simulation) method of CFD (Computational Fluid Dynamics), wind tunnel test and field observation. Through the process of the simulation, understanding of mechanics principles of snowdrift is obtained. Large eddy simulation is a technique in which the smallest scales of the flow are removed through a filtering operation, and their effect modeled using sub-grid scale models. Accurate information on fluctuating details and strong separation of flow field can be obtained when LES is employed. Hence LES is used to simulate the snow distributions and becomes the major tool in the project. In the two-phase wind tunnel test, some the sand-like particles are used to be as an alternative of snow particle. Effects of change of roof profile due to the redistribution of snow on the non-steady wind pressure, are taken into account in rigid model test. The wind tunnel test is a supplementary means for numerical method. "Wind wall" is built to adopt natural snow particle to measure the snow distribution on the surface of model roof. The field observation can validate the results of numerical method and improve the technique of wind tunnel test. At last, based on the fully understanding of the snow drift, the FEM (Finite Element Method) is adopted with meteorological data to analyze the structural responses under wind and snow loads. Then the law of key responses are summarized and a practical model for calculating the snow loads of large-span roofs is proposed, which would be the foundation of the design for preventing wind-snow disasters for large-span roofs.

风吹雪发生时雪颗粒产生漂移运动，造成屋盖表面雪压不均匀分布，可能会导致屋盖坍塌。本项目利用计算流体动力学中的大涡模拟方法、风洞试验及现场实测，对风吹雪时大跨屋盖表面雪颗粒的运动进行模拟，分析雪颗粒漂移的力学机理。基于空间平均的LES方法较好地捕捉了流场中的脉动信息特别是流动强分离处的流场信息，从而能更好地模拟积雪分布。大涡模拟方法是本项目研究的主要工具。开展风雪两相的风洞试验，并基于风洞测压试验测量因积雪堆积导致屋面外形改变后的非定常风压分布，风洞试验是数值模拟的辅助手段。建立"风墙"进行现场实测，直接采用天然降雪测量模型屋盖表面的雪压厚度，验证数值模拟结果的精度、改进风洞试验方法。在上述基础上，结合气象资料，采用结构有限元方法，分析结构在风雪共同作用下的响应，总结控制性响应的规律并提炼结构雪荷载的计算模型，为大跨度屋盖结构抗风雪灾害设计提供依据。

如何预测风雪荷载共同作用下结构的响应对于多雪地区屋盖结构的设计是非常重要的。本项目利用计算流体动力学中的大涡模拟方法、风洞试验及现场实测，研究风吹雪时大跨屋盖表面雪颗粒的运动，分析雪颗粒漂移的力学机理，并对结构响应进行模拟。主要工作包括：（1） 数值模拟方法。以低矮建筑标准模型TTU模型为考察对象，基于专业计算流体动力学软件，对TTU模型进行了大涡模拟研究（LES方法），并在边界层风洞中进行了风洞试验研究，将大涡模拟结果与风洞试验、场地实测数据进行了比较。利用LES方法得到的壁面摩擦速度时程，计算了瞬态跃移雪通量。提出了一种可结合气象资料计算屋面积雪重分布的拟定常数值模拟方法。初始积雪外形和积雪外形的改变都会对风雪运动产生影响，数值模拟中通过考虑积雪休止角和改变积雪边界来解决这两个问题。（2）风洞试验。以高低屋盖为研究对象，在风洞中利用低密度的锯木灰、中等密度的泡沫、高密度的细硅砂作为介质，模拟了屋盖表面风致雪荷载的重新分布。为保证三种模拟颗粒的结果之间具有可比性，在无量纲风速及无量纲时间基本相等的条件下，将三种颗粒的风洞试验结果及文献中原型的实测结果进行了对比。接着考察了风作用时间、风速大小及屋盖跨度对屋盖表面雪荷载分布的影响，总结了侵蚀/沉积的区域范围、最大侵蚀/沉积点位置的变化规律，为结构工程师确定屋盖表面的雪荷载提供了参考。（3）现场实测。在哈尔滨采用了真实雪颗粒对屋盖表面积雪重分布进行测试，并将试验结果与数值模拟结果及文献结果进行了比较。（4）结构在风雪作用下的响应及结构雪荷载的计算模型。采用本项目提出的数值模拟方法，基于气象资料模拟了一个屋盖在一次风雪暴天气下的屋面积雪分布情况。从地貌及流场相似、颗粒运动相似、建筑周边流体的流动相似及结构动力相似等四个方面提出了风雪荷载共同作用下结构气弹模型试验须满足的相似参数。然后以一个双坡屋盖结构为研究对象设计了气弹模型并通过风洞试验获得了屋盖结构的振动响应。