建筑结构物风沙荷载研究

In the western and northern regions of China, some structures have been damaged more or less, becaues of strong wind-sand actions. However, there has been relatively little research conducted on wind-sand-resistant structures at home and abroad. Full-scale measurements, wind tunnel tests based on wind-sand flow and numerical simulation methods are applied comprehensively in this project. Wind-sand flow field and wind-sand loads on structures are analyzed on the basis of the theoretical and experimental results. We will install meteorological tower and full-scale experimental low building at desert observation station located in Zhongwei city to conduct field measurements. And then, the parameters of flow field and wind-sand pressures on the low building will be measured and analyzed under strong sandstorm actions. Wind tunnel tests based on wind-sand flow and numerical simulation analyses will be carried out and the data results of them will be compared with that of field measurements. By combined research, the wind tunnel experimental techniques based on wind-sand flow will be improved for getting acurate wind-sand loads. We can summarize wind-sand load characteristics and obtain the distribution and patterns of building under strong sandstorm actions. These researches in this project can provide theorical base and reliable technical parameters for load criteria of structures, in order to reduce wind-sand disaster loss.

在我国的西、北部地区，风沙作用常会造成建筑物不同程度的破坏，但国内外对建筑物抗风沙研究还开展的比较少。本项目将应用风沙场地的现场原型实测、风沙流场风洞的模型试验和数值模拟相结合的方法，对风沙流场和建筑物的风沙荷载展开系统的研究工作。具体在中科院中卫沙漠观测站搭设风沙测量塔架及足尺实验房，开展风沙气候条件下的风沙流场和建筑物风沙荷载的现场原型实测工作，获取风沙流场和建筑物风沙荷载实测数据；进而开展风沙风洞模型试验和数值模拟研究，并将现场实测结果与风洞试验和数值模拟结果进行对比分析，总结出风沙流场和风沙荷载的相关规律和特征。进一步改进建筑物风沙荷载的风洞试验方法，提高风洞试验的准确性。研究构建建筑物风沙效应的数值模拟方法，得到建筑物风沙荷载的分布状况和规律。通过本项目的研究将为提高我国建筑物的抗风沙能力、减轻风沙灾害损失提供技术支撑和可靠的技术参数。

本项目综合采用现场原型实测、风洞试验、数值模拟及理论分析等多种研究手段对风沙流场和建筑物的风沙荷载特性进行了系统、深入地研究。在风沙实测基地，通过现场实测方法获得了典型沙漠地区的净风剖面、平均风向、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱以及湍流相关性等风场特性；获得了沙漠地区典型低矮房屋墙面和屋面的平均风压、脉动风压以及峰值风压等的变化规律。基于实测风场特性，在风洞中构建了典型沙漠地区的净风场，开展了低矮房屋的测压试验，并将试验结果和现场实测结果进行了对比分析。在风沙风洞中构建了风扬沙和沙尘暴气候的风沙流场，得到了两种气候条件下的沙浓度剖面、风剖面和湍流强度剖面，并与净风场特性进行了对比，分析了流场中沙颗粒运动对风速和湍流强度的影响，此外，构建了风沙流场中沙颗粒的能量分布模型；基于已建立的风沙流场，开展低矮房屋的风沙测力试验，研究了风速、风向角、沙浓度等参数对建筑物风沙荷载的影响，得到了风扬沙和沙尘暴气候下建筑物的风沙荷载特征和规律。同时，基于实测风场特性，采用数值模拟方法，研究了风沙流场中的沙浓度、风剖面、湍流强度等流场特性，并和风洞试验结果进行了对比，在此基础上，分析了不同风速下风沙流场中沙颗粒速度与风速的关系。研究成果可为风沙风洞试验技术和方法的改进提供参考，也为建筑物的抗风沙设计提供了理论依据和技术支撑。