考虑风吹雪迁移效应的建筑屋面滑落雪荷载模拟方法研究

Sliding snow load on roof surface is an important issue, which is indispensable in the current snow load codes. Thus, the project intends to simulate sliding snow load on roof surface, using numerical method, field observation and wind tunnel test. The numerical method proposed herein, which includes a snowmelt model for building roof and two-phase method considering the effects of snowdrift on sliding snow, is the major tool in the project. Slope roof models with different slope and surface covering materials are built in heavy-snow northern region, and natural snow is adopted to measure the snow sliding off the surface of the model roofs. The critical condition for snow sliding on roofs used in numerical method comes from the achievement of field observation. The field observation, which is the foundation of the project, can validate the results of numerical method. In the two-phase wind tunnel test, some sand-like particles are used to be as an alternative of snow particle. The wind tunnel test is a supplementary means for numerical method. Then the numerical method is used to simulate the sliding snow loads on roofs in several representative regions in China. At the same time, the influences of the features of climate, regional differences, building characteristics and snowdrift, are analyzed. Finally, a simplified method that can calculate the sliding snow loads is summarized for the convenient application of structural engineers.

滑落雪荷载是屋面雪荷载的重要组成部分，是雪荷载规范不可缺少的内容。本项目利用数值模拟、现场实测及风洞试验方法，对屋盖表面滑落雪进行模拟。拟建立建筑屋面雪荷载数值模拟方法，包括适合建筑屋面积雪特点的融雪模型以及考虑风吹雪迁移效应影响的两相流方法，为滑落雪荷载分析提供一种高效高精度的分析工具。在北方多雪地区搭建不同坡度不同覆面材料的斜坡屋盖模型，直接采用天然降雪对屋盖模型进行现场实测。现场实测研究结果将为数值模拟方法提供屋面积雪滑落的判断条件，并验证数值模拟结果的精度，是本项目的重要基础。开展风雪两相的风洞试验，并与考虑雪颗粒迁移堆积效应影响的数值模拟结果进行相互验证，是数值模拟的辅助手段。利用本项目提出的数值模拟方法对我国代表性地区的屋面滑落雪荷载进行模拟，分析气象条件、地域差异、建筑特点等因素及考虑雪迁移效应对滑落雪载的影响规律。最后，总结出方便结构工程师使用的滑落雪荷载简化计算方法。

如何预测滑落雪荷载对于多雪地区屋盖结构的设计是非常重要的。本项目利用基于多层融雪模型的数值模拟方法、风洞试验及现场实测，分析屋面积雪滑落的机理及规律；由于迁移雪将对滑落雪荷载的形成产生影响，项目同时对屋面迁移雪进行了模拟。主要工作包括：（1）数值模拟方法。发展了基于能量平衡和质量平衡原理的多层融雪模型。通过输入降水、空气温度、风速、相对湿度等四种气象数据，该模型即可模拟研究地区某一年冬季地面积雪的堆积、密实、融化、再冻结等物理过程。提出将累积正能量作为倾斜屋面雪层滑移的判定条件对屋面滑移雪荷载进行了模拟，分析了屋面坡度、邻近建筑的遮挡及建筑屋面传热性质等因素的影响。采用两相流方法，对风雪运动的最基本现象，空旷平坦地面雪输运进行了详细研究，分析了多个关键参数对数值模拟结果的影响。（2）现场实测。在哈尔滨地区搭建不同坡度的斜坡屋盖模型，直接采用天然降雪对屋盖模型进行现场实测，对屋面积雪与坡度之间的关系进行了研究。同时采用了真实雪颗粒对方块周边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，两者在整体趋势上吻合较好。（3）风洞试验。采用细硅砂作为雪颗粒的替代材料，在风洞试验室对不同跨度的平屋盖模型与不同坡角的双坡屋盖模型进行试验。研究了屋盖风致积雪重分布、质量传输率与来流风速、风吹雪持续时间、屋盖跨度之间的关系。测量了屋盖上方的风场并与数值模拟的结果进行了比较，由于屋盖前缘发生了来流分离，仅在屋盖背风区的风场保持了相对的稳定。（4）构造实用的滑落雪荷载计算方法。结合气象资料，总结了滑移雪荷载系数的简化计算公式，将其表达为屋面坡度、邻近建筑遮挡率及屋面传热系数的函数，构造了方便结构工程师使用的滑落雪荷载计算方法。