风吹雪致建筑屋盖表面积雪不均匀分布的风洞实验和数值模拟研究

Snow disaster is one of the top ten disasters on the earth. In recent years, building collapse induced by snow loads happened frequently all over the world, the main reason of collapse is almost non-uniform distribution of snow induced by snow drifting on the roofs. In spit of non-uniform distribution of snow is considered in the load code for the design of building structures of China, it mainly depends on design experience, and lacks theoretical supports. In this project, non-uniform distribution of snow induced by snow drifting on building roofs is studied by means of wind tunnel experiment and numerical simulation. Firstly, wind tunnel tests are carried out to study the undeveloped snow drifting in detail. In the tests, silica sand is adopted to simulate snow particle. Then taking stepped roof as research object，the effects of similarity criteria on the distribution of snow is researched by means of wind tunnel tests. On the basis of wind tunnel experiments, the numerical simulation method based on two-equation model is improved to represent the influence of undeveloped state and snow particle motion on the wind field. Finally, distribution of snow on the typical roofs is studied by the combination of wind tunnel experiments and numerical simulation, and the effects of parameters, including wind speeds, dimensions of roofs, etc., on the distribution of snow is analysed in detial. Based on the research, the distribution coefficient of snow load on the typical roofs is presented. Through the research, theory foundation are provided for revising the load code for the design of building structures of China.

雪灾是世界十大灾害之一。近年来世界各地雪致建筑坍塌事件频发，多数是由于风吹雪致屋盖上积雪产生不均匀分布而导致。我国现行的建筑结构荷载规范虽然考虑了积雪的不均匀分布，但主要是依靠设计经验，缺乏严格的理论根据。 本项目将采用风洞实验和数值模拟方法对风吹雪致建筑屋盖积雪不均匀分布展开研究。首先选用硅砂进行风吹雪风洞实验，对风吹雪运动的非充分发展状态展开详细的研究；接着采用风洞实验方法，以高低屋盖为研究对象，详细分析不同相似准则数对屋盖表面积雪分布形式的影响；在风洞实验的基础上，对两方程模型的数值模拟方法进行改进，使其可以考虑风吹雪运动的非充分发展状态和雪颗粒运动对风场的影响；最后采用风洞实验和数值模拟相结合的方法，对典型屋盖表面的积雪分布形式展开研究，考察风速、屋盖尺寸等参数对积雪分布形式的影响，在此基础上给出屋盖表面的积雪分布系数。本项目的研究可为修订我国建筑结构荷载规范提供理论基础和依据。

雪灾被认为是世界面临的十大灾害之一。近年来世界各地雪致建筑坍塌事件频发，多数是由于风吹雪致屋盖上积雪产生不均匀分布而导致。目前，对风吹雪运动在建筑方面的应用研究较少，我国现行的建筑结构荷载规范虽然考虑了积雪的不均匀分布，但主要是依靠设计经验，缺乏严格的理论根据。本项目从理论分析、数值模拟和风洞试验三方面入手，对建筑屋盖表面的积雪分布进行了研究，提供了一套系统的用于研究风吹雪运动的方法，包括数值方法和风洞试验方法。本项目的主要工作有以下三方面：.（1）风吹雪运动的机理研究。在假定风吹雪两相流中的空气为连续相，雪颗粒为分散相的基础上，对雪颗粒运动的进行了受力分析，给出了风吹雪运动中，除重力、浮力和阻力外的其他作用在雪颗粒上的力都可以忽略不计的结论，并给出了风吹雪运动中雪颗粒运动的近似轨迹方程。.（2）风吹雪运动的两方程模型。根据雪跃移和悬移的运动机理不同，提出两方程模型方法，并用两方程模型方法对开阔场地条件下的风吹雪运动进行了数值模拟，将模拟结果与已有文献结果和实测数据进行了对比，验证了两方程模型方法的有效性。此外，采用两方程模型方法对高低屋盖的积雪分布进行了研究，将模拟结果与各国规范进行了对比，提出了高低屋盖上积雪的最不利分布情况。.（3）风吹雪运动的风洞试验研究。根据风吹雪运动的理论分析，提出了风吹雪试验中需要满足的相似准则数；测量了6种颗粒的物理属性，给出细硅砂可用于模拟风吹雪运动中雪颗粒运动形式的结论；采用细硅砂进行了风洞试验研究，对高低屋盖模型的积雪不均匀分布进行了风洞试验研究，将试验结果与数值模拟结果和实测结果进行了对比，验证了风洞试验方法的有效性和适用性。.本项目的研究可为修订我国建筑结构荷载规范提供理论基础和依据。