双层幕墙脉动风荷载的理论及试验模拟方法研究

In order to meet the needs of building ventilation, energy saving and noise reduction, double-skin facades become increasingly popular in buildings. However, the outdated wind-resistant theories for double-skin facades lead to unpredictability and uncertainty of wind load values for design. Most of previous studies focused on mean wind loads, while fewer attentions have been paid to fluctuating wind pressures and no effective method has been established for correcting scale effects during wind tunnel tests. This study combined theoretical analysis, wind tunnel test and numerical simulation to investigate characteristics of fluctuating external and internal wind pressures of double-skin facades, multiple factors influencing fluctuations of wind pressures, mechanism of internal pressure response, potential reasons for model scale effect and its correction method, and non-Gaussian characteristics and peak factors of measured wind pressures. Based on these investigations, the optimum wind-resistant configurations for double-skin facades were concluded, and evaluation models for internal pressure responses and correct wind tunnel simulation methods were proposed. In addition, large eddy simulation were adopted to predict fluctuating internal and external pressures of double-skin facades. Finally, a wind resistance theory framework consisting of theoretical assessment, wind tunnel simulation and engineering application was formed. The research findings of this study will be of great significance to developments of wind-resistant theory and design of double-skin facades.

为了满足建筑通风、节能和降噪的需要，通风双层幕墙开始在工程中广泛应用。然而与之相应的抗风理论发展却严重滞后，这也使得设计师们对其风荷载取值常常感到无所是从。以往的研究大多集中在双层幕墙平均风特性的探讨却很少涉及脉动风效应，对模型缩尺效应也一直未能给出明确的试验修正方法。针对以上问题本项目综合采用理论分析、风洞试验和数值模拟对双层幕墙内外表面的脉动风荷载特性与其众多影响因素，内部脉动风响应机理，模型缩尺效应的成因和相应的试验修正方法，以及幕墙风荷载的非高斯特性与峰值因子取值等方面展开系统的研究。在此基础上总结出双层幕墙的抗风优化体型，建立其脉动风响应的理论评估模型，提出适用于双层幕墙的风洞试验模拟策略并探索基于大涡模型的CFD数值模拟技术对双层幕墙脉动风荷载进行预测，最终形成一套由理论→试验→工程应用的双层幕墙抗风理论体系框架。本项目研究成果对指导该类幕墙抗风设计具有重要的理论和实际意义。

双层幕墙结构因具有通风、节能和降噪的优势而在工程中广泛应用。然而与之相应的抗风理论发展却严重滞后，这也使得设计师们对其风荷载取值常常感到无所是从。针对这一问题本项目综合采用理论、风洞试验和数值模拟对双层幕墙内外表面的脉动风荷载特性与其众多影响因素，内部脉动风响应机理，模型缩尺效应的成因和相应的试验修正方法，以及幕墙风荷载的极值与峰值因子等设计参数取值方面展开研究，并探索了数值模拟技术在双层幕墙脉动风荷载预测上的有效性。取得的主要研究成果包括：1）理论方面，掌握了廊道宽度，通风口面积比，廊道形式等因素对幕墙所受脉动风压的影响并基于此提出了其抗风体型优化策略，了解了双层幕墙风荷载的取值分布规律，建立了其内部风荷载响应与外压的经验关系，形成了一套适用于典型双层幕墙结构抗风设计的体型系数，极值风荷载和峰值因子的数据库，这些成果将从理论和数据上保障并且提升双层幕墙的抗风性能。2）试验技术上，理清了模型缩尺效应产生的原因是由于近壁面沿程损失的模拟失真，提出了基于廊道间距调整的风洞试验缩尺效应的修正思路并研发了相应的试验模拟装置，这一成果将直接为各类双层幕墙结构设计风荷载取值提供试验技术支撑，具有广阔的工程应用前景。3）数值模拟上：采用优化的网格划分策略能够有效提升数值模拟的效率和精度，数值模拟技术对于幕墙迎风状态下各表面的正风压模拟较为合理，但对于气流分离和涡脱所产生的负风压的预测存在一定误差。本项目研究通过大量风洞试验取得了均匀湍流风场和大气边界层风场下，不同通风口面积比和廊道宽度的双层幕墙各表面的同步风压时程。这些关键数据将可以直接为类似幕墙工程的抗风设计提供风荷载取值，也将为行业设计规范的制定提供基础数据。通过本项目研究初步形成了一套理论、试验和设计应用相结合的双层幕墙抗风理论框架体系，有助于提升该领域的抗风理论和实践水平。