低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載特性及抗風(fēng)性能研究：風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值分析一、緒論1.1研究背景與意義隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)住宅的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)住宅的質(zhì)量、性能和環(huán)保等方面也提出了更高要求。在這樣的背景下，低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸受到廣泛關(guān)注。鋼材性能優(yōu)越以及使用的靈活性等特點(diǎn)，使得鋼結(jié)構(gòu)成為住宅建設(shè)新體系中的一部分。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工速度快、環(huán)保節(jié)能、可回收利用等顯著優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。美國(guó)由于技術(shù)、生產(chǎn)因素以及保護(hù)森林資源的必要性，鋼骨架住宅逐漸成為傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的替代品；澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用也是許多國(guó)家無(wú)法相比的，目前其鋼骨架住宅占全部住宅數(shù)量的30%；日本在引進(jìn)和吸收別國(guó)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)這種低層冷彎薄壁型鋼住宅體系進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，并且開發(fā)出了具有自己特色的住宅產(chǎn)品。在我國(guó)，自80年代中期改革開放深入后，國(guó)外輕鋼住宅進(jìn)入，主要是一些建筑商從日本、美國(guó)以及澳大利亞等國(guó)引進(jìn)兩三層別墅，中方負(fù)責(zé)基礎(chǔ)施工及部分部件組裝，住宅骨架、配套維護(hù)材料和設(shè)備全套進(jìn)口。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)積極引進(jìn)北美、日本和澳大利亞的低層冷彎薄壁型鋼住宅體系并消化推廣，也有企業(yè)引進(jìn)多層體系，如青島邁華無(wú)比鋼房屋從加拿大引進(jìn)的“無(wú)比鋼”體系。風(fēng)荷載是低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中必須考慮的重要荷載之一。在沿海地區(qū)、山區(qū)等風(fēng)力較大的區(qū)域，風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用尤為顯著。當(dāng)風(fēng)作用于建筑物時(shí)，會(huì)在建筑物表面產(chǎn)生壓力和吸力，這些力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形、破壞，甚至引發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。歷次的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害調(diào)查表明，屋面破壞是低層房屋的主要破壞形式之一，而風(fēng)荷載是導(dǎo)致屋面破壞的重要原因。因此，準(zhǔn)確研究風(fēng)荷載對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的作用規(guī)律，對(duì)于保障結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。同時(shí)，合理考慮風(fēng)荷載作用還與建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。如果對(duì)風(fēng)荷載估計(jì)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，增加建筑成本；反之，如果對(duì)風(fēng)荷載估計(jì)不足，又會(huì)使結(jié)構(gòu)面臨安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)深入研究風(fēng)荷載特性，可以在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低用鋼量，從而提高建筑的經(jīng)濟(jì)性。所以，開展對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，它不僅能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，保障居民生命財(cái)產(chǎn)安全，還能促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)建筑技術(shù)的進(jìn)步。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1風(fēng)洞試驗(yàn)研究現(xiàn)狀風(fēng)洞試驗(yàn)作為研究建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性的重要手段，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)外對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)洞試驗(yàn)研究起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果。在早期的研究中，學(xué)者們主要關(guān)注簡(jiǎn)單體型建筑的風(fēng)荷載分布規(guī)律。如Endo等對(duì)TTU標(biāo)準(zhǔn)低層建筑模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，揭示了屋面局部峰值風(fēng)壓的出現(xiàn)位置與屋面坡度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)屋面的局部峰值風(fēng)壓一般出現(xiàn)在迎風(fēng)屋檐或屋脊附近，其峰值大小與屋面坡度有直接關(guān)系；在相應(yīng)風(fēng)向角下，屋脊處的峰值吸力隨著屋面坡度的增加而增大；而迎風(fēng)屋檐處的峰值吸力則隨著屋面坡度的增加而減小。隨著研究的深入，更多復(fù)雜體型和不同工況下的風(fēng)洞試驗(yàn)被開展。國(guó)內(nèi)對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)洞試驗(yàn)研究相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。顧明等對(duì)低層雙坡房屋模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了各影響因素對(duì)屋面平均風(fēng)壓的影響，為后續(xù)研究提供了重要參考。在一些實(shí)際工程案例中，也通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲取了特定建筑的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。不同試驗(yàn)條件下的成果存在一定差異。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ头矫?，模型的幾何縮尺比、材料特性以及邊界條件的模擬都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果?？s尺比過(guò)小可能導(dǎo)致模型無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征，而材料特性與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異也會(huì)對(duì)風(fēng)荷載的傳遞和分布產(chǎn)生影響。試驗(yàn)環(huán)境如風(fēng)速、風(fēng)向角以及大氣邊界層的模擬精度等，也會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果有所不同。在模擬不同地貌類型的大氣邊界層時(shí)，若粗糙度指數(shù)等參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)特性與實(shí)際情況不符，進(jìn)而影響風(fēng)荷載的測(cè)量結(jié)果。1.2.2數(shù)值分析研究現(xiàn)狀數(shù)值分析方法在低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載研究中也得到了廣泛應(yīng)用，它具有成本低、可重復(fù)性強(qiáng)、能模擬復(fù)雜工況等優(yōu)點(diǎn)。目前，常用的數(shù)值分析方法主要基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論。通過(guò)建立計(jì)算模型，對(duì)流體的控制方程進(jìn)行離散求解，從而得到流場(chǎng)的速度、壓力等參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出作用在結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載。在CFD模擬中，常用的湍流模型有k-ε模型、k-ω模型、SSTk-ω模型等。k-ε模型計(jì)算效率較高，在一些簡(jiǎn)單流動(dòng)問(wèn)題中能得到較好的結(jié)果，但對(duì)于復(fù)雜的分離流動(dòng)和強(qiáng)旋流等情況，其模擬精度有限。k-ω模型對(duì)近壁面流動(dòng)的模擬效果較好，能更準(zhǔn)確地捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)特性，但在計(jì)算域較大時(shí)，計(jì)算成本相對(duì)較高。SSTk-ω模型結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，在模擬復(fù)雜流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出較好的性能，既能準(zhǔn)確模擬近壁面流動(dòng)，又能在一定程度上提高計(jì)算效率。國(guó)內(nèi)學(xué)者陳水福等采用數(shù)值方法對(duì)低層雙坡屋面和四坡屋面的風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了屋面坡度、房屋高寬比、挑檐長(zhǎng)度等因素對(duì)風(fēng)荷載的影響。緒紅等較系統(tǒng)地研究了不同影響因素對(duì)雙坡屋面房屋風(fēng)壓系數(shù)及體型系數(shù)的影響。在國(guó)外，也有眾多學(xué)者利用數(shù)值分析方法對(duì)低層建筑風(fēng)荷載進(jìn)行研究，如通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比不同屋面形式和結(jié)構(gòu)布置下的風(fēng)荷載分布，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議。不同數(shù)值模型在模擬精度、計(jì)算效率和適用范圍等方面存在優(yōu)缺點(diǎn)。在模擬精度上，高精度的數(shù)值模型雖然能更準(zhǔn)確地模擬流場(chǎng)細(xì)節(jié)，但往往需要更精細(xì)的網(wǎng)格劃分和更復(fù)雜的計(jì)算方法，導(dǎo)致計(jì)算成本大幅增加。而一些簡(jiǎn)化的數(shù)值模型雖然計(jì)算效率高，但在模擬復(fù)雜流動(dòng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差。在適用范圍方面，某些模型可能更適用于特定類型的建筑或流動(dòng)工況，對(duì)于其他情況則可能無(wú)法準(zhǔn)確模擬。例如，一些基于經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)值模型在處理簡(jiǎn)單規(guī)則體型建筑時(shí)效果較好，但對(duì)于復(fù)雜體型的建筑，其模擬結(jié)果的可靠性就會(huì)降低。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在風(fēng)荷載作用下的特性，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值分析以及兩者的對(duì)比驗(yàn)證，全面揭示風(fēng)荷載對(duì)該類結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。在風(fēng)洞試驗(yàn)方面，將依據(jù)相關(guān)規(guī)范，選取具有代表性的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。確定合理的幾何縮尺比，精心制作模型，確保其具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求，模型的阻塞率需控制在合理范圍內(nèi)。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用高精度的壓力測(cè)量系統(tǒng)，精確測(cè)量不同風(fēng)速、風(fēng)向角下住宅表面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓。通過(guò)合理布置測(cè)點(diǎn)，全面獲取屋面、墻面等關(guān)鍵部位的風(fēng)壓數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，如粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)，測(cè)量模型周圍的流場(chǎng)特性，深入分析風(fēng)荷載的產(chǎn)生機(jī)制和分布規(guī)律。數(shù)值分析則基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論，運(yùn)用專業(yè)的CFD軟件，如ANSYSFluent、STAR-CCM+等。針對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒕_的三維幾何模型，進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，以準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié)。在選擇湍流模型時(shí)，充分考慮不同模型的特點(diǎn)和適用范圍，如對(duì)于復(fù)雜的流動(dòng)情況，可選用SSTk-ω模型。合理設(shè)置邊界條件，包括入口風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、壁面條件等，確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。通過(guò)數(shù)值模擬，得到住宅表面的風(fēng)壓分布、體型系數(shù)以及周圍流場(chǎng)的速度、壓力等參數(shù)，并分析不同因素對(duì)風(fēng)荷載的影響。將風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)比風(fēng)壓系數(shù)、體型系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，分析兩者之間的差異及其產(chǎn)生原因。若存在較大差異，深入研究數(shù)值模型的參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分等方面是否存在問(wèn)題，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高數(shù)值模擬的精度。本研究綜合運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，從試驗(yàn)和理論兩個(gè)層面深入研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的風(fēng)荷載特性，為該類結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力的支持。二、低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)洞試驗(yàn)2.1試驗(yàn)?zāi)康呐c準(zhǔn)備風(fēng)洞試驗(yàn)作為研究建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性的重要手段，在建筑工程領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用。對(duì)于低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅而言，風(fēng)洞試驗(yàn)旨在深入探究其在風(fēng)荷載作用下的復(fù)雜力學(xué)行為，獲取準(zhǔn)確的風(fēng)荷載特性數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量不同風(fēng)速、風(fēng)向角下住宅表面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓，精確分析風(fēng)荷載的分布規(guī)律，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，具有重要的意義。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)制作方面，嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，選取具有代表性的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅作為原型。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和計(jì)算，確定了合理的幾何縮尺比，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要特征。在本次試驗(yàn)中，將幾何縮尺比確定為1:50，既能滿足風(fēng)洞試驗(yàn)的要求，又能有效控制試驗(yàn)成本。模型采用3mm厚的有機(jī)玻璃制作，這種材料具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠在試驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定的形狀，從而保證壓力測(cè)量的精度。同時(shí)，有機(jī)玻璃的透明性便于觀察模型內(nèi)部的流場(chǎng)情況，為后續(xù)的分析提供更多信息。在模型制作過(guò)程中，嚴(yán)格把控每一個(gè)細(xì)節(jié)，確保模型的尺寸精度和表面質(zhì)量符合要求。對(duì)模型的各個(gè)部件進(jìn)行精確加工和組裝，保證連接部位的牢固性和密封性，避免因模型缺陷而影響試驗(yàn)結(jié)果。在試驗(yàn)設(shè)備的選用上，采用了先進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備主要由風(fēng)道、電機(jī)、測(cè)量?jī)x器等部分組成。風(fēng)道的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化，能夠提供穩(wěn)定、均勻的氣流，模擬不同地貌類型的大氣邊界層。電機(jī)采用高性能的變頻調(diào)速電機(jī)，能夠精確控制風(fēng)速，滿足試驗(yàn)對(duì)不同風(fēng)速工況的需求。測(cè)量?jī)x器選用高精度的壓力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量模型表面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓。壓力傳感器的精度達(dá)到±0.1Pa，能夠捕捉到微小的風(fēng)壓變化，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了有力保障。同時(shí)，配備了先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，能夠快速、準(zhǔn)確地記錄和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高試驗(yàn)效率。2.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況的設(shè)置對(duì)于全面研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在風(fēng)荷載作用下的特性至關(guān)重要。考慮到實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)向的多樣性，設(shè)置了多個(gè)風(fēng)向角工況。在本次試驗(yàn)中，選取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°等13個(gè)風(fēng)向角作為試驗(yàn)工況，以全面覆蓋不同風(fēng)向?qū)ψ≌挠绊?。在每個(gè)風(fēng)向角下，又設(shè)置了多個(gè)風(fēng)速工況，分別為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s，以研究不同風(fēng)速下住宅的風(fēng)荷載響應(yīng)。這樣的試驗(yàn)工況設(shè)置能夠較為全面地模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中可能出現(xiàn)的各種情況，為深入研究風(fēng)荷載特性提供豐富的數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)布置直接影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。在住宅模型的屋面和墻面均勻布置測(cè)點(diǎn)，以全面獲取各部位的風(fēng)壓數(shù)據(jù)。屋面測(cè)點(diǎn)布置考慮了屋脊、屋檐、屋面中部等關(guān)鍵部位，這些部位往往是風(fēng)荷載作用較為顯著的區(qū)域。在屋脊處，每隔0.1m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以精確測(cè)量屋脊處的風(fēng)壓變化；在屋檐處，根據(jù)屋檐的長(zhǎng)度，每隔0.05m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以捕捉屋檐處的局部峰值風(fēng)壓。墻面測(cè)點(diǎn)則均勻分布在迎風(fēng)墻面、背風(fēng)墻面和側(cè)風(fēng)墻面，以獲取不同墻面位置的風(fēng)壓分布情況。在迎風(fēng)墻面的高度方向上，每隔0.2m布置一層測(cè)點(diǎn)，在水平方向上，每隔0.3m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以全面反映迎風(fēng)墻面的風(fēng)壓分布。對(duì)于墻角等易產(chǎn)生復(fù)雜氣流的部位，適當(dāng)加密測(cè)點(diǎn)，以更準(zhǔn)確地測(cè)量這些部位的風(fēng)壓。在墻角處，測(cè)點(diǎn)間距減小至0.02m，確保能夠捕捉到墻角處的復(fù)雜風(fēng)壓變化。大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)模擬是風(fēng)洞試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其模擬精度直接影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。采用被動(dòng)模擬方法，通過(guò)在風(fēng)洞入口處設(shè)置尖劈、粗糙元等裝置，模擬不同地貌類型的大氣邊界層。在本次試驗(yàn)中，主要模擬B類地貌的大氣邊界層，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，B類地貌的地面粗糙度指數(shù)α取0.15。通過(guò)調(diào)整尖劈和粗糙元的高度、間距等參數(shù)，使風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)速剖面、湍流度等參數(shù)與B類地貌的大氣邊界層特性相符合。在模擬過(guò)程中，利用熱線風(fēng)速儀等設(shè)備對(duì)風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)速和湍流度進(jìn)行測(cè)量和調(diào)試，確保模擬的準(zhǔn)確性。通過(guò)測(cè)量不同高度處的風(fēng)速，繪制風(fēng)速剖面曲線，與理論風(fēng)速剖面進(jìn)行對(duì)比，不斷調(diào)整尖劈和粗糙元的參數(shù)，直至風(fēng)速剖面符合要求。同時(shí)，測(cè)量湍流度，確保其在合理范圍內(nèi)，以保證模擬的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)能夠真實(shí)反映實(shí)際情況。風(fēng)壓系數(shù)及體型系數(shù)是評(píng)估風(fēng)荷載對(duì)建筑物作用的重要參數(shù)，其計(jì)算方法如下。風(fēng)壓系數(shù)C_p定義為測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓p與參考高度處的動(dòng)壓q之比，即C_p=\frac{p}{q}，其中動(dòng)壓q=\frac{1}{2}\rhov^2，\rho為空氣密度，v為參考高度處的風(fēng)速。在試驗(yàn)中，通過(guò)壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓p，并根據(jù)參考高度處的風(fēng)速v計(jì)算出動(dòng)壓q，進(jìn)而得到各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)。體型系數(shù)\mu_s用于表示建筑物表面單位面積上所受到的風(fēng)荷載與參考風(fēng)壓的比值，它反映了建筑物的形狀和尺寸對(duì)風(fēng)荷載的影響。對(duì)于各個(gè)測(cè)點(diǎn)，其局部風(fēng)荷載體型系數(shù)\mu_{si}由試驗(yàn)所測(cè)得的平均風(fēng)壓系數(shù)C_{pim}按公式\mu_{si}=C_{pim}\frac{A}{A_i}計(jì)算得到，其中A為建筑物的總面積，A_i為測(cè)點(diǎn)i所屬表面的面積。對(duì)于屋面等大面積區(qū)域，屋面體型系數(shù)\mu_{s}為風(fēng)壓系數(shù)對(duì)所在面進(jìn)行面積加權(quán)平均后的結(jié)果，計(jì)算公式為\mu_{s}=\frac{\sum_{i=1}^{n}C_{pi}A_{i}}{\sum_{i=1}^{n}A_{i}}，式中n為該面上的測(cè)點(diǎn)數(shù)，C_{pi}為第i測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，A_{i}為第i測(cè)點(diǎn)所屬表面的面積。通過(guò)上述計(jì)算方法，能夠準(zhǔn)確得到風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)，為后續(xù)的分析提供重要依據(jù)。2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得了不同風(fēng)速、風(fēng)向角下住宅表面的風(fēng)壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，得到了風(fēng)壓系數(shù)等值線和體型系數(shù)，以下對(duì)其分布規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。在不同風(fēng)速工況下，風(fēng)壓系數(shù)等值線呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。當(dāng)風(fēng)速為5m/s時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)等值線相對(duì)較為稀疏，表明風(fēng)壓分布相對(duì)較為均勻，各部位的風(fēng)壓差異較小。隨著風(fēng)速增加到10m/s，風(fēng)壓系數(shù)等值線在迎風(fēng)面和屋檐等部位開始出現(xiàn)局部密集的情況，這意味著這些部位的風(fēng)壓變化梯度增大，局部風(fēng)壓相對(duì)較高。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大到15m/s、20m/s和25m/s時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)等值線的分布特征更加明顯，迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)明顯增大，且在屋檐、屋脊等關(guān)鍵部位出現(xiàn)了較大的風(fēng)壓系數(shù)峰值。在迎風(fēng)屋檐處，由于氣流的加速和分離，形成了較大的負(fù)壓區(qū)，風(fēng)壓系數(shù)呈現(xiàn)出較大的負(fù)值，表明此處受到較強(qiáng)的吸力作用。而在屋脊處，氣流的交匯和沖擊導(dǎo)致風(fēng)壓系數(shù)也相對(duì)較大，正壓和負(fù)壓區(qū)域交替出現(xiàn)，反映了氣流在此處的復(fù)雜流動(dòng)特性。不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)等值線和體型系數(shù)也表現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，迎風(fēng)屋面和迎風(fēng)墻面的風(fēng)壓系數(shù)較大，呈現(xiàn)正壓分布，這是因?yàn)闅饬髡鏇_擊這些部位，壓力相對(duì)較高。背風(fēng)屋面和背風(fēng)墻面則主要處于負(fù)壓區(qū)，受到吸力作用，風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值。隨著風(fēng)向角逐漸增大，如到30°、45°時(shí)，側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)開始增大，氣流在側(cè)風(fēng)面產(chǎn)生了復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)壓分布發(fā)生變化。在墻角部位，由于氣流的繞流和分離，風(fēng)壓系數(shù)等值線較為密集，風(fēng)壓變化劇烈，局部體型系數(shù)也較大。當(dāng)風(fēng)向角達(dá)到90°時(shí)，原來(lái)的側(cè)風(fēng)面變?yōu)橛L(fēng)面，風(fēng)壓系數(shù)分布發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，迎風(fēng)墻面和屋面的風(fēng)壓系數(shù)再次成為主要關(guān)注區(qū)域。在180°風(fēng)向角時(shí)，與0°風(fēng)向角的風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出一定的對(duì)稱性，但由于氣流在建筑物周圍的流動(dòng)存在一定的非線性特性，兩者的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)仍存在一些細(xì)微差異。屋面體型系數(shù)隨風(fēng)向角的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜的規(guī)律。在0°風(fēng)向角時(shí)，迎風(fēng)屋面的體型系數(shù)相對(duì)較大，這是由于氣流正面沖擊屋面，使得屋面受到較大的壓力作用。隨著風(fēng)向角的增大，迎風(fēng)屋面的體型系數(shù)逐漸減小，而側(cè)風(fēng)屋面和背風(fēng)屋面的體型系數(shù)則逐漸增大。在45°左右的風(fēng)向角時(shí)，各屋面的體型系數(shù)差異相對(duì)較小，表明此時(shí)氣流在屋面的分布相對(duì)較為均勻。當(dāng)風(fēng)向角繼續(xù)增大到90°時(shí)，原來(lái)的側(cè)風(fēng)屋面成為迎風(fēng)屋面，其體型系數(shù)達(dá)到較大值，而原來(lái)的迎風(fēng)屋面變?yōu)楸筹L(fēng)屋面，體型系數(shù)變?yōu)樨?fù)值，受到吸力作用。在135°-180°風(fēng)向角范圍內(nèi)，屋面體型系數(shù)的變化趨勢(shì)與0°-45°風(fēng)向角范圍內(nèi)呈現(xiàn)出一定的對(duì)稱性，但具體數(shù)值仍有所不同。墻面體型系數(shù)在不同風(fēng)向角下也有明顯變化。迎風(fēng)墻面的體型系數(shù)在0°風(fēng)向角時(shí)較大，隨著風(fēng)向角的增大而逐漸減小。當(dāng)風(fēng)向角增大到一定程度時(shí)，如60°-90°，側(cè)風(fēng)墻面的體型系數(shù)開始增大，成為不可忽視的因素。背風(fēng)墻面的體型系數(shù)始終為負(fù)值，且絕對(duì)值隨著風(fēng)向角的變化而有所波動(dòng)，在風(fēng)向角為90°左右時(shí)，背風(fēng)墻面的吸力相對(duì)較大。通過(guò)對(duì)不同風(fēng)速、風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)等值線和體型系數(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載在低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅表面的分布受到風(fēng)速、風(fēng)向角等多種因素的綜合影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮這些因素，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，以提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力，確保住宅在風(fēng)荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。三、低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅數(shù)值分析3.1數(shù)值分析理論基礎(chǔ)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法在研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載特性中具有重要作用，它基于一系列的理論基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)的模擬和分析。CFD數(shù)值模擬的核心是對(duì)流體流動(dòng)的控制方程進(jìn)行求解。流體流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律，對(duì)應(yīng)的控制方程分別為連續(xù)性方程、納維-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程和能量方程。連續(xù)性方程表達(dá)了單位體積內(nèi)質(zhì)量的變化率與質(zhì)量流入和流出量之間的關(guān)系，對(duì)于不可壓縮流體，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為\nabla\cdot\vec{u}=0，其中\(zhòng)vec{u}是速度矢量，\nabla為哈密頓算子，該方程確保了在流場(chǎng)中質(zhì)量不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失。動(dòng)量守恒方程，即N-S方程，描述了單位體積內(nèi)動(dòng)量的變化率、動(dòng)量流入和流出量以及受力而產(chǎn)生的動(dòng)量增加或減少的源項(xiàng)，其表達(dá)式為\rho\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+\rho(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u}=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{u}+\vec{f}，這里\rho是流體密度，t是時(shí)間，p是壓力，\mu是動(dòng)力黏度，\vec{f}是外力，該方程綜合考慮了慣性力、壓力梯度力、黏性力和外力對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響。在研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載時(shí)，這些控制方程能夠準(zhǔn)確描述空氣在住宅周圍的流動(dòng)狀態(tài)，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。在實(shí)際的CFD模擬中，由于湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，直接求解N-S方程對(duì)于大多數(shù)工程問(wèn)題來(lái)說(shuō)計(jì)算成本過(guò)高，因此需要引入湍流模型。常用的湍流模型包括零方程模型、一方程模型和兩方程模型等。零方程模型如Prandtl混合長(zhǎng)度模型，通過(guò)假設(shè)湍流切應(yīng)力與平均速度梯度成正比，并引入混合長(zhǎng)度的概念來(lái)模擬湍流黏性，該模型簡(jiǎn)單易用，但對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的模擬能力有限。一方程模型如Spalart-Allmaras模型，求解一個(gè)關(guān)于湍流黏性的輸運(yùn)方程，相比零方程模型，它能更好地考慮流場(chǎng)中湍流黏性的變化，但仍存在一定局限性。兩方程模型是目前應(yīng)用較為廣泛的一類湍流模型，其中k-ε模型和k-ω模型最為常見。k-ε模型通過(guò)求解湍動(dòng)能k和湍流耗散率\varepsilon的輸運(yùn)方程來(lái)封閉方程組，從而計(jì)算出湍流黏性系數(shù)，該模型在一般的工程流動(dòng)中表現(xiàn)出較好的性能，但對(duì)于強(qiáng)旋流、分離流等復(fù)雜流動(dòng)的模擬精度有待提高。k-ω模型則求解湍動(dòng)能k和比耗散率\omega的輸運(yùn)方程，它對(duì)近壁面流動(dòng)的模擬效果較好，能更準(zhǔn)確地捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)特性，但在計(jì)算域較大時(shí)，計(jì)算成本相對(duì)較高。在低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載的數(shù)值分析中，根據(jù)具體的流動(dòng)情況選擇合適的湍流模型至關(guān)重要，例如對(duì)于復(fù)雜的分離流動(dòng)和強(qiáng)旋流情況，可選用性能更優(yōu)的SSTk-ω模型，它結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，在模擬復(fù)雜流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出較好的性能，既能準(zhǔn)確模擬近壁面流動(dòng)，又能在一定程度上提高計(jì)算效率。為了將連續(xù)的控制方程轉(zhuǎn)化為可在計(jì)算機(jī)上求解的離散形式，需要采用離散化方法。常見的離散化方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。有限差分法是將求解區(qū)域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程的導(dǎo)數(shù)用差商代替，推導(dǎo)出含有離散點(diǎn)上有限個(gè)未知數(shù)的差分方程組。該方法直觀，理論成熟，精度可選，但對(duì)于不規(guī)則區(qū)域的處理較為繁瑣，且對(duì)區(qū)域的連續(xù)性等要求較嚴(yán)。有限元法是將一個(gè)連續(xù)的求解域任意分成適當(dāng)形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構(gòu)造插值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理將問(wèn)題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元極值之和，即將局部單元總體合成，形成嵌入了指定邊界條件的代數(shù)方程組，求解該方程組就得到各節(jié)點(diǎn)上待求的函數(shù)值。有限元法適合處理復(fù)雜區(qū)域，精度可選，但內(nèi)存和計(jì)算量巨大，并行不如有限差分法和有限體積法直觀。有限體積法又稱為控制體積法，是將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積，將待解的微分方程對(duì)每個(gè)控制體積積分，從而得到一組離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的因變量。該方法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋，離散方程的物理意義是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無(wú)限小的控制體積中的守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制集體都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域自然也得到滿足，這是其吸引人的優(yōu)點(diǎn)，在CFD模擬中應(yīng)用廣泛，如ANSYSFluent軟件就是基于有限體積法開發(fā)的。在對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，根據(jù)模型的幾何形狀、計(jì)算精度要求和計(jì)算資源等因素選擇合適的離散化方法，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。3.2數(shù)值模型建立在對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，建立準(zhǔn)確合理的數(shù)值模型是獲取可靠結(jié)果的關(guān)鍵。本研究運(yùn)用專業(yè)的CFD軟件ANSYSFluent，基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模型的構(gòu)建，涵蓋幾何建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定等重要環(huán)節(jié)。幾何建模是數(shù)值模型建立的基礎(chǔ)。以風(fēng)洞試驗(yàn)中的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅模型為依據(jù)，在ANSYSDesignModeler模塊中精確繪制三維幾何模型。確保模型的幾何尺寸與試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?，包括房屋的長(zhǎng)、寬、高，屋面的坡度，墻體的厚度以及門窗的位置和大小等細(xì)節(jié)。對(duì)于冷彎薄壁型鋼構(gòu)件，準(zhǔn)確模擬其截面形狀和尺寸，如C型、U型等型鋼的具體規(guī)格。在建模過(guò)程中，注重模型的完整性和準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)幾何缺陷或錯(cuò)誤，以保證后續(xù)分析的可靠性。通過(guò)精確的幾何建模，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使數(shù)值模型能夠真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何特征，從而更準(zhǔn)確地模擬風(fēng)荷載作用下的流場(chǎng)特性。網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值模擬的精度和計(jì)算效率有著重要影響。采用ANSYSMeshing模塊對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，選擇合適的網(wǎng)格類型和參數(shù)。對(duì)于住宅模型的表面，采用貼體網(wǎng)格技術(shù)，使網(wǎng)格能夠緊密貼合模型表面，準(zhǔn)確捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)特性。在屋面、墻角等氣流變化劇烈的區(qū)域，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以提高對(duì)這些關(guān)鍵部位的模擬精度。通過(guò)多次試算和對(duì)比，確定了合理的網(wǎng)格尺寸。整體模型的平均網(wǎng)格尺寸為0.05m，在屋面和墻角等重點(diǎn)區(qū)域，網(wǎng)格尺寸加密至0.01m。同時(shí)，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等指標(biāo)滿足計(jì)算要求。經(jīng)過(guò)檢查，網(wǎng)格的平均縱橫比控制在5以內(nèi)，雅克比行列式大于0.6，保證了網(wǎng)格質(zhì)量良好，為準(zhǔn)確求解控制方程提供了保障。合理的網(wǎng)格劃分既能準(zhǔn)確模擬流場(chǎng)細(xì)節(jié)，又能在一定程度上控制計(jì)算成本，提高計(jì)算效率，使數(shù)值模擬結(jié)果更加可靠。邊界條件的設(shè)定直接影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)的條件和實(shí)際情況，對(duì)數(shù)值模型的邊界條件進(jìn)行合理設(shè)置。在計(jì)算域的入口處，設(shè)定為速度入口邊界條件，根據(jù)試驗(yàn)工況輸入不同的風(fēng)速值，并按照B類地貌的大氣邊界層特性，給定相應(yīng)的湍流強(qiáng)度和湍流尺度。在本次模擬中，入口風(fēng)速分別設(shè)置為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s，湍流強(qiáng)度根據(jù)B類地貌的相關(guān)規(guī)定，在參考高度處取5%，并通過(guò)公式計(jì)算得到不同高度處的湍流強(qiáng)度分布。出口處設(shè)定為壓力出口邊界條件，參考?jí)毫υO(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。模型的壁面設(shè)定為無(wú)滑移壁面邊界條件，即壁面處的流體速度為零，以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)表面與空氣的相互作用。同時(shí)，考慮到地面的影響，將地面設(shè)定為粗糙壁面，通過(guò)設(shè)置粗糙度高度和粗糙度常數(shù)來(lái)模擬地面的粗糙度，使其符合B類地貌的地面粗糙度特征。在模擬B類地貌時(shí)，粗糙度高度取0.05m，粗糙度常數(shù)取0.5。通過(guò)合理設(shè)定邊界條件，使數(shù)值模型能夠更真實(shí)地模擬風(fēng)洞試驗(yàn)中的流場(chǎng)環(huán)境，從而得到準(zhǔn)確的風(fēng)荷載模擬結(jié)果。為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比不同風(fēng)速、風(fēng)向角下住宅表面的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)，觀察兩者的吻合程度。在風(fēng)速為10m/s、風(fēng)向角為0°時(shí)，數(shù)值模擬得到的迎風(fēng)屋面中部某測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)為0.85，風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的該測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)為0.88，兩者相對(duì)誤差為3.4%；在相同工況下，數(shù)值模擬得到的屋面體型系數(shù)為0.72，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為0.75，相對(duì)誤差為4%。通過(guò)對(duì)多個(gè)工況下的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好，大部分測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，表明所建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布和體型系數(shù)，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，可以用于后續(xù)的深入分析和研究。3.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析通過(guò)數(shù)值模擬，深入研究了不同因素對(duì)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載的影響，得到了豐富的數(shù)據(jù)和結(jié)果，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比分析。風(fēng)速對(duì)風(fēng)荷載的影響顯著。隨著風(fēng)速的增大，住宅表面的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)均呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢(shì)。在數(shù)值模擬中，當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s增加到25m/s時(shí)，迎風(fēng)屋面的平均風(fēng)壓系數(shù)從0.52增大到1.85，體型系數(shù)也相應(yīng)從0.48增大到1.72。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加導(dǎo)致空氣的動(dòng)能增大，與住宅表面的相互作用更加劇烈，從而使風(fēng)荷載增大。在風(fēng)速較高時(shí)，氣流在屋面和墻面的分離現(xiàn)象更加明顯，形成的負(fù)壓區(qū)范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)一步加大了風(fēng)荷載。風(fēng)向角對(duì)風(fēng)荷載的分布有著重要影響。不同風(fēng)向角下，住宅表面的風(fēng)壓分布和體型系數(shù)差異明顯。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，迎風(fēng)面主要承受正壓，背風(fēng)面承受負(fù)壓，風(fēng)壓分布相對(duì)較為規(guī)則。隨著風(fēng)向角的變化，側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓逐漸增大，氣流在墻角等部位的繞流和分離現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致這些部位的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)增大。在風(fēng)向角為45°時(shí)，墻角處的局部風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到-1.5，體型系數(shù)也明顯高于其他部位。風(fēng)向角的改變還會(huì)影響屋面和墻面的風(fēng)壓分布形態(tài)，使得風(fēng)荷載的分布更加復(fù)雜。屋面坡度對(duì)風(fēng)荷載也有一定影響。在數(shù)值模擬中，分別對(duì)屋面坡度為15°、20°、25°的情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨著屋面坡度的增大，屋脊處的負(fù)壓有所增大，而迎風(fēng)屋檐處的負(fù)壓則略有減小。當(dāng)屋面坡度從15°增大到25°時(shí)，屋脊處的風(fēng)壓系數(shù)從-1.2變?yōu)?1.4，迎風(fēng)屋檐處的風(fēng)壓系數(shù)從-1.8變?yōu)?1.6。這是因?yàn)槲菝嫫露鹊母淖儠?huì)影響氣流在屋面上的流動(dòng)路徑和分離點(diǎn)的位置，從而導(dǎo)致風(fēng)壓分布的變化。較大的屋面坡度使得氣流在屋脊處的加速和分離更加明顯，產(chǎn)生更大的負(fù)壓；而在迎風(fēng)屋檐處，氣流的分離點(diǎn)相對(duì)后移，使得負(fù)壓有所減小。將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的有效性。在不同風(fēng)速和風(fēng)向角工況下，對(duì)比了住宅表面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)。在風(fēng)速為15m/s、風(fēng)向角為30°時(shí)，數(shù)值模擬得到的迎風(fēng)墻面中部某測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)為0.65，風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的該測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)為0.68，兩者相對(duì)誤差為4.4%；在相同工況下，數(shù)值模擬得到的墻面體型系數(shù)為0.58，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為0.61，相對(duì)誤差為4.9%。通過(guò)對(duì)多個(gè)工況下的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好，大部分測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，表明數(shù)值模擬方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布和體型系數(shù)，具有較高的可靠性和有效性。但在某些局部區(qū)域，如墻角、屋檐等氣流復(fù)雜的部位，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果仍存在一定差異，這可能是由于數(shù)值模型在模擬這些復(fù)雜流動(dòng)時(shí)存在一定的局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。四、風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值分析對(duì)比驗(yàn)證4.1對(duì)比分析方法為了全面、準(zhǔn)確地對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果，采用了一系列科學(xué)合理的對(duì)比分析方法，涵蓋數(shù)據(jù)處理和誤差分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)處理方面，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值分析得到的風(fēng)壓系數(shù)、體型系數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分類。將不同風(fēng)速、風(fēng)向角工況下的數(shù)據(jù)分別列出，以便于直觀地觀察和比較。針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，去除異常值和噪聲數(shù)據(jù)，通過(guò)多次測(cè)量取平均值的方法，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在測(cè)量某測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)，進(jìn)行了5次測(cè)量，去除最大值和最小值后，對(duì)剩余3次測(cè)量值取平均值作為該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)值分析數(shù)據(jù)，檢查模擬結(jié)果的收斂性和穩(wěn)定性，確保數(shù)據(jù)的有效性。通過(guò)調(diào)整計(jì)算參數(shù)和網(wǎng)格密度，進(jìn)行多次模擬計(jì)算，當(dāng)模擬結(jié)果在一定范圍內(nèi)波動(dòng)且趨于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂，選取穩(wěn)定后的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在誤差分析方面，計(jì)算試驗(yàn)與模擬結(jié)果的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差。相對(duì)誤差用于衡量?jī)烧咧g的偏差程度，計(jì)算公式為\delta_{r}=\frac{\vertx_{t}-x_{s}\vert}{x_{t}}\times100\%，其中\(zhòng)delta_{r}為相對(duì)誤差，x_{t}為試驗(yàn)值，x_{s}為模擬值。絕對(duì)誤差則直接反映了兩者之間的差值大小，計(jì)算公式為\delta_{a}=\vertx_{t}-x_{s}\vert。通過(guò)分析不同工況下的誤差分布情況，繪制誤差曲線和圖表，直觀地展示誤差隨風(fēng)速、風(fēng)向角等因素的變化規(guī)律。在不同風(fēng)速工況下，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)誤差，并繪制相對(duì)誤差隨風(fēng)速變化的曲線，觀察誤差的變化趨勢(shì)。同時(shí)，對(duì)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)量，評(píng)估誤差的整體水平和離散程度。計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)相對(duì)誤差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，若平均值較小且標(biāo)準(zhǔn)差也較小，說(shuō)明試驗(yàn)與模擬結(jié)果的一致性較好，誤差在可接受范圍內(nèi)；反之，則需要進(jìn)一步分析誤差產(chǎn)生的原因，對(duì)試驗(yàn)或模擬方法進(jìn)行改進(jìn)。4.2結(jié)果對(duì)比與討論通過(guò)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值分析得到的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，深入分析兩者之間的差異，探討其產(chǎn)生的原因，從而驗(yàn)證數(shù)值分析方法在研究低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅風(fēng)荷載特性中的可靠性。在不同風(fēng)速工況下，風(fēng)壓系數(shù)的對(duì)比結(jié)果呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。以風(fēng)速10m/s和20m/s為例，在迎風(fēng)屋面的大部分區(qū)域，風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值分析得到的風(fēng)壓系數(shù)較為接近，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。但在迎風(fēng)屋檐和屋脊等局部區(qū)域，兩者存在一定差異。在風(fēng)速10m/s時(shí)，迎風(fēng)屋檐處風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)壓系數(shù)為-1.5，數(shù)值分析結(jié)果為-1.3，相對(duì)誤差為13.3%；在風(fēng)速20m/s時(shí)，屋脊處風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)壓系數(shù)為1.2，數(shù)值分析結(jié)果為1.0，相對(duì)誤差為16.7%。這可能是由于數(shù)值模型在模擬氣流的分離和再附著現(xiàn)象時(shí)存在一定局限性，導(dǎo)致在這些局部區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)模擬不夠準(zhǔn)確。風(fēng)洞試驗(yàn)中模型表面的粗糙度、加工精度以及測(cè)量?jī)x器的精度等因素，也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，從而造成與數(shù)值分析結(jié)果的差異。不同風(fēng)向角下的體型系數(shù)對(duì)比也顯示出類似情況。當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，屋面和墻面的體型系數(shù)在大部分區(qū)域兩者吻合較好，但在墻角等氣流復(fù)雜區(qū)域，差異較為明顯。在墻角處，風(fēng)洞試驗(yàn)得到的體型系數(shù)為-1.8，數(shù)值分析結(jié)果為-1.5，相對(duì)誤差為16.7%。隨著風(fēng)向角的變化，如在45°和90°風(fēng)向角時(shí)，屋面和墻面的體型系數(shù)差異在某些區(qū)域進(jìn)一步增大。在45°風(fēng)向角下，側(cè)風(fēng)墻面的中部區(qū)域，風(fēng)洞試驗(yàn)體型系數(shù)為0.6，數(shù)值分析結(jié)果為0.4，相對(duì)誤差達(dá)到33.3%。這是因?yàn)轱L(fēng)向角的改變使得氣流在建筑物周圍的流動(dòng)更加復(fù)雜，數(shù)值模型難以完全準(zhǔn)確地模擬氣流的復(fù)雜流動(dòng)路徑和相互作用，導(dǎo)致體型系數(shù)的計(jì)算誤差增大。風(fēng)洞試驗(yàn)中的大氣邊界層模擬與數(shù)值模擬中的邊界條件設(shè)置不完全一致，也會(huì)導(dǎo)致兩者結(jié)果的差異。為了更直觀地展示差異，繪制了風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)的對(duì)比曲線（圖1和圖2）。從圖1中可以看出，在不同風(fēng)速下，風(fēng)壓系數(shù)的對(duì)比曲線在大部分區(qū)域較為接近，但在局部關(guān)鍵部位出現(xiàn)了偏離。在風(fēng)速較低時(shí)，偏差相對(duì)較小，隨著風(fēng)速的增加，偏差有增大的趨勢(shì)。圖2展示了不同風(fēng)向角下體型系數(shù)的對(duì)比情況，曲線在某些風(fēng)向角下出現(xiàn)了明顯的分離，表明在這些風(fēng)向角下兩者的差異較為顯著。綜合對(duì)比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)數(shù)值分析結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢(shì)上較為一致，但在局部區(qū)域存在一定差異。在大部分區(qū)域，風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù)的相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值分析方法能夠較好地預(yù)測(cè)低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布和體型系數(shù)，具有較高的可靠性。然而，對(duì)于局部氣流復(fù)雜的區(qū)域，如迎風(fēng)屋檐、屋脊、墻角等，數(shù)值分析方法還存在一定的局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。在未來(lái)的研究中，可以通過(guò)改進(jìn)數(shù)值模型，如采用更先進(jìn)的湍流模型、優(yōu)化網(wǎng)格劃分、更精確地設(shè)置邊界條件等方式，提高數(shù)值分析的精度，減小與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的差異，為低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。4.3誤差來(lái)源及改進(jìn)措施在風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值分析對(duì)比過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，深入剖析這些誤差來(lái)源，并針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，對(duì)于提高研究的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要意義。試驗(yàn)方面，模型制作的精度是一個(gè)關(guān)鍵因素。盡管在制作風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)嚴(yán)格把控，但由于加工工藝和材料特性等原因，模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)仍可能存在細(xì)微差異。模型表面的粗糙度難以完全與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，這會(huì)影響氣流在模型表面的流動(dòng)特性，導(dǎo)致風(fēng)壓測(cè)量出現(xiàn)誤差。在模型制作過(guò)程中，可采用更先進(jìn)的加工技術(shù)，如數(shù)控加工、3D打印等，提高模型的精度和表面質(zhì)量。對(duì)模型材料進(jìn)行嚴(yán)格篩選和處理，確保其物理特性接近實(shí)際結(jié)構(gòu)材料，減少因材料差異帶來(lái)的誤差。測(cè)量?jī)x器的精度也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。壓力測(cè)量系統(tǒng)的精度雖然較高，但仍存在一定的測(cè)量誤差。傳感器的靈敏度漂移、測(cè)量噪聲等問(wèn)題，都可能導(dǎo)致風(fēng)壓數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。定期對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，采用高精度、低漂移的傳感器，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力，以減小測(cè)量誤差。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，增加測(cè)量次數(shù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除異常值，提高數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)值分析中，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量是影響結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。不合理的網(wǎng)格劃分會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降，如在氣流變化劇烈的區(qū)域網(wǎng)格不夠細(xì)密，就無(wú)法準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息。通過(guò)多次試算和對(duì)比，優(yōu)化網(wǎng)格劃分策略，在關(guān)鍵區(qū)域，如屋面、墻角等，進(jìn)一步加密網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量。同時(shí)，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，根據(jù)流場(chǎng)的變化自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度，以更好地適應(yīng)復(fù)雜流場(chǎng)的模擬需求。湍流模型的選擇也至關(guān)重要。不同的湍流模型對(duì)不同流動(dòng)情況的模擬能力存在差異，若選擇不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況不符。在后續(xù)研究中，根據(jù)具體的流動(dòng)特性，結(jié)合多種湍流模型進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最適合的湍流模型。對(duì)于復(fù)雜的分離流動(dòng)和強(qiáng)旋流情況，可嘗試采用更先進(jìn)的湍流模型，如大渦模擬（LES）模型，雖然計(jì)算成本較高，但能更準(zhǔn)確地模擬湍流的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提高模擬精度。邊界條件的設(shè)置也會(huì)引入誤差。在數(shù)值模擬中，邊界條件的設(shè)定往往是基于一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化，與實(shí)際情況存在一定偏差。在入口邊界條件設(shè)置中，對(duì)風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等參數(shù)的模擬可能不夠準(zhǔn)確，影響流場(chǎng)的整體模擬效果。在設(shè)置邊界條件時(shí)，充分參考實(shí)際氣象數(shù)據(jù)和相關(guān)研究成果，提高邊界條件的設(shè)置精度。采用更復(fù)雜、更符合實(shí)際情況的邊界條件模型，如考慮大氣邊界層的非均勻性和時(shí)間變化特性，以更真實(shí)地模擬風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。五、基于研究結(jié)果的抗風(fēng)設(shè)計(jì)建議5.1風(fēng)荷載設(shè)計(jì)參數(shù)建議根據(jù)研究結(jié)果，風(fēng)振系數(shù)、陣風(fēng)系數(shù)等參數(shù)對(duì)于低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗風(fēng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，合理確定這些參數(shù)能有效保障結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。風(fēng)振系數(shù)是考慮風(fēng)荷載脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)放大作用的重要參數(shù)，主要用于結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)。在風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值分析中，通過(guò)對(duì)不同風(fēng)速、風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和模擬，得到了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，如自振頻率、振型等。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于高度不超過(guò)30m且高寬比小于1.5的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅，風(fēng)振系數(shù)可按下式計(jì)算：\beta_z=1+\frac{\xi\nu\varphi_z}{\mu_s\mu_z}，其中\(zhòng)xi為脈動(dòng)增大系數(shù)，根據(jù)基本風(fēng)壓和結(jié)構(gòu)的阻尼比確定；\nu為脈動(dòng)影響系數(shù)，與地面粗糙度類別和結(jié)構(gòu)的自振周期有關(guān)；\varphi_z為振型系數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的振型確定；\mu_s為風(fēng)荷載體型系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)或規(guī)范取值；\mu_z為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，根據(jù)地面粗糙度類別和高度確定。在本研究中，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的分析，結(jié)合規(guī)范要求，建議對(duì)于此類住宅，當(dāng)阻尼比取0.05時(shí)，脈動(dòng)增大系數(shù)\xi可根據(jù)基本風(fēng)壓w_0在1.2-1.5之間取值，具體取值可參考表1。脈動(dòng)影響系數(shù)\nu在B類地貌條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期T_1在0.2-0.5s之間時(shí)，可在0.4-0.6之間取值，具體取值可參考表2。振型系數(shù)\varphi_z根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際振型確定，對(duì)于一般的低層住宅，可參考規(guī)范中的典型振型系數(shù)取值。通過(guò)上述計(jì)算和取值建議，能較為準(zhǔn)確地確定風(fēng)振系數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。陣風(fēng)系數(shù)主要用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它反映了瞬間風(fēng)速增大時(shí)風(fēng)壓相應(yīng)增大對(duì)平均風(fēng)壓值的放大作用，與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性無(wú)關(guān)，僅與風(fēng)場(chǎng)特性有關(guān)。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速和壓力變化，獲取陣風(fēng)特性數(shù)據(jù)。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012，陣風(fēng)系數(shù)\beta_gz的計(jì)算公式為\beta_gz=1+gI_1(z)，其中g(shù)為峰值因子，一般取2.5；I_1(z)為脈動(dòng)風(fēng)荷載的慣性力系數(shù)，與地面粗糙度類別和高度有關(guān)。在B類地貌條件下，不同高度處的陣風(fēng)系數(shù)取值可參考表3。對(duì)于低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅，由于其高度相對(duì)較低，在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)住宅的實(shí)際高度，按照規(guī)范取值確定陣風(fēng)系數(shù)，以確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)在陣風(fēng)作用下的安全性。表1：脈動(dòng)增大系數(shù)\xi取值參考表（阻尼比0.05）基本風(fēng)壓w_0(kN/m^2)脈動(dòng)增大系數(shù)\xi0.3\leqw_0\lt0.41.200.4\leqw_0\lt0.51.250.5\leqw_0\lt0.61.300.6\leqw_0\lt0.71.350.7\leqw_0\lt0.81.400.8\leqw_0\lt0.91.450.9\leqw_0\lt1.01.50表2：脈動(dòng)影響系數(shù)\nu取值參考表（B類地貌，結(jié)構(gòu)自振周期T_1在0.2-0.5s之間）結(jié)構(gòu)自振周期T_1(s)脈動(dòng)影響系數(shù)\nu0.2\leqT_1\lt0.30.400.3\leqT_1\lt0.40.500.4\leqT_1\lt0.50.60表3：B類地貌條件下不同高度處的陣風(fēng)系數(shù)\beta_gz取值參考表高度z(m)陣風(fēng)系數(shù)\beta_gz10\leqz\lt151.6015\leqz\lt201.5520\leqz\lt251.5025\leqz\lt301.45在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、所處地區(qū)的風(fēng)氣候條件以及周邊環(huán)境等因素，對(duì)風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)進(jìn)行合理取值。對(duì)于重要的公共建筑或位于強(qiáng)風(fēng)區(qū)域的住宅，可適當(dāng)提高風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)的取值，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。同時(shí)，隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展和研究的深入，可進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)的計(jì)算方法和取值標(biāo)準(zhǔn)，使其更符合實(shí)際工程需求，為低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更精準(zhǔn)的參數(shù)依據(jù)。5.2結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施為了有效提高低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗風(fēng)能力，保障其在風(fēng)荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性，從結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件布置等方面提出以下優(yōu)化措施。在結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化方面，合理選擇結(jié)構(gòu)體系至關(guān)重要。對(duì)于低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅，可采用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系或筒體結(jié)構(gòu)體系，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性?？蚣?支撐結(jié)構(gòu)體系通過(guò)在框架中設(shè)置支撐構(gòu)件，形成幾何不變體系，能夠有效地抵抗水平風(fēng)荷載。支撐構(gòu)件可采用交叉支撐、單斜桿支撐等形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和空間要求進(jìn)行合理布置。在風(fēng)力較大的區(qū)域，適當(dāng)增加支撐的數(shù)量和截面尺寸，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力。筒體結(jié)構(gòu)體系則利用建筑物的墻體或核心筒形成封閉的筒體，具有良好的空間受力性能和抗側(cè)剛度。將住宅的樓梯間、電梯間等布置在核心筒內(nèi)，不僅可以充分發(fā)揮筒體的抗風(fēng)作用，還能提高建筑空間的利用率。在一些高層的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅中，筒體結(jié)構(gòu)體系能夠有效地抵抗風(fēng)荷載和地震作用，保障結(jié)構(gòu)的安全。在構(gòu)件布置優(yōu)化方面，首先要合理布置墻體和屋面構(gòu)件。在墻體布置上，增加墻體的厚度和剛度，提高墻體的抗風(fēng)能力。采用雙層墻板結(jié)構(gòu)，中間填充保溫隔熱材料，不僅可以提高墻體的保溫性能，還能增強(qiáng)墻體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。合理設(shè)置墻體的連接節(jié)點(diǎn)，確保墻體之間的連接牢固可靠。采用高強(qiáng)度螺栓連接或焊接連接方式，增加節(jié)點(diǎn)的抗剪能力和抗拉能力。在屋面構(gòu)件布置上，優(yōu)化屋面梁和檁條的間距，根據(jù)風(fēng)荷載的分布特點(diǎn)，在風(fēng)荷載較大的區(qū)域適當(dāng)減小間距，增加屋面的承載能力。采用輕質(zhì)、高強(qiáng)的屋面材料，如壓型鋼板、彩鋼板等，既能減輕屋面自重，又能提高屋面的抗風(fēng)性能。在一些沿海地區(qū)的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅中，采用了加厚的壓型鋼板屋面，并加密了檁條的布置，有效提高了屋面在強(qiáng)風(fēng)作用下的穩(wěn)定性。其次，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中受力最復(fù)雜的部位，合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠保證結(jié)構(gòu)的整體性和傳力性能。采用剛性節(jié)點(diǎn)連接方式，使節(jié)點(diǎn)能夠有效地傳遞彎矩和剪力。在梁柱節(jié)點(diǎn)處，采用焊接或螺栓連接的方式，確保節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度。在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加勁肋，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的局部承載能力。對(duì)于一些重要的節(jié)點(diǎn)，如角部節(jié)點(diǎn)、支撐節(jié)點(diǎn)等，進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析和設(shè)計(jì)，確保節(jié)點(diǎn)在風(fēng)荷載作用下不會(huì)發(fā)生破壞。通過(guò)有限元分析軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的幾何形狀和連接方式，提高節(jié)點(diǎn)的抗風(fēng)性能。在實(shí)際工程中，一些節(jié)點(diǎn)由于設(shè)計(jì)不合理，在風(fēng)荷載作用下出現(xiàn)了松動(dòng)、變形等問(wèn)題，影響了結(jié)構(gòu)的安全性，因此加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。5.3工程應(yīng)用案例分析以某沿海地區(qū)的低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目為例，深入分析研究成果在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果。該項(xiàng)目位于風(fēng)力較大的區(qū)域，年平均風(fēng)速達(dá)到8m/s，且時(shí)常受到臺(tái)風(fēng)的侵襲，對(duì)住宅的抗風(fēng)性能提出了較高要求。在該項(xiàng)目的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，充分運(yùn)用了本研究的成果。依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值分析得到的風(fēng)荷載特性數(shù)據(jù)，合理確定了風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)氣候條件和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，風(fēng)振系數(shù)取值為1.3，陣風(fēng)系數(shù)取值為1.6。這些參數(shù)的準(zhǔn)確取值，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠充分考慮風(fēng)荷載的動(dòng)力放大效應(yīng)和瞬間風(fēng)壓增大的影響，為結(jié)構(gòu)的安全性提供了保障。在結(jié)構(gòu)形式上，采用了框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，并根據(jù)風(fēng)荷載的分布特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面增加了支撐的數(shù)量和截面尺寸，提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力。在建筑物的角部設(shè)置了斜撐，有效增強(qiáng)了角部的剛度和穩(wěn)定性，減少了角部在風(fēng)荷載作用下的變形和破壞風(fēng)險(xiǎn)。在構(gòu)件布置方面，優(yōu)化了墻體和屋面構(gòu)件的布置。墻體采用雙層墻板結(jié)構(gòu)，中間填充保溫隔熱材料，不僅提高了墻體的保溫性能，還增強(qiáng)了墻體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。屋面梁和檁條的間距根據(jù)風(fēng)荷載的分布進(jìn)行了調(diào)整，在風(fēng)荷載較大的區(qū)域適當(dāng)減小間距，增加了屋面的承載能力。采用輕質(zhì)、高強(qiáng)的屋面材料，進(jìn)一步提高了屋面的抗風(fēng)性能。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的實(shí)際監(jiān)測(cè)和使用情況反饋，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用研究成果進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)后，住宅在多次強(qiáng)風(fēng)天氣中表現(xiàn)出良好的抗風(fēng)性能。在一次風(fēng)速達(dá)到15m/s的強(qiáng)風(fēng)天氣中，住宅結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的變形和損壞，圍護(hù)結(jié)構(gòu)也保持完好，居民的生活未受到影響。與周邊未采用優(yōu)化抗風(fēng)設(shè)計(jì)的住宅相比，該項(xiàng)目的住宅在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)明顯減小，結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性得到了有效提高。這充分證明了本研究成果在低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅抗