一种大型建筑屋面雪冰荷载分布特征计算方法

发明人：刘盟盟、詹进生、王晓丽、张新潮、周杰

技术领域

本发明涉及建筑学领域，具体为一种大型建筑屋面雪冰荷载分布特征计算方法。

背景技术

寒区大跨度建筑屋面，如球壳、柱壳、鞍形屋面等，由于其具有自重轻、雪荷载占比大等特点，因此属于典型的雪荷载敏感结构。此外，特殊的屋面形式以及复杂的风场和环境热力作用均会导致该类屋面积雪易发生漂移、二次堆积以及滑落等现象，从而使得屋面局部地区的积雪厚度可达到平均降雪厚度的数倍，最终导致结构发生开裂或倒塌破坏。然而现有规范对于典型大跨度建筑屋面的雪荷载形式以及系数取值的规定较为笼统和粗略，且对于某些复杂形式的屋面并无法统一予以雪荷载取值建议，因此需经过特殊研究手段确定复杂形状大跨度屋面雪荷载分布系数。

现有的屋面雪荷载分布特征研究手段中，实地观测虽能获取最真实可靠的数据，但工作量大、周期长，易受环境条件制约；风洞试验能较为高效地揭示风雪运动内在规律，但建造周期长，耗资大，同时受限于相似准则的制约。

发明内容

本发明的技术问题在于现有规范对于典型大跨度建筑屋面的雪荷载形式以及系数取值的规定较为笼统和粗略，且对于某些复杂形式的屋面并无法统一予以雪荷载取值建议。

本发明提供的基础方案：一种大型建筑屋面雪冰荷载分布特征计算方法，包括步骤：

S1：建立多相运输方程计算壁面摩擦速度和漂移雪浓度；

S2：将壁面摩擦速度和漂移雪浓度输入混合流模型运输方程中，得到最终沉积侵蚀速率；

S3：在雪颗粒运输方程中添加质量源项，通过最终沉积侵蚀速率除以标准沉积侵蚀速率得到屋面积雪分布系数。

进一步，所述S1中的多相运输方程包括：混合相连续方程、混合相动量方程、弥散相连续方程、相对速度方程。

进一步，所述混合相连续方程：

式中，ρ

进一步，所述混合相动量方程：

式中，τ

进一步，所述弥散相连续方程：

式中，α

进一步，所述相对速度方程：

式中，u

进一步，所述S2中，若仅存在单一弥散相p，则混合流模型运输方程为：

式中，τ

式2和式3中，相对(滑移)速度代替原有扩散速度，相对(滑移)速度可按下式计算：

式中，颗粒被假定为球形；弥散相连续方程中的扩散系数定义为D

进一步，所述S3中，在雪颗粒运输方程中添加质量源项，当雪颗粒沉积时，质量源项为负，代表模拟过程中雪颗粒降落至壁面，空气中的雪体积分数降低；雪面发生侵蚀时，质量源项为正，代表壁面上的雪颗粒弹起，空气中雪相体积分数升高。

进一步，所述添加质量源项后的雪相体积分数运输方程如下：

q

式中，α

本发明的原理及优点在于：本方案基于基于CFD(Computational FluidDynamics)技术的数值模拟，克服了实地观测中气象条件不可控和风洞试验中相似准则矛盾的难题前提下，运用其中非平衡过程的混合流模型(Mixtre Model)数值方法能够充分还原雪颗粒与空气之间的双向耦合作用，并考虑雪源在建筑屋面附近的非平衡动态变化过程，研究了不同分布特征下雪冰荷载对区大型建筑屋面的影响，对后续建立科学高效地融雪除冰技术，提高结构安全可靠度存在指导性意义。

附图说明

图1为本发明一种大型建筑屋面雪冰荷载分布特征计算方法实施例的步骤流程图。

图2为本发明一种大型建筑屋面雪冰荷载分布特征计算方法实施例的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

具体实施过程如下：

实施例一

实施例一基本如附图1所示，一种大型建筑屋面雪冰荷载分布特征计算方法，包括步骤：

S1：建立多相运输方程计算壁面摩擦速度和漂移雪浓度；

S2：将壁面摩擦速度和漂移雪浓度输入混合流模型运输方程中，得到最终沉积侵蚀速率；

S3：在雪颗粒运输方程中添加质量源项，通过最终沉积侵蚀速率除以标准沉积侵蚀速率得到屋面积雪分布系数。

本方案通过建立多相运输方程计算壁面摩擦速度和漂移雪浓度，再将壁面摩擦速度和漂移雪浓度输入混合流模型运输方程中，得到最终沉积侵蚀速率。其中主体方程包括：

混合相连续方程：

式中，ρ

混合相动量方程：

式中，τ

弥散相连续方程：

式中，α

相对速度方程：

式中，u

若仅存在单一弥散相p，则整理后的混合流模型运输方程为：

式中，τ

式2和式3中，相对(滑移)速度代替原有扩散速度，相对(滑移)速度可按下式计算：

式中，颗粒被假定为球形；弥散相连续方程中的扩散系数定义为D

其中，混合相动量方程中湍流的主要贡献为湍流应力项和弥散相连续性方程中的扩散项。在粘性应力和湍流应力方面，本文采用广义的应力本构方程。对于层流，可利用C

具体的，在没有参考数值情况下，可近似假定湍流各向同性，即认为三个方向的湍流度相同，采用下式计算。其中，I(z)为湍流强度剖面。

k(z)＝1.5(U(z).I(z))

考虑实际大气边界层湍流的各向异性，认为横向、竖向湍流强度与纵向湍流强度成比例，比例系数小于1。为了方便应用，有时不考虑它们之间的数量关系，笼统用下式表达：

k(z)＝1.2(U(z).

式中，Iu(z)为顺风向湍流强度剖面。顺风向、横风向和竖向的湍流强度Iu、Iv和1w可按下式计算：

式中，σu、σv和σw为脉动风速三个方向分量的均方根值。一般，顺风向的湍流强度Iu大于横风向的湍流强度Iv，横风向的湍流强度Iv大于竖向的湍流强度Iw。对于完全发展的大气边界层湍流，Holmes建议横风向脉动风速均方根取2.2u*，而竖向脉动风速均方根取1.3u*～1.4u*。

关于顺风向湍流强度Iu(z)，各国规范均给出了相应的经验公式。我国荷载规范给出的Iu(z)公式为：

式中，I

湍流耗散率剖面：

湍流耗散率表示小尺度涡由机械能转化为热能的速率，其定义式为：

式中，v为流体的分子粘性。

此外，为了考虑屋面附近雪颗粒复杂的输运过程，非平衡态混合流模型在雪颗粒的输运方程中添加了质量源项，如图2所示。即当雪颗粒沉积(fdep)时，质量源项为负，代表模拟过程中雪颗粒降落至壁面，空气中的雪体积分数降低。雪面发生侵蚀(fero)时，质量源项为正，代表壁面上的雪颗粒弹起，空气中雪相体积分数升高。

添加质量源项后的雪相体积分数运输方程如下：

q

式中，α

综上所述，本方案基于基于CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的数值模拟，克服了实地观测中气象条件不可控和风洞试验中相似准则矛盾的难题前提下，运用其中非平衡过程的混合流模型(Mixtre Model)数值方法能够充分还原雪颗粒与空气之间的双向耦合作用，并考虑雪源在建筑屋面附近的非平衡动态变化过程，研究了不同分布特征下雪冰荷载对区大型建筑屋面的影响，对后续建立科学高效地融雪除冰技术，提高结构安全可靠度存在指导性意义。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。