大跨屋盖结构风致雪飘移研究方法以及防治措施

肖 艳

(华南理工大学，广东 广州 510641)



大跨屋盖结构风致雪飘移研究方法以及防治措施

肖 艳

(华南理工大学，广东 广州 510641)

介绍了大跨屋盖结构风致雪飘移问题原理与危害性，并简述了CFD及FAE方法在计算风致屋盖表面积雪分布系数中的研究现状及应用，通过分析结果与现有规范的对比，找出现有规范不足之处，给出了合适的调整范围，以更好的预测风致屋盖积雪分布系数，减少建筑倒塌破坏。

大跨屋盖结构，CFD，FAE，积雪分布系数

2008年1月份我国南方地区遭遇了50年以来罕见的大雪灾害，屋面的积雪荷载大大超出我国GB 50009—2001建筑荷载规范规定了50年一遇基本雪压荷载限值，造成了南方地区大量的大跨轻质厂房倒塌，产生了严重的后果[1]。国外也常常有大跨屋盖结构因为雪灾发生损害的案例发生，2004年2月16日，莫斯科附近一水上乐园玻璃屋顶被积雪压塌，造成人员伤亡。

目前我国大跨屋盖结构的雪荷载研究还不够完善，大跨屋盖结构因风致雪飘移产生的不均匀雪荷载是建筑结构设计中需重点考虑的问题，由于雪荷载发生的周期长，实测研究比较困难，目前随着计算机水平的发展，数值模拟成为了有效的研究手段[2]。

本文主要通过大跨屋盖结构风致雪飘移问题原理的介绍，采用数值模拟(CFD)的手段结合FAE方法对大跨屋盖结构表面的积雪分布系数展开研究讨论。

1 风致雪飘移理论基础

风致雪飘移是利用有限面积法通过把屋面划分为若干个有限面积区域，通过试验得到的一系列风速方向和大小可以通过插值得到每个网格点的平均风速大小与方向。用来计算屋面每个小时由于雪的侵蚀、沉积、吸收雨水、雪的融化而形成的积雪，利用历史气象数据通过每间隔1 h的计算来模拟整个冬天的积雪情况。图1展示了一个典型的有限元单元。如果雪处于侵蚀状态且顺风向单元有充足的雪供应，则雪流量存在被称为在每个网格点潜在的雪流量，用qi,j表示[3]。

在网格点(i,j)雪流量在x,y方向的大小分别为：

(1)

约定流入网格单元的雪流量为正,流出的为负，则垂直于四个单元边界的平均质量流量q1,q2,q3和q4分别为：

(2)

在一个单元中单位时间的雪流量改变量为：

dm=(q1l1+q2l2+q3l3+q4l4)dt+Mfall+Mrain-Mmelt

(3)

l1～l4为面积单元的四个边长，本文中只考虑风致雪飘移，因此公式可以简化为：

dm=(q1l1+q2l2+q3l3+q4l4)

(4)

采用Beyers的侵蚀沉积模型得到:

(5)

(6)

式中：qero,qdep——单位时间内单位壁面面积上发生侵蚀进入流域或沉积下来的雪的质量，侵蚀为负，沉积为正；

A——常数，取A=7.0×10-4；

u*——摩擦速度，取u*=0.15m/s；

wf——雪颗粒下落的速度，本文中取wf=0.5m/s。

入流面的雪质量浓度空间分布按跃移层和悬移层采用不同的经验公式[4]，其中跃移层采用公式为:

(7)

悬移层入流面的雪质量浓度空间分布采用的公式为：

(8)

2 数值模拟在风致雪飘移研究中的应用

在工程领域已经有两个研究雪荷载的方法，分别是UWO质量平衡方法和RWDI的FAE方法，这两个方法都存在一些不足之处，这两种方法都不能考虑屋面已有的积雪和屋面上已堆积的飘移。两者相当于只是简单的线性叠加，将雪荷载假设为单次降雪和雪飘移事件[6]。

而雪堆积状态会影响屋顶表面的形态，从而影响屋顶表面的流场改变屋面的局部风速。RWDI的有限元面FAE方法被应用到工程实际中，基于气象资料，利用风洞实验测量屋面1 m高度上16方向角的风速分布和雪通量—风速经验公式，计算屋面的雪飘率。通过FAE方法能够预测屋顶表面的积雪分布，判断积雪严重的区域计算雪荷载。FAE方法在应用于工程实践时还存在着很多不足之处，因而利用有效的数值模拟方法，完善FAE方法，使该方法更加准确的预测屋顶表面的积雪分布，得到准确的屋面雪荷载，在对实际大跨屋面雪荷载取值计算时可靠度更高[7]。

利用数值模拟进行雪荷载问题研究时，通过建立各种大跨屋面模型，基于k-ε模型或者目前流行的大涡模拟，建立初始边界条件，采用两相流模拟风致漂移问题，数值模拟的方法建立准确的风场能够得到大跨屋面不同工况下我们所需要的各测点风速分布情况[8]。

3 雪荷载研究在实际工程中的应用

屋顶表面的积雪荷载分布主要由积雪密度和积雪飘移的速度两个关键因素影响，我国建筑荷载规范中并没有明确给出地区的积雪密度，而屋顶表面的风速值又难以得到实测数据，因而这两个问题在应用到工程实际往往不够准确，在大跨屋面荷载计算时可能会偏向于保守，导致浪费材料，成本增加。

因为在雪荷载引发的安全问题实际工程案例中，除了大跨屋盖之外，还有许多低矮房屋在设计初期也往往会忽略雪荷载而导致坍塌。雪荷载的研究在实际工程中就显得尤为重要，我国现行的建筑荷载规范中对于屋面水平投影上的雪荷载标准进行了如下计算：

sk=μrs0

(9)

其中，sk,μr,s0分别为雪荷载标准值，屋面积雪分布系数和基本雪压。从式(9)可以看出对于实际工程的雪荷载而言，影响是多方面因素综合作用的结果。目前的研究还不够广泛，诸多问题的存在是解决实际工程问题的瓶颈。结合多方面的试验，对于大跨屋盖结构可以建立多组不同跨度的模型分析屋盖表面的雪荷载分布规律，对大跨屋盖进行一系列规律性的研究，此外低矮房屋不同坡度不同女儿墙设置，将屋面进行分类研究，在应用到实际工程中时，可以将实验结果和规律对某一类别的结构进行一一对应，增加结果的准确性，提高效率，避免不必要的错误。

4 结语

从实际案例中发现我国建筑荷载规范中关于雪荷载的规定不够准确，还需要进一步的结合数值模拟与实测研究的方法对雪飘移理论，通量—风速分布的经验公式进行修正，使之更加有效的应用于工程实践。本文通过对雪飘移理论的介绍，从数值模拟在雪荷载研究中的应用论述中得出以下结论：

1)由于雪荷载发生周期较长，实测数据采集比较困难，可以利用相似理论建立缩尺模型，在模拟实际风场的大气边界层风洞中进行大跨屋盖风洞实验，通过测量屋盖表面测点的风速结合数值模拟，应用FAE方法对屋盖表面的积雪分布进行分析预测，能够有效弥补实测的劣势，是雪荷载分布研究的趋势。

2)针对不同的屋盖结构进行系统的研究，对影响大跨结构以及低矮房屋雪荷载分布的一系列参数进行实测研究和数值模拟分析，增加工程实际的应用性。

[1] 周晅毅，顾 明.大跨屋盖表面风致雪压分布规律的研究[J].建筑结构学报,2008,29(20):7-12.

[2] 陆承铎.雪荷载探析与减灾措施[J].江苏建筑，2008(3):42-43.

[3] 李芳慧,孟 凡,周晅毅.典型低矮屋盖房屋雪荷载分布特性实测研究[J].自然灾害学报,2016,25(1):158-168.

[4] 孟 凡.低矮屋盖表面雪荷载分布特征研究[D].哈尔滨：黑龙江大学,2015.

[5] 李 跃.大跨空间结构屋面雪荷载研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[6] Scott L Gamble，Will W.Kochanski.FINTTE AREA ELEMENT SNOW LOADING PREDICTION-APPLICATIONS AND ADVANCEMENTS[J].Journal of Wind Engineering and industrial Aerodynamics，1992(2)：1537-1548.

[7] Yang,Y.,M.Gu..New inflow boundary conditions for modelling the neutral equilibrium atmospheric boundary layer in computational wind engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2009(2):88-95.

[8] Tominaga,Y.,T.Okaze..CFD modeling of snow drift around a building:An overview of models and evaluation of a new approach[J].Building and Environment，2011，46(4):899-910.

Research method and prevention measures of wind-induced snow drift in large-span roof

Xiao Yan

(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

In this paper the principle and harm of wind-induced snow drift in structure of large-span be narrated, and briefly introduces the research status and application of CFD and FAE method in the calculation of the snow distribution coefficient in the roof surface deduced by wind. According to analysis results compared with the existing norms, find out the deficiency in existing specifications, give an appropriate adjustment range. In order to better predict the snow distribution coefficient in roof because of wind-induced snow drift, reducing the damage.

large-span roof structure, CFD, FAE, snow distribution coefficient

1009-6825(2017)06-0055-02

2016-12-11

肖 艳(1990- )，女，在读硕士

TU312

A