第一章绪论

1.1开孔建筑风致内压的危害

风灾作为最常见的自然灾害之一，严重影响着社会经济发展和人类的生命财产安全，国内外风灾过后的调查结果显示，风灾中大量房屋结构的损坏和倒塌，是造成经济损失和人员伤亡的主要原因。而对其中风致建筑破坏因素的分析发现，大部分低矮建筑屋盖和维护结构的破坏是由于内外风压的协同作用而造成的。对1974年台风Tracy的调查统计[i_4]首次提出忽略内压在设计中的影响对结构抗风是不利的。这一点也被后来多次的风灾调查所证实。94年17号台风造成温州80多万间民房倒塌[|-1](见图1.1)，直接造成经济损失100多亿。Shannuigasundaram[i-5，i-6]经过多次调查发现，建筑在恶劣风环境下由于门窗和墙面等破坏而形成开孔后，风通过开孔吹进建筑物内部导致内压脉动幅值急剧增大，与外压形成叠加从而加剧了二次破坏作用。另外，美国多次厢风（包括Hugo[i-7]、Andrew[i-8]、Inikin Katrinat'"'°^)的灾后报告也均表明，内压作用是厢风中房屋破损的主要原因之一。2004年云娜台风导致温岭大面积的轻钢厂房的门窗和墙面围护结构破坏。2005年广东番禹某在建厂房[1_11],由于维护结构未及时封闭的情况下遇上大风天气，致使结构内部压力骤增最终导致在建墙体的倒塌。图1.2显示了 2011年台风过后，某体育场屋盖围护结构在内外表面风荷载协同作用下而破坏的情况。

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1.2开洞建筑风致内压的研究进展及现状

建筑开洞后风致内压响应的研究在国外起步较早，EiJteneier， LiuC等首先研究了内外压均值的相互关系。随后Euteneuer,Liu等推导了阶跃荷载作用下内压瞬态响应的控制方程，但是这些方法均忽略了惯性力的作用。随后Holmes次利用Helmholtz谐振器原理提出单一开孔结构风致内压响应符合二阶非线性微分方程的形式，这也奠定了后来内压传递方程的研究基础。国内关于风致内压的研究虽然起步较晚，但是发展迅速。回顾以往文献，国内外关于建筑开洞后风致内压响应的研究主要方向有以下几方面：1)建筑在门窗等突然破坏情况下，内压的瞬态响应研究；2)建筑迎风面存在单一主要幵洞情况下，内压的脉动响应预测方法及其影响因素的试验研究；3)建筑存在背景孔隙时内压的动力特性响应；4)对大跨度柔性屋盖结构，当墙面存在开孔时屋盖和内压的串禹合振动效应；5)其他开洞形式下的风致内压响应。而有关风致内压的研究方法主要可以分为以下三种：1)现场实测：Robertson[i-i7]对Silsoe大楼进行了实测，从实测得到的内压功率谱证实该结构存在较弱的内压共振响应。Fahrtash和Liu[i_i8]对美国某体育场进行内外表面压力的同步测试发现建筑存在背景泄漏时会抑制内压的共振效应。Yeatts和Mehta，Ginger[i-2Q'i-2i]等对德州理工的TTU建筑进行了现场实测验证了理论推导的内外压传递方程的准确性，同时指出内压脉动会受外压人小，开孔尺寸位置以及结构柔度等因素的影响。Kato等[1-22]对台风气候下位于东京的某120米高层建筑内压进行了实测，研究表明建筑内压分布均勾且内压系数接近-0.26，内部干扰物对平均内压分布影响很小。

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第二章开孔结构内压传递方程的理论与试验研究

2.1单一开孔结构内压传递方程的适用性

虽然国外学者[2-3~2-7]已经提出了一些相关的内外压传递方程形式，但是鉴于每个方程都有一定的不足，而且影响开孔结构内压响应的因素极其复杂，再加上缺乏有效的试验研究手段来验证，所以至今仍未形成一个准确、公认的内压控制方程。现有的内外压系数传递方程的推导多数是基于非定常伯努利方程或者是Helmhokz谐振器理论。本文将从动量定理的角度，结合层流边界层理论推导出内压传递方程的新形式，并且首次使用扬声器激振实验来验证该方程的适用性。上述三个方程几乎都产生于上世纪80年代。关于内外压传递方程最新研究主要来自Sharma[2_7]等人。SharmaP通过CFD仿真模拟发现：对于薄壁圆孔(孔深/孔口有效直径<1)，在开口处确实存在气流的收缩现象，因此Liu的方程似乎更加符合实际情况。而对于深长孔(孔深/孔有效直径》1),收缩现象却并不明显，这更加符合Vickery等人的观点。但是他们同时还发现，如果仅仅用Liu或者Vickery的方程，都很难使数值解和实验结果在内压幅值衰减上相符合。因此，他们提出在方程中应该增加另外一项，即由剪应力产生的线性阻尼项。

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2.2迎风面多开孔结构内压响应特性

除了单一开洞建筑，生活中由于建筑使用功能和艺术造型的需要，同一墙面实际上可能会存在多个开孔，例如厂房的排窗和仓库的大门等。与单一开孔情况不同的是，多开孔工况将是一个多自由度的非线性振动体系。而国内外关于这种情况下内压动力特性的研究十分有限。Oh等[2-11]提到对同一墙面多开孔的结构内压控制方程可以由单一开孔工况非线性方程扩充得到。Guha和Sharma等[2-15]最近从频域和传递函数的角度对内外压传递方程进行了推导，并由风洞试验考察了迎风面居中开设两个相邻开孔在不同开孔面积比时对内压脉动响应的影响。在恶劣的风环境下这些开孔的存在会对内压响应造成怎么样的影响，与单一开相比，多开孔时内压响应的动力特性又会有哪些变化，这些都将是本节研究的重点。本文从时域角度出发结合矩阵特征值的方法对迎风墙面多开孔情况下内压共振频率进行了推导，并由方程线性化得到了系统等效阻尼比的预测公式。通过不同内部容积下迎风墙面单、双幵孔模型的风洞试验探索了内部容积变化所造成的影响，同时以典型的迎风墙面双开孔情况为例分析了多开洞风致内压动力响应与单开孔的区别。

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第三章孔口特征参数的识别研究.......... 57

3.1孔口特征参数的定义......... 57

3.2基于扬声器激振的参数识别......... 58

3.2.1正弦荷载激振下孔口特征参数识别......... 58

3.2.2孔口特征参数的影响因素分析......... 60

3.2.3随机荷载激振下的参数识别......... 63

3.3基于风洞试验的参数识别 .........66

3.4本章小结  .........78

第四章开孔结构内压脉动的凤洞试验研究......... 83

4.1开孔结构风洞试验方法的研究 .........83

4.1.1开孔结构风洞试验方法的理论依据......... 84

4.1.2试验装置改装和试验验证.........85

4.1.3模型底部连通孔的影响......... 90

4.2单一开孔结构内压脉动影响因素的研究......... 91

4.3单一开孔结构内压脉动预测方、法的适用性分析......... 100

4.4本章小结 .........104

第五章开洞超高单层厂房内外压分布特征研究......... 109

5.1开洞超高厂房风洞试验......... 109

5.2开洞厂房纵墙风荷载分布.........116 

5.3开洞厂房屋盖风荷载分布......... 119

5.4内压峰值因子的研究......... 125

5.5本章小结......... 130

第六章开洞厂房纵墙风荷载的数值模拟

6.1引言

对开洞建筑风致内压特性的研究多数是基于现场实测和风洞试验。Ginger等通过TTU建筑现场实测证实了建筑开洞后风致内压的共振效应，戴益铭等[6-3]对沿海某低矮建筑进行了现场实测，研究了台风工况下低矮建筑表面的风荷载特征。考虑到现场实测的复杂性和长期性，缩尺的模型风洞试验成为了研究风致内压响应的主要手段。Holmes[645],Sharma[6-6，，Ginger[&8，6-9]，Oh[6-iQ]等都通过试验研究过内外压之间的传递特性及其影响因素。余世策[6-n，6-i2]和卢旦等研究了突然幵洞后内压的瞬态响应及内压与屋盖的稱合作用。但是风洞试验存在着试验周期长、试验成本高以及受测试条件影响显著等不足。随着计算机技术的迅速发展，CFD数值模拟技术也越来越成熟，且已经在国内外数值风洞中得到了应用。Sharrna[6-i5，6-i6]早在97年就用流体动力学软件对突然开孔后模型内压的瞬态响应进行了模拟。Bekele等[6_17]、顾明等拥fluent软件对TTU标模表面的平均压力场进行了数值模拟。宋芳芳等[6_19]也用fluent软件对不同开孔大小和位置下低矮建筑平均内压响应大小进行了分析。肖明葵等[6-2。]对不同开洞形式下双坡屋面住宅进行研究发现开洞率对平均内压的影响不大，而开洞位置对其影响显著。楼文娟和卢旦等[6-21]通过在建厂房的数值模拟分析了其可能的倒塌机理是因为较大开洞的存在使得墙面在内外压共同作用下净压力大幅增强。尽管CFD数值模拟具有经济高效，可视化程度高，受外环境干扰小等优点。但是其准确性和可靠性却很少被验证,这也是制约数值模拟技术在风工程中广泛应用的重要原因之一。

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结论

本文对不考虑背景泄漏情况下的迎风面开孔结构的内压传递方程，内压脉动响应动力特性参数共振频率和等效阻尼比等），内外压传递方程中待定参数及其影响因素进行了理论分析和模型的试验研究，并探索了风洞试验中准确测试内压脉动响应的方法。结合风洞试验和数值模拟对典型开洞厂房内外表面风压分布以及内压峰值因子的取值进行了详细的分析。本文的主要创新点如下：

1.首次基于动量定理和层流边界层理论提出了适用性更为广泛的单一开孔建筑内外压传递方程的新形式，分析实际工程中经常出现的迎风面多开孔和开孔双空腔等情况下的内压脉动响应过程及共振频率和阻尼比等动力特性参数随着开洞面积和内部容积等因素变化而产生的影响，为实际工程应用提供理论参考。

2.国内外首次采用自制的扬声器激振装置并结合风洞试验对大量的模型进行了风致内压响应特性的研究。考察了影响单一开洞建筑孔口参数（惯性系数和阻尼系数）的因素，并提出了各个参数的经验取值及估算方法，为完善内压预测理论使其能更好的在工程上应用提供参考。

3.对不同开洞状态下的内压传递方程进行相似性分析，并考虑到模型材料可能存在柔性的影响，给出了适用于不同开洞情况以及不同材料柔性下开洞模型内压风洞试验的新方法，同时分析了试验过程中可能存在导致测试误差的几种工况，实现了开洞建筑风致内压脉动响应的准确测试。

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参考文献（略）