清代重檐古建筑太和殿风荷载体型系数研究

摘要

清代古建筑的主要特点是结构轻巧,出檐深远,其体型相对比较复杂,对风效应比较敏感。结构抗风设计的关键是确定建筑物的风荷载体型系数,国家现行荷载规范并没有规定类似古建筑的体型系数。所以清代重檐古建筑的风荷载体型系数的确定能够为清代古建筑的修复、仿古建筑设计提供参考。建筑物风荷载体型系数可以通过风洞试验获得,但传统的风洞试验研究存在费力、费时、花费较大,风洞较难模拟实际的风剖面,且对模型的缩尺使得雷诺数难以与现实相近,建筑物足尺模型难以实现的缺点。随着科学技术的不断进步,计算机数值风洞模拟试验技术日趋成熟,且逐渐成为结构风工程研究的最有力手段。本文利用数值风洞模拟方法对清代重檐古建筑太和殿风荷载体型系数进行研究,从而得到太和殿的风荷载体型系数。主要有以下几方面的工作:
　　(1)基于CFD数值模拟软件Fluent6.3对带天窗的封闭式双坡屋面厂房模型进行数值风洞模拟,探讨数值模拟时计算域的尺寸、网格划分的方案、三维湍流模型的选取、边界条件、离散格式以及收敛判断标准等,提取厂房模型表面的平均风压系数分布,根据规范中风荷载计算的相关公式将平均风压系数转换成风荷载体型系数,将厂房模型的体型系数与《建筑结构荷载载规范》(GB50009-2012)进行比较,论证数值风洞模拟方法的可行性与准确性。
　　(2)在不同风速及风向角下,对清代重檐古建筑太和殿周围风环境进行数值模拟,在计算流体力学软件自带的监视器中观察太和殿表面的平均风压系数随风向角及风速变化的分布规律,分析太和殿表面的湍动能与风速及风向角的关系。指出在不同风向角时结构抗风设计最薄弱的部位。
　　(3)通过本文十二次的数值模拟,利用得到的平均风压系数,结合《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)中的相关规定,计算出能够直接应用于工程设计的重檐古建筑太和殿风荷载体型系数,为清代古建筑的修缮和仿造设计提供参考。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 建筑结构风效应基本概念

1.3 风工程的研究现状

1.4 数值风洞方法的研究背景及现状

1.5 古建筑研究现状及清代古建筑大木结构基本概念

1.6 本文主要研究内容

第二章 CFD数值模拟基础理论知识

2.1 计算流体力学及其控制方程

2.2 湍流模型

2.3 边界条件

2.4 本章小结

第三章 数值风洞模拟方法验证

3.1 引言

3.2 绕钝体流动建筑物壁面上的平均风压系数

3.3 封闭式带天窗双坡屋面厂房模型数值模拟

3.4 数值模拟结果及分析

3.5 本章小结

第四章 清代重檐古建筑太和殿数值风洞模拟

4.1 太和殿基本概况

4.2 太和殿大木结构尺寸

4.3 太和殿计算模型的建立

4.4 太和殿数值模拟网格划分方案及计算方案

4.5 太和殿模型计算参数

4.6 数值计算结果分析

4.7 本章小结

第五章 清代重檐古建筑太和殿风荷载体型系数

5.1 风压沿高度变化系数及风荷载标准值

5.2 风荷载体型系数

5.3 对太和殿风荷载体型系数的取值建议和抗风措施

5.4 小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢