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檩条及桁架连接的屋顶板条上的脉动风荷载

Korah I. Parackal , John D. Ginger, David J. Henderson

澳大利亚詹姆斯库克大学旋风测试站

摘要：轻型框架外壳中的椽架连接可能容易受到渐进破坏或连续破坏的影响，其中局部失效会导致大部分屋盖覆面结构的失效。而相邻连接处的荷载同步可能会影响此类破坏的发生。在山墙屋顶上进行了1/50的缩尺比的风洞模型研究，并记录屋顶表面的时空压力脉动，分析数据以确定在椽条-板条连接上引起不同加载模式的流动分离机制。荷载时程之间的关系可用于测量在相邻连接处经历的荷载之间的同步度，并且指示脉动风在屋顶上移动的方向。与转弯风向相比，正交风向将导致二维流动分离，会在椽条-板条连接处产生更多的同步荷载，其中锥形涡流在连接处产生较大的上升力。装载模式及其相关性可以用于识别屋顶的哪些部分以及哪个接近风向可能导致椽条-板条连接逐渐失效。

关键词：风洞研究，轻框架结构，低层建筑，荷载的相关性，渐进式失败

1、引言

在轻型框架住宅结构中，椽条与板条的连接容易在风灾中破坏。最近的损坏调查表明，在大风事件中，椽条-板条连接和桁架-板条连接失效是导致屋顶损坏的可能原因之一（Boughton等，2011，2017; Ginger等，2007; Henderson等，2010; Parackal等，2015）。图1中示出了这种破坏的一个示例，其中结构系统的进一步细节在第2节中提供。

在椽板连接处的板条以屋顶覆层下的网格图案排列。尽管重复连接存在冗余，但是对于一个或多个连接的破坏可能触发建筑物外壳的大部分破坏的情况，椽子连接的板条可能容易受到渐进失效和连续破坏的影响。这种渐进式失效取决于屋顶表面上的压力分布、连接处对这些快速脉动荷载的响应以及当荷载重新分布时结构系统的行为。

屋顶表面的风荷载在时空上是具有高度脉动性的。这些脉动会导致在不同的板条-椽子连接处以及在不同时间产生较大荷载。相邻连接处的荷载时程之间的同步水平可以影响发生渐进破坏的可能性。如果相邻连接同时或几乎同时经历大荷载，则当从相邻的已经发生破坏的连接处重新分配荷载时，相邻连接处也将受到高较大的上升荷载，因此更可能发生渐进破坏。要确定连续破坏何时何地开始以及相关的接近风向，就需要确定这些屋顶表面的大荷载是如何相互关联的。先前的工作已经研究了流动分离区域中的高压以及在钝体上的二维分离气泡和三维锥形涡流之间的压力的相关性，但并没有确定轻型框架结构中的失效的开始。

低层建筑的风荷载已经得到了广泛研究。其中，Holmes（1982），Ahmad和Kumar（2002）和Gavanski等（2013），已经检查了屋顶表面的外部压力分布，以确定屋顶俯仰，上游地形和风向所产生的影响。Saathoff和Melbourne（1989）研究了垂直于身体边缘流动的矩形阻流体前缘的高负压的形成和相关性。 Ginger和Letchford（1993）研究了平顶矩形建筑物上的风压与两种流动分离机制的相关性：即当风垂直于前缘时的二维流动分离和为转弯形成的三维锥形涡流风向之间的相关性。

最近，Boughton等（2014年）为当代澳大利亚房屋提供了桁架连接的板条的可靠性研究，并针对不同的屋顶区域（角落，边缘和一般）确定了各种连接紧固件的脆性曲线。这项研究分析了连接 “初次失效”的可能性，但没有检验失效时相邻连接可能发生的情况。

本文使用1/50缩尺比的风洞试验来确定板条-椽子连接处的脉动风荷载。研究了屋顶表面上漩涡和涡流的运动，并验证了相邻连接之间的载荷的时间和相关性。结果确定了屋顶的哪些部分以及哪些风向易受渐进式破坏的影响。

图1.典型的板条-椽子连接失效：屋顶外壳的大部分被移除（右），包层仍然连接到板条和椽子完好无损（左），来自Boughton等人（2017）。

2.屋顶结构和风荷载

轻型框架结构被描述为使用小横截面构件来创建结构元件的结构，例如地板、墙壁和屋顶框架，其具有机械紧固件，例如钉子、板或带子。具有大量构件、连接件和紧固件的轻型框架结构则被认为是复杂的结构系统。这导致了诸如荷载共享，局部复合作用以及极端加载下连接的非线性行为和荷载重新分配等情况的发生。 Wolfe和LaBissoniere（1991），Morrison等（2012年）和最近Satheeskumar等 （2016）已经量化了这些类型结构中的荷载分担机制。

澳大利亚传统的轻型框架房屋采用金属覆层，由支撑木材或金属板条的木材椽子组成，后者又支撑屋顶覆层，如图2所示。现代澳大利亚屋顶框架现在通常由预制的软木桁架而不是椽木组成。在现场，屋顶结构可以描述为一组平行的主梁（桁架的椽子或顶部弦杆），其支撑垂直的一组次梁、板条。因此形成了板条-椽子连接的网格图案。板条支撑波纹金属包层，作为结构膜，其主要跨度方向沿着波纹，从板条到板条。桁架/椽子连接的木板条通常是单独或成双地钉到椽子上，并利用自钻式压条螺钉可形成新的冷成形“大礼帽”型的板条。

图二. 轻型框架木材屋顶结构与波纹金属屋顶覆层

损坏调查已经注意到，在严重风力事件中，这种板条与椽子连接失效是住房中最常见的结构性破坏。还要注意的是，这种破坏是孤立发生的，也就是说，当板条与椽子连接比其他连接弱时，带有板条的波纹屋顶覆层被移除，对其他连接（例如包层紧固件和屋顶到墙壁连接）几乎没有影响。如前所述，如图1所示。同样，如果包层紧固件是垂直载荷路径中的薄弱环节，则去除波纹屋顶覆层，使板条和椽子留在后面。在拆除包层后，板条与椽子的连接不太可能失效，因为它们不再支撑建筑物外壳的上升荷载。

由于来自接近风流的湍流和屋顶边缘处的流动分离以及诸如脊线，屋脊、山谷等的不连续性，诸如作用在低层建筑物之类的阻流体上的风的移动将导致在建筑物外壳上引起的脉动性高负压。

针对不同的风向，建筑物将引起的湍流将导致屋顶的某些部分产生较大负压。由于漩涡和涡流的形成，这些高荷载区域是瞬态的并且快速地穿过屋顶。这些大荷载区域的大小，位置和持续时间以及相邻连接之间的荷载同步水平影响了渐进式破坏启动的可能性。

当流动垂直于或接近垂直于屋顶边缘或不连续时，形成二维流动分离区域。在这些情况下，流动分离导致形成涡流，这些涡流周期性地卷起并沿着屋顶表面对流，形成高吸力的移动区域，如Saathoff和Melbourne（1997）所述。

转弯风产生三维流动分离，可在屋顶拐角处产生特别大的吸力。在这些情况下可以形成锥形涡流，类似于在飞机三角翼上形成的涡旋涡流。这种涡流不如二维流动分离稳定，因此当这些涡流形成和消散时，间歇地发生大荷载。

3.风洞试验

进行了风洞研究，以确定在典型屋顶系统的板条与椽/桁架连接处的同时载荷。测试是在澳大利亚詹姆斯库克大学旋风测试站的2.0米高、2.5米宽、22米长的边界层风洞进行的。

在1/50的缩尺比内模拟的接近风流是在郊区环境中使用在风洞上游取出的50mm高的块阵列的风流。使用湍流仪器（TFI）“Cobra Probe” 测量隧道底部以上不同高度（z）的接近风速和湍流强度。测量的剖面和澳大利亚风荷载标准（AS / NZS）中规定的剖面1170.2-2011）对于地形类别3，以及中间屋顶高度的功率谱如图3所示。

如图4所示，用1/50比例的矩形平面模型的山墙屋顶进行研究。根据Jayasinghe（2012）的调查数据，该模型长19.8米，宽10米，屋顶间距为22.5。椽子和板条的间距分别为900毫米和877毫米，支撑金属板覆层。如图5所示，椽子和板条分别标记为T1，T2 ... Tn和B1，B2 ... Bn。根据板条-椽子交叉点T1-B3，T3-B4标记所研究的椽子连接等在研究区域内。

在研究区域安装了98个压力水龙头，如图4所示，以捕获房屋山墙端部附近的空间和时间变化的压力。压力抽头以450times;439毫米（满刻度）网格图案排列，使得每个板条和椽子连接的900times;877毫米支流区域将包含四个压力抽头。将该模型放置在风洞中的转盘上，并且在每个抽头处测量压力时程，其中风向为10个增量。

使用调谐管系统将压力抽头连接到TFI压力传感器和数据采集系统。对于每个风向，压力信号在500Hz下低通滤波并以1000Hz采样24次30秒模型标度（10分钟满量程）。

测量的压力表示为参考风洞模型的中间屋顶高度的压力系数 。峰值压力取24次运行的最大和最小压力的平均值（整体平均值）。 最大，最小，平均和标准偏差压力系数由下式给出：

其中：，，， 是风洞模型上外部压力的最大值，最小值，平均值和标准偏差。

是风洞模型中间屋顶高度（h）的平均风速

是空气密度

此外，应用尺寸分析来确定模型尺度与满量程压力信号的关系。 使用以下关系将模型比例压力和加载时程缩放至满量程：

其中下标r表示模型与满量程测量的比率。因此，频率比由下式给出：

图3. 平均速度（a）和湍流强度（b）在风洞中以1/50的长度尺度模拟的大气边界层的轮廓。 c）屋顶中间高度的功率谱密度。

风洞中的平均速度在z = 500mm高度处标称为11m / s。对于速度比（）为2.5，对应于满量程的约100km / h（27.7m / s），长度尺度（）为1/50 =给出时间比率为1/20。因此，以模型比例记录的1/500秒时间步长表示满量程的0.04秒。

如Jayasinghe（2012）所述，可以通过将板条支流区域内的水龙头的平均压力与椽/桁架连接相关联来确定影响板条-椽子连接的荷载的压力。对于大多数连接，这是四个压力水龙头，用于屋顶边缘的连接的两个水龙头和一个用于角连接的水龙头。应该注意的是，边缘和角落连接的支流区域约为典型的内部连接的1/2和1/4。板条与椽子连接处的载荷受到施加在传统上被认为是“支流区域”的较大区域的压力的影响。然而，板条与椽子连接的大部分影响表面位于由相邻板条和椽子之间的距离限制的区域内。由于本研究的重点是可能影响连接的压力的相关性，而不是连接响应，因此在该分析中使用传统的支流区域是令人满意的。

图4. 在风洞中模拟屋顶间距为22.5的19.8times;10times;2.7米山墙屋顶的研究区域

图5 在1/50比例风洞模型的屋顶上的研究区域内的接头布局、椽/桁架和板条位置

4.压力分布

图6显示了选定风向的24个10分钟运行的板条-椽子连接压力Cp的平均值，最小值和标准偏差的曲线图。压力分布表明在屋顶边缘和山脊线附近出现最高负压， Davenport等人描述了类似的结果。 （1977年，1978年），和福尔摩斯（1982年），并用于制定许多目前的风荷载标准。

临界连接T2-B7在一系列风向上经历大的上升力，并且对于关键扇区的风向210度至240度经受特别高的荷载。210度风向是在临界连接处引起最大的上升力的风向。屋顶拐角处的连接和山墙端的顶点经历了转弯风的最高峰值载荷。大荷载发生在荷载的“峰值事件”中，超过3.5个标准偏差，平均持续时间约为0.5-2.0秒，平均风速为100公里/小时。

图6 对于选定的风向，研究区域中的32个连接的最小（顶行）平均值（中间）和标准偏差（底部）压力系数。黑色方块表示风向210度时的关键连接的位置。

5.高吸气压力模式

屋顶表面上的高吸气压区域由于不同的空气动力学机制而发生，例如流动分离和瞬态涡流的形成。因此，“峰值事件”的时间、持久性、位置和相关性随风向而变化。本节介绍了导致在选定风向发生“峰值事件”的脉动压力模式。选择的方向是由于不同的空气动力学行为而经历大上升荷载的关键区域内的方向，分析风向180度、210度、270度和300度。

对于方向180度，研究区域位于背风屋顶坡上。当空气在脊线的不连续处移动时，由于二维流动分离而经历大的负压。最高负压出现在流动分离区域最靠近脊线的位置。然而，涡流和漩涡周期性地“卷起”并沿着背风面屋顶斜坡对流，类似于Saathoff和Melbourne（1997）所观察到的。如图7所示，这些漩涡的运动产生了高负压带，从屋顶斜坡向下行进。因此，连接处的“高峰事件”可能发生在背风屋顶的大面积区域。

对于临界风向210度，在山脊线处和屋顶的山墙端附近经历高的上升载荷。这里始终存在高负压。屋顶顶部压力信号的高标准偏差表明该区域正在产生额外的建筑物引起的湍流。如图8所示，在从山墙端部测量的角度为10°至30°的屋顶斜坡从屋顶的顶点延伸出来的斜带中产生大的吸力，这种对角线高荷载区域是由于形成了圆锥形涡旋，其屋顶表面的形状和角度就是证明。对于斜带中的连接，在沿着板条和沿着椽子的连接处的相似时间内经历了大荷载。因此，该风向的失效扩散取决于板条相对于包层的相对弯曲刚度。

对于风向270度，气流垂直于房屋的山墙端。建筑物引起的湍流是由山墙端部的边缘引起的，其中流动被迫突然分离。另外，由于22.5度的屋顶坡度，沿着山墙端向上行进的气流必须越靠近靠近脊线的迎风墙行进，而不是靠近屋檐。因此，在该风向上形成的涡流比来自180°的涡流更破坏并且在不同时间沿着山墙端部的不同位置形成。在这里，高荷载区域出现在从迎风边缘沿侧风屋顶斜坡移动的斑块中。在这个方向上，峰值载荷可以在很多地方发生，如图9所示。

对于转弯风向300度，气流入射在迎风坡屋顶拐角处，在迎风车顶坡上的若干位置处发生大荷载，如图10所示。当风在山墙末端上方移动时发生流动分离（2维）在山墙屋顶边缘附近引起高吸力的房屋。另外，在屋顶拐角处形成的锥形涡流导致对角带中的峰值载荷区域，其从山墙端部以角度10°至45°从靠近屋顶拐角延伸。该涡流与山墙端部上的二维流动分离之间的相互作用导致大荷载区域带沿着迎风顶板斜坡间歇地向上移动。在与流动方向相对的大荷载区域的左

资料编号：[4924]