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遮阳系统抗动态风压性能研究
类别:门窗幕墙  日期:2019-6-28  来源:中国幕墙网  点击率:2340  打印 关闭



一、引言

  遮阳系统作为建筑外围护结[1]构赋予现代建筑的最大特点是将建筑美学、建筑功能和建筑结构等因素有机地结合起来,使建筑物展现出时代的美感。目前我国建筑物以玻璃作为饰面材料的围护结构仍然占据主导地位,从建筑热工及节能减排角度来看,玻璃是建筑物热交换、热传导最为活跃和敏感的部位。随着时代的进步,我国对建筑的节能和环保提出了更高的要求,由此建筑遮阳系统也得到了更为广泛的应用,它即有助于降低建筑的能耗,又能改善建筑的舒适性。同时,复杂造型,特殊构造的遮阳系统的安全性如何验证也成为大家关注的问题,本文将结合实例,探讨了一种特殊造型的屋面[2]遮阳板可靠性的验证方法。

 

  二、动态风压验证方法及设备

  1 气流特性

  空气是一种流体,它在流动时,遵守伯努利原理,既其势能和动能会互相转化,但总机械能保持不变。势能包括位置势能和压力势能,当空气在水平方向上流动时就只有压力势能与动能之间的转化,流速越大意味着动能越大,压能就越小,理想情况下才可维特总能量不变。

  通常来说,静压是压能,是势能的一种。它是空气垂直作用于物体单位表面积上的压力,用压强表示,在静止的气流中其大小为空气的大气压。动压是单位体积空气包含的动能,由于流速产生的附加压力。气流具有如下的特性:

  1.1 可逆性原理

  物体在静止的空气中运动或气流流过静止的物体,如果两者相对速度相等,物体上 所受的空气动力完全相等。

  一般在研究、分析和实验时,采用气流流过物体的方法较为直观和简单。根据此原理只要相对速度相等,它的结果与物体在空气中运动时所受的空气动力就一样。

  1.2 连续性定理

  这是描述流速与气流截面关系的定理。气流稳定地流过直径变化的管子时,每秒流入多少空气,也流出等量的空气。所以管径粗处的气流速度较小,而管径细处较大。

  1.3 伯努利定理

  是能量不灭定理在空气动力学中的应用,它描述空气动压、静压和总压之间的关系。

  2 验证方法

  由于建筑遮阳系统的造型比较特殊,构造比较复杂,所处位置相对多变,利用传统的静压箱很难实

  现对复杂遮阳系统的安全性验证。为此,借鉴幕墙风洞及动态风雨的实验原理,利用大功率电动机做为动力,驱动飞机螺旋桨高速旋转,形成具有一定速度的稳定气流,气流作用在样件上达到施加风压的效果,,同时,样件完全按照工程的实际情况进行安装,从而最大限度的模拟样件在工程实际情况下所受风荷载,达到验证遮阳系统可靠性的目的。

  根据伯努利方程可以推算出理想状态下(气压为1013 hPa,温度为15℃,空气重度 r=0.01225(kN/m3),重力加速度 g=9.8(m/s2))风速和风压的关系,同时可以参照风级与风速的对应关系,详见表1。这样便可根据当地气象部门的数据,在验证时调整螺旋桨的转速,使之能够产生相应风级的风速作用到样件表面,达到真实模拟实际情况的验证效果。

  1)根据伯努利方程,风的动压为:

  wp=0.5·ρ·v2 (1-1)

  式中:wp ____风压(kN/m2)

  ρ ____空气密度(kg/m3)

  v ____风速(m/s)

  2)根据空气密度和重度的关系,动压转换为:

  wp=0.5·r·v2/g (1-2)

  式中:r =ρ·g

  3)标准状态风的动压为:

  wp=v2/1600 (1-3)

  3 主要设备

  1)动力设备:由螺旋桨、大功率电动机、支架、联轴器、防护罩、变频控制器等几部分组成,可提供最大55m/s的稳定风速,详见图1。

  2)安装架:由底座、安装架、支撑杆等组成,可根据工程的实际情况调节遮阳系统安装角度,详见图2。

  3)测量仪器:包括位移传感器、风速传感器等、气压计等。

表1 风级、风速、风压对照表




  三、实验验证

  1 验证条件

  1.1 螺旋桨的半径、稳定气流距桨叶中心距离等应满足验证要求,样件应处于风压有效作用区内。

  1.2 安装架的刚度要满足验证要求,安装角度可调节。

  1.3 位移计的安装应牢固,风速计的量程应符合验证要求。

  1.4 样件的材料、规格、安装工艺、安装方法与工程应保持一致。

  1.5应在开阔区域内展开验证,以便形成稳定气流,避免气流扰动对验证结果造成不良影响。

  2 验证流程

  根据工程的实际情况进行安装(详见图3、4),本次验证分别选取了样件与水平面的夹角为0°、30°、60°、90°四个角度,同时每个安装角度分别施加不同角度的动态风压,基本涵盖了遮阳板系统的典型实际工况。对每个工况施加符合设计要求的动态风压,并保持相应的作用时间,观察各重要连接部位的变化、记录样件在验证过程中的情况。

  3 验证结果

  所有连接螺栓无松动,连接可靠;各构件完好,未发生损毁、未发生永久变形。支撑杆出现小幅摆动,局部面板在连接处出现小幅高频震动。为确保工程上万无一失,针对出现摆动和震动的部位进行了优化调整,并对优化结果进行了再次验证,之前出现的问题得到了明显的改善。

  4 验证结论

  将验证数据结合典型工况有限元分析,可得出遮阳板承载能力满足设计要求。详见图5、图6及表2。



表2 比较结果




  四、结论

  通过此次对实际工程的抗动态风压性能的验证,为工程的可靠性提供了关键性的参考。同时也证明

  该方法对于验证复杂造型,特殊构造的遮阳板系统的安全性和可靠性具有一定的实用性。

  参考文献:

  [1] GB/T 21086-2007《建筑幕墙》

  [2] JGJ 255-2012《采光顶与金属屋面技术规程》

  编辑:韩智勇 姜仁 刘家良 郝志华来源:2019年会论文集




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