屋顶光伏系统风荷载特性及其风致效应的机理研究

风荷载是影响屋顶光伏系统结构设计的关键因素之一。目前，国内外规范针对屋顶光伏系统风荷载的规定还很欠缺。因此，有必要对其风荷载特性及其风致效应的机理展开系统研究，为保证其抗风设计安全性和经济性提供合理的依据。本项目的主要研究内容包括：（1）研究了几何缩尺比、测点数目、移动平均时间等参数的合理取值，建立起可供屋顶系统风荷载识别所用的合理方法和准则，并对可以保证实验可靠性的上述准则进行了验证。（2）考虑了光伏板位置、倾角、间距等关键参数的影响，建立了基于局部风力系数、面积平均风力系数和倾覆力矩系数的屋顶光伏系统风荷载分布理论模型，可为我国屋顶光伏系统风荷载专门条文的制订提供较为系统的基本数据储备。（3）基于本征正交分解分析了影响屋顶光伏系统风荷载特性的气动机理，进行了风荷载取值的屋面分区，提出了降低风荷载的气动措施；基于结构荷载分担机制明确了产生风效应的作用机制，提出了降低风致效应的结构措施。 本项目的重要结果和关键数据包括：（1）指出屋顶系统风荷载识别须建立合理的风洞实验方法和可靠性原则，1:50为合理的几何缩尺比取值，合理减小表面测点数目对结果影响较小，移动平均时间对结果差异影响大；（2）对于独立式和阵列式两种屋顶光伏系统而言，光伏板在屋面的位置、光伏板倾角均为对其风荷载大小影响显著的设计参数，间距对阵列式系统风荷载也有明显影响。倾角越大，风荷载越大；间距越大，风荷载越大。本项目提出的面积平均风力系数拟合公式考虑了倾角和有效面积两个参数，可为实际工程设计所参考。对于倾斜式屋顶光伏系统，其气动中心相对位置均大于0.5；（3）明确了影响屋顶光伏系统风荷载大小的三类气动机理，并指出了建筑物导致的特征紊流是影响其极值风荷载的决定性因素，从而提出了控制其风荷载的女儿墙、分区布设等气动外形控制措施和结构连接优化措施。本项目成果可为相关设计规范提供参考和理论保证，具有非常重要的应用价值和经济意义。 2100433B

屋顶光伏系统未来发展潜力巨大，并逐渐成为光伏产业发展的主流。然而，一方面，由于缺乏研究储备和设计规范，实践中对其风荷载特性的认识还很有限，影响其抗风设计的安全性；同时，又常忽略结构系统整体的荷载分担机制，影响其抗风设计的经济性。为此，拟开展该系统的风荷载特性及其气动机理、以及考虑荷载分担机制的风致效应研究。主要内容包括：（1）运用刚体测压风洞实验方法，对不同参数下的风荷载特性及气动机理进行识别；（2）基于气动机理制定降低风荷载的气动措施，并通过刚体测压和测力风洞实验进行验证；（3）提出风荷载与屋面风压间转化因子实用公式；（4）进行以荷载分担机制的优化为目标的结构风致效应分析，建立针对不同构件的等效风荷载，并通过风致效应时程分析进行验证。预期研究成果不仅有助于该系统设计风荷载相关规范的制定，还将阐明提高系统抗风性能的气动措施和结构措施的机理，为该系统抗风设计的安全性和经济性提供合理的依据。

风灾是自然灾害的主要灾种之一。本研究对超高层建筑抗风研究中的几个重要基础问题开展研究。在492米高的上海环球金融中心上实测台风和结构响应，研究风速和结构响应特性；对复杂单体和群体超高层建筑模型在多种模拟条件下进行风洞试验；基于风洞试验和现场实测结果，研究复杂超高层建筑的三维风力分布、效应和等效静力风荷载，以及群体超高层建筑的干扰效应、机制、风力分布特征和理论描述；采用理论和试验方法，研究风雨共同作用下超高层建筑的激励机制和效应；通过现场实测和风洞试验，研究建筑局部风压特性以及围护结构的抗风设计理论和方法；研究建立超高层建筑抗风数据库的几个基本问题；研究超高层建筑风力和气动弹性响应的数值模拟方法；研究超高层建筑风荷载和效应控制的空气动力学措施和阻尼器措施的理论和方法。通过以上研究，推进超高层建筑抗风研究领域的发展，为建造500米以上超高层建筑乃至更高的空中城市提供科学基础和抗风设计方法。 2100433B

本项目拟将柔性薄膜屋盖结构作为研究对象，采用理论分析、风洞试验和数值模拟相结合的方法研究不同类型薄膜屋盖的风致流固耦合效应。项目首先针对流固耦合机理，采用理论分析和数值计算的方法获得考虑气弹效应的柔性薄膜结构动力特性，进而全面掌握不同薄膜结构的基本气弹性能；基于薄膜结构的气弹特点，构造气弹试验模型并开展PIV试验研究，获取详细的薄膜屋盖风荷载和风致响应全过程信息；再通过和相关理论模型的对比研究, 评估几种气弹试验模型的可靠性和适用性；基于上述理论推导和风洞实验结果，建立新型薄膜结构流固耦合数值计算方法，用来获得薄膜结构的风致振动形变与应力状态、漩涡场及风荷载分布形态变化的全过程信息等。通过本项目的研究，揭示柔性薄膜结构风致流固耦合效应的产生机理，得到柔性屋盖结构力学性能的影响规律，建立相关的分析模型与计算方法，研究成果将解决薄膜屋盖结构的抗风关键科学问题。