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不吹风洞,也能搞明白的屋顶风荷载规律

引导语 随着国内“整县推进”的政策逐渐落实,现在流行在屋顶上安装光伏支架。屋顶风荷载变化多端,对于支架设计来说就非常棘手。了解屋顶上气动变化的最好办法莫过于“风洞测试”,但是这种测试又贵又耗时间。…

引导语

随着国内“整县推进”的政策逐渐落实,现在流行在屋顶上安装光伏支架。屋顶风荷载变化多端,对于支架设计来说就非常棘手。了解屋顶上气动变化的最好办法莫过于“风洞测试”,但是这种测试又贵又耗时间。这一期小树洞就谈谈怎么在不做风洞的情况下,对屋顶风荷载变化有一个大概的了解。

目录:

1. 屋顶气流分离现象

2. 整体系数与局部系数

3. 屋顶光伏支架展示

屋顶气流分离现象

之前看过小树洞文章的朋友,应该对跟踪器的“气动涡流”现象不会感到陌生。实际上,空气在流过任何障碍物后,都会产生涡流,房屋这样的建筑物也不例外。

当气流经过房屋时,会在屋顶上产生一个涡流,而气流就会被“扬起”,并且产生一个相对于外界的低压区域,这种气流流过物体发生分离变化的现象称为“气流分离现象”。

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▵屋顶上方的“气流分离”现象

(来源:Theodore von Kármán WTT)

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▵屋顶上方的“气流分离”现象图解

这样的低压使屋顶上产生一个“风吸力”,这也就是为什么在大风下,屋顶会被“掀飞”的原因。与此同时,屋顶上方的附着物,例如光伏支架也会受到这股上扬力的影响。如果此时光伏支架无法固定在屋顶上,那么它也会被风吹飞。假如屋顶足够长,这股扬起的气流会再次落下,落下的位置距离屋顶边缘的长度,大约是屋顶高度的2倍。

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▵屋顶上方的“风吸力”

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▵风吸力对屋顶的破坏

假如风吹向屋顶的角落,在角落两边产生的旋转涡流会在角落形成交叉重叠,从而增强风荷载,形成更强的低压。因此角落往往是整个屋顶风吸力最大的区域。

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▵气流在屋顶产生的圆锥形涡流

两个涡流的重叠区(A区)荷载最大

(来源:CPP)

对于屋顶这样的复杂气流变化,很多国际上的研究机构和光伏支架厂家都陆续进行了大量的风洞测试。在这些风洞测试中,大家发现了许多共性的问题。而很多这些问题,最后总结成了行业规范和国际标准。

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▵不同风向下的屋顶支架体型系数分布

(来源:CPP)

整体系数与局部系数

由于这类“气流分离”的现象,风在屋顶上不同的区域产生了不同大小的荷载,通常我们采用三类区域来划分这些荷载。

1.白色区域,远离屋顶边缘,风荷载较小

2.黄色区域,沿着屋顶边缘位置,风荷载较大

3.红色区域,各个屋顶边角区域,风荷载最大

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▵屋顶的3个风区与建筑物高度的关系

(ASCE 7-16光伏支架风荷载标准)

因为风压在流经屋面时的不均匀性,其形成了大小不同的风压区域。我们知道在风荷载的计算公式里,采用的是“基本风压(q)”和“体型系数(C_p)”这两者的乘积关系。因此体型系数是判定风压大小程度的重要参数。

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▵以一个10h*10h的平屋顶举例

解释屋顶的整体风压与局部风压

这里的局部体型系数为假想值

从上图我们可以知道,对于局部区域,在同一个风速情况下会出现不同的风压大小(p_1,p_2,p_3),意味着安装在不同区域的光伏支架,其受到的风压也不一样。

而对于整体建筑物来说,风压的大小则为各个局部区域风压大小的综合值(p_total)因此许多建筑荷载规范往往采用“整体”和“局部”两种不同的思路,来计算这两类风荷载。

这种整体和局部的思路,在国标中分别以两种计算方式来区分:

  • 主要受力结构:考虑结构的整体受力大小
  • 围护结构:考虑建筑物上不同位置的各个局部受力大小

     

以国标为例,假如我们的计算目标是房屋的整体设计,比如建造房梁、立柱等等,那么就应该采用“主要受力结构”体型系数来计算风荷载。

假如我们的计算目标是屋顶上的光伏支架,那么就应该采用“围护结构”体型系数,来计算安装在屋顶不同位置处的光伏支架风荷载大小

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▵国标建筑荷载规范里

规定的整体和局部体型系数

国际上其他国家的规范,也是类似这样的整体和局部划分:

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▵美标建筑荷载规范 ASCE 7-16

规定的整体和局部体型系数

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▵欧标建筑荷载规范 EN 1991-1-4

规定的整体和局部体型系数

屋顶光伏支架展示

前面说了很多屋顶风荷载的计算,那么对于屋顶光伏支架我们又该怎么设计呢?小树洞收集了国际上几个典型的屋顶光伏支架设计。

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▵T5屋顶支架(来源:Sunpower)

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▵RMS屋顶支架(来源:Sunlink)

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▵S-Dome V屋顶支架(来源:K2)

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▵GridFlex屋顶支架(来源:Unirac)

尽管这些厂家的支架细节各不相同,但是整体设计却是大同小异,感兴趣的朋友可以在下方留言,看看你们能找到他们的哪些设计共同点。

 

来源:

微信公众号:小树洞谈光伏支架

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作者: 小编

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