格构式塔架风力特性试验研究

摘 要 本文应用高频测力天平技术,对格构式输电塔塔身模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究其风力特性。结果表明风场对塔架结构的平均风力系数影响较小,塔架结构平均风力以顺风向风力为主,顺风向的脉动风力大于横风向,扭转脉动力可以忽略不计。同时还对比了不同国家规范中关于格构式塔架平均阻力系数的规定。谱分析表明,塔架结构顺风向主要表现为来流紊流激励;横风向力谱较为复杂,可能存在复杂的激励机制;塔架扭转功率谱是一明显的宽频谱,较顺、横风向功率谱值小很多,且随紊流度谱值变化不大。相干性分析表明,塔架结构横风向基底剪力与基底扭矩的相干性较强,紊流度对其影响不大。
     

格构式塔架横风向脉动风荷载空间相关性研究

为了研究格构式塔架横风向脉动风荷载的空间相关性,基于某实际格构式塔架2个典型节段模型同步高频测力天平风洞试验和同步风速测试风洞试验,测得了模型基底剪力、弯矩和风速时程,通过数据处理方法得到了其横风向脉动风荷载及脉动风速的相干函数。在此基础上,分析比较了脉动风荷载及脉动风速的相干函数特点与变化规律。结果表明:格构式塔架横风向风荷载相干函数与频率,水平距离和竖向距离均有关;格构式塔架横风向风荷载相干函数与现有高层建筑及锥形烟囱等结构的结果存在一定差别。最后,运用非线性最小二乘法拟合得到了脉动风荷载相干函数经验公式,拟合公式与试验结果较吻合,可为分析格构式塔架横风向风荷载及风致响应提供一定的参考。     

500kV 单回路输电塔塔头风荷载计算模型研究

根据高频底座天平测力风洞试验,得到典型500kV 单回路输电塔塔头结构风力系数的平均值和根方差值,给出了极值风力下塔头结构顺风向、横风向基底剪力和基底扭矩的功率谱。在此基础上,采用最小二乘法拟合,建立了输电塔塔头结构风荷载的计算模型,其结果不仅可以用于格构式输电塔频域计算,还可以为相关规范的修订提供参考。     

典型输电塔塔头风力特性试验研究

应用高频测力天平技术,对两种典型格构式输电塔塔头模型进行了不同紊流度下的风洞试验,得到了结构各个方向受到的风力系数的平均值和根方差。讨论了风力系数随风向的变化规律,以及紊流度和塔头外形对风力的影响。结果表明,两种输电塔塔头的平均风力以顺风向风力为主,而顺、横风向和扭矩向脉动风力都较大;紊流场对塔头模型平均力系数影响很小,基本可以忽略。相关性分析表明,塔头结构顺-横、顺-扭风向脉动风力的相关性很小,横-扭风向存在一定的相关性,风向和风场对相关性有一定的影响。谱分析表明,塔头结构顺风向主要表现为来流紊流激励,横风向力谱可能存在复杂的激励机制,扭转力谱是典型的宽频谱,来流紊流与涡脱激励是产生扭转力的主要原因。     

多回路高压输电塔典型横担结构风力系数风洞试验研究

应用高频测力天平技术,对多回路高压输电塔典型横担模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究了其风力特性。结果表明风场对横担结构的平均风力系数影响较小,静风力主要以顺风向风力为主,而顺、横风向和扭矩向脉动风力值都较大,不能忽略。横担阻力系数0°风向附近取值最大,随风向基本呈单调递减趋势。通过对比不同模型升力系数可以发现,升力系数取值与横担的长度有关,横担越长,横风向升力系数越大。不同规范中给出阻力系数与本文试验结果较为接近,但需要注意的是,相关格构式结构规范均未考虑横、扭风向风力对结构的影响。通过相关性分析可以看到,横担基底剪力与扭矩相关性很小,风场对相关性有一定的影响。     

开洞高层建筑风荷载的试验研究

对开洞高层建筑刚性模型进行了风洞测压试验,基于试验结果,研究了设置洞口对高层建筑风荷载的影响。结果表明:立面开洞后,基底风荷载减小;单设上洞口和单设下洞口对减小顺风向平均基底剪力的效果比较接近,但上部开洞对减小顺风向平均基底弯矩和横风向根方差基底弯矩更为有利;拟合得到了顺风向平均基底弯矩系数和横风向根方差基底弯矩系数的相对值随开洞率变化的计算公式。设置洞口后,层风力的分布规律与未开洞时有很大差异,在抗风设计时应引起重视。     

基于扭转强迫振动风洞试验的矩形截面高层建筑三维风荷载研究

为了研究扭转振动对高层建筑三维气动力的影响,利用扭转强迫振动装置,通过多点测压风洞试验测试了三个矩形截面高层建筑模型在不同试验风速和不同扭转振幅情况的表面风压时程。进而讨论了结构顺风向、横风向和扭转向均方根风力系数及功率谱的变化规律,研究结果表明：结构顺风向、横风向和扭转向均方根风力系数均随着试验风速和扭转振幅的变化而变化;结构顺风向阻力系数随着扭转振动振幅的变化主要是由于结构顺风向气动力的变化引起,而其横风向和扭转向风力系数随着扭转振动的变化包含了气动力变化与结构气动弹性效应两部分。对于高层建筑来说,应考虑扭转振动引起的结构三维气动力的变化以及结构横风向和扭转向气弹效应。     

钢管混凝土格构式新型风力发电机塔架风振响应

以白云鄂博地区拟建的某2 MW钢管混凝土格构式新型风力发电机塔架为研究对象,采用Davenport 脉动风谱基于谐波合成法模拟白云鄂博地区脉动风速时程,运用有限元软件对风力发电机塔架进行风致响应分析。结果表明：钢管混凝土格构式风力发电机塔架风振响应显著,受脉动风影响很大;按照现行规范对钢管混凝土格构式塔架风振系数进行计算将造成较大误差。     

不同立面收缩形式圆角弧边三角形超高层建筑的气动力特性

为探索立面变化对圆角弧边三角形超高层建筑气动力特性的影响,采用风洞试验方法对6种立面收缩形式的建筑物进行了表面风压测试,研究了不同立面收缩形式、不同地貌和风向角情况下建筑三分力系数、横风向弯矩系数功率谱以及层脉动升力系数功率谱的变化特性。结果显示：锥度化和同向退台均可有效降低平均阻力系数、平均升力系数以及脉动升力系数,且降幅随锥度增大而增大,相比之下退台的效果更佳;两种退台旋转可更大程度减小三个平均分力系数和脉动阻力系数,并改变脉动升力系数和脉动扭矩系数峰值所对应的风向范围。随着锥度增大,横风向弯矩系数功率谱峰值频率右移,谱峰降低,采用退台则影响程度更大。退台旋转会使功率谱部分频段的能量明显超过同向退台情况,因为当旋转部分圆角迎风时,在两侧风弧面上加速的气流可对上方相邻退台的漩涡脱落起增强效应。     

矩形超高层建筑横风向脉动风力.Ⅰ:基本特征

阐述系列论文的第一部分。对7个矩形截面超高层建筑模型进行了同步测压风洞试验。研究了横风向风力系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性系数和相干函数的基本特征。通过对比不同厚宽比、不同风场的试验结果,研究了这两个参数对横风向脉动风力的影响效果。研究结果表明,厚宽比的影响效果最为显著,厚宽比不同,横风向脉动风力的作用机理可能也有所不同。     

高海拔深切峡谷桥址风场特性实测研究

结合某深切峡谷大跨度桥梁桥址区测风塔长期的风观测数据，统计分析桥址区风场的平均风特性，以风速超过8 m/s为强风标准，分析强风样本的脉动风特性。研究结果表明：深切峡谷地形对风场特征存在显著影响，风特性参数呈各向异性分布，最大风速与极大风速对应风向集中分布在峡谷轴线附近，各观测高度主风向均为SSE方向，强风攻角以负为主，风速、风攻角与风向具有显著相关性；风速垂直分布规律不再准确符合指数律模型，风剖面指数随风速增大而减小，与风向具有显著相关性，拟合风剖面指数的均值为0.09；顺风向、横风向与竖向紊流强度分别为0.17、0.12、0.27，竖向紊流强度偏高，采用线性与非线性模型均能较好地拟合紊流强度与阵风因子的关系；紊流积分尺度高于规范推荐值，随风速的增大而增大；实测功率谱与理论谱吻合程度欠佳，竖向功率谱偏高，脉动风速功率谱在惯性子区不满足各向同性假设。     

不同风倾角下典型等边角钢静风力风洞试验研究

角钢作为格构式结构的基本组成部分,其风力系数的精度将直接影响结构整体风力系数取值的准确性.通过刚性模型高频动态天平测力风洞试验,测量了随倾角和风向角变化的典型三维等边角钢的静风力.研究表明:倾斜安装角钢的阻力系数、升力系数与垂直安装相比,随风向变化趋势类似,但在某些风向角下数值明显降低;不同风倾角(β=30°～50°)...     

矩形超高层建筑横风向脉动风力,Ⅱ:数学模型

系列文章的第一部分总结了矩形截面高层建筑横风向脉动风力的基本特征。在此基础上,采用非线性最小二乘法,以风场类型及厚宽比为基本变量,对横风向脉动风力根方差系数、竖向相关系数以及功率谱密度进行拟合,得到横风向脉动风力的闭合求解公式。最后通过与试验结果的比较,验证了这些公式的精度。运用这些公式,可较为方便地计算矩形截面高层建筑的横风向脉动风力。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地（塔高10 m）,并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

温州滨海平坦地貌近地台风特性实测研究EI北大核心CSCD

为研究温州滨海平坦地貌近地台风特性,在温州滨海建立了风工程实测基地(塔高10 m),并利用台风"菲特"和"麦德姆"登陆过程中不同高度处风速及风向实测数据,研究了10 m高度范围内的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱密度等风特性参数。结果表明:离地10 m高度范围内,实测风速剖面系数明显大于该地貌的规范取值,风速平均值和最大值均明显小于国家规范计算值;不同高度处横风向与顺风向湍流度比值随着高度减小而增大,实测湍流度与我国规范取值差异较大;顺风向,湍流积分尺度与平均风速之间的线性规律较好,随着高度增加湍流积分尺度离散性变大,湍流积分尺度的中位数与平均值差别不大,均小于日本规范;顺风向和横风向脉动风速功率谱有一定的变化,峰值频率和峰值都很接近,实测脉动风速的功率谱与Von Karman谱在数值上有一定的差异,但变化趋势基本一致。     

结构振动对风特性测试结果的影响研究

现场实测是获得结构所在地风特性的主要途径,因而实测数据的准确性至关重要。为了开展风特性精细化研究,重点分析了结构振动对所测数据的影响。通过实验测出相同风场内考虑和不考虑风速仪基底振动的风特性时程数据,分析对比了不同工况下获得的平均风速、紊流强度、紊流积分尺度及功率谱密度,其中基底分别输入了"韦帕"台风作用下润扬大桥主梁跨中横向振动和白噪声。结果表明,在基底输入主梁振动信号时,基底振动对实测平均风速以及紊流特性的影响程度均很小,但会导致实测紊流强度和顺风向功率谱密度略高于真实值。结论可为结构风场测试及数据分析提供参考。     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。     

大跨屋盖风荷载的频域特性试验研究

在大气边界层风洞中通过模拟大气边界层风场对广州国际会展中心模型进行测压试验,获得了测点的在36个风向角下的风荷载。对风荷载的功率谱、相关系数、相干函数进行了细致分析,讨论了风场对脉动风压频域特性的影响。得出一些结论：脉动风压功率谱表现很强的漩涡脱落特征,其斯脱罗哈数约为0.295;测点风压相关系数横风向强于顺风向,均随着测点间距的增大而减小,并且边缘区域测点的相关性高于中间区域测点;测点风压的相干系数随着测点距离的增大而减小,且顺风向高于横风向。     

基于六旋翼无人机搭载风速仪的典型建筑绕流实测

基于无人机搭载风速仪对边界层内典型建筑的绕流风场风特性进行了实测研究，分析了平均风速、湍流度、脉动风速功率谱等风场风特性参数。分析结果表明：基于无人机实测拟合的建筑来流剖面粗糙度指数为0.2796，处于GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中的C类地貌与D类地貌之间；来流处顺风向和横风向脉动风速功率谱与Karman谱较为吻合，横风向脉动风速功率谱峰值能量略高于经验谱。本次实测建筑高度为82.45 m，现场实测表明在60 m和80 m高度平面的绕流风场特性受建筑影响较为明显，受影响区域主要为建筑两侧靠近建筑的区域以及尾流中间段区域，这些区域测点的平均风速较之来流减小，顺风向和横风向湍流度较之来流增大；受建筑影响区域的顺风向和横风向脉动风速功率谱峰值具有向高频段移动的趋势；而在100 m、120 m高度的现场实测表明，这两个平面绕流风场特性受建筑影响较小。     

多跨格构式构架气弹模型设计与风洞试验

为了研究复杂多跨格构式构架风致响应特性,通过对比主要气弹模型制作方法的优缺点,以某典型1 000 kV两跨变电构架为背景,采用刚性节段加V型弹簧片的方法设计制作了满足前4阶频率相似比的气弹模型。在此基础上,通过气弹模型风洞试验测试得到了不同风速和不同风向角工况下,结构典型部位的位移和加速度时程,并研究了多跨格构式构架的风振响应特性,最后采用惯性风荷载方法和阵风荷载因子法评估了典型节段的风振系数。结果表明:采用刚性节段加V型弹簧片的方法设计制作的气弹模型能较好满足外形、质量、频率、阻尼比等重要参数的相似关系;风向角对位移均值的影响十分显著,其最不利风向角与相应主轴成15°夹角;顺风向与横风向的加速度响应均方根处于同一数量级,横风向风致振动效应较为明显;该结构垂直于跨向中塔的风振响应以第一阶模态的共振分量为主,边塔基阶模态与高阶模态的共振分量均较大,高阶模态的贡献不可忽略;同一节段的位移风振系数值略大于惯性力风振系数值。该试验结果对多跨格构式构架的抗风设计具有一定的参考意义。