地表粗糙度对高层建筑下击暴流风荷载特性影响的试验研究

地表粗糙度对近地层的风场影响很大。为研究下击暴流风场中不同粗糙度地貌上的高层建筑表面风压变化规律,基于冲击射流试验,讨论了地表粗糙度与径向距离不同情况下高层建筑表面风压特性。试验结果表明:建筑迎风面风压极值区的高度随地表粗糙度的增大而逐渐抬升,迎风面正风压系数也随之增大,背风面负风压绝对值随之减小,侧面风压系数受粗糙度影响变化不明显;建筑侧面脉动风压系数随地表粗糙度的增大而增大,而迎风面和背风面的脉动风压系数受粗糙度影响较小。随着径向距离及地表粗糙度的增大,出流强度衰减明显加快,建筑迎风面中下部区域风压系数衰减较大,背风面及侧面风压系数逐渐减小,且背风面呈线性衰减趋势。     

单个建筑物对平屋面风荷载的干扰效应试验研究

提出采用整体平均风压系数、第1阶振型广义力和屋面各区域最不利极值风压系数的干扰因子分别综合反映干扰效应对平屋面平均风荷载、脉动风荷载和极值风压的影响,采用刚性模型测压风洞试验,对被单个相同形体建筑所干扰的平屋面表面风压进行测量,研究改变建筑物之间的相对位置和风向角,平屋面整体平均风压系数和屋面第1阶振型广义力和最不利极值风压系数干扰因子的变化规律。研究结果表明:屋面整体平均风压系数干扰因子与第1阶振型广义力干扰因子分布规律相似;施扰物在受扰物的迎风上游,遮挡效应引起的缩小效应显著;沿与风向垂直方向,施扰物与受扰物并列布置时,放大干扰效应显著;斜风向条件下的干扰效应比0#x000b0;风向的影响范围大;干扰效应对屋面角部最不利极值风压影响显著,但对屋面中心区域的影响较小。     

大跨开合式屋盖峰值风压的试验研究

以1:300的几何缩尺比制作了一个开合式大跨屋盖体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场进行了同步测压风洞试验。对活动屋盖开启和关闭工况下的屋盖表面净风压时程的随机特性进行了研究,结合概率曲线相关系数法对屋盖净风压时程在Gumbel、R-Weibull、Normal和Gamma四种候选分布中选择了最恰当的Gamma和Normal分布来描述测点的风压系数概率分布,进一步采用了转换过程法对屋盖测点的极值风压峰值因子进行了估计,并给出了极小值风荷载分布。结果表明:①转换过程法可以较好考虑风压的非高斯特性,能更安全地估计开合屋盖测点的极值风压;②固定屋盖的极值风压峰值因子在活动屋盖开启工况要稍大于活动屋盖关闭工况,其位置主要在固定屋盖屋顶口;活动屋盖极值风压峰值因子则开启工况小于关闭工况。③对于峰值风压,由于关闭工况下较大的平均风荷载,其极小值风荷载总体上仍大于活动屋盖开启工况。     

下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖风压特性

设计制作了菱形马鞍面大跨屋盖结构缩尺模型,通过风洞试验探究了下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖表面风压特性.探究了冲击射流装置到模型的径向距离和风向角对屋盖上不同区域平均风压的影响,试验结果表明:最大分区平均风压系数出现在径向距离为1.25Djet(Djet为喷口直径)、风向角为0°的工况;来流方向上屋盖檐口的3个区域平均风...     

大跨屋盖脉动风压的非高斯特性研究

在大跨屋盖表面局部区域,特别是迎风边缘区域和屋盖拐角区,风荷载会表现出明显的非高斯特性,如果仍采用高斯模型来描述,往往会产生较大误差。基于五种典型大跨度屋盖结构的风洞试验,对屋盖表面局部风压的高斯和非高斯特性进行了研究。首先通过对第三阶、第四阶矩统计量归纳分析,给出划分高斯区和非高斯区的标准并对大跨度屋盖进行分区;同时,运用基于k-s检验的曲线拟合方法也得到风压非高斯分区,利用分区结果,得到保证率为99.38%的峰值因子取值。将两种方法相对比,发现得出的分区结果相似:非高斯区域往往集中在来流前缘、后部尾流区及高点角区附近。此外,分析结果表明,对于大跨屋盖结构,应适当提高我国荷载规范中的峰值因子并按结构分区取值。     

下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型EI北大核心CSCD

风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载,现行规范风压分布模型均针对良态风气候,缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。首先,采用冲击射流模型和大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术模拟下击暴流三维非定常风场,分析了涡环运动、风速变化等风场特性;然后,以内蒙金山电厂228m世界最高冷却塔为例,揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布,以及升/阻力系数分布特征;最后,与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明:下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环,各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势;涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区,在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡;塔筒内、外表面时程风压系数脉动趋势明显,底部区域受涡环影响震荡显著;冷却塔升力系数基本为0,层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大,在塔底达到最大值;涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值,进而易引起结构的破坏。     

基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

复杂曲面屋盖脉动风压的非高斯特性及峰值因子研究

以某大跨复杂曲面屋盖为研究对象,通过刚体模型风洞测压试验,研究表面脉动风压的概率分布规律和非高斯特性,分析形成非高斯分布的流动机理,并分别基于脉动风压空间相关性、峰度和偏度的累积概率,提出了高斯分布和非高斯分布的划分标准;在此基础上,采用Hermite矩模型构建非高斯分布与峰值因子间的联系。结果表明:屋盖迎风侧边缘和曲面拐角的表面脉动风压概率分布相较于标准高斯出现严重的偏离和凸起,呈现显著的非高斯分布特性,其原因在于上述区域的流动分离明显,其风压分布受分离涡影响而呈现较强的空间相关性,不满足独立同分布条件;以脉动风压空间相关性作为划分高斯与非高斯区域的标准更加合理,且物理意义较为明确。此外,还给出了此类复杂曲面屋盖非高斯区域风荷载峰值因子的取值范围。     

阶梯形平屋顶及其参数对建筑屋面极值风压的影响

针对阶梯形平屋面的设计风压系数在前人研究及风荷载规范中都鲜有提及的现状,设计一系列刚体模型测压风洞实验,考察阶梯形平屋顶中等高度建筑的屋面极值风压特性以及阶梯高度和形状的影响。在验证数据可靠性基础上,重点讨论点极值风压及其最不利位置和风向角并据此确定阶梯形平屋顶风压分区;计算面积平均极值风压并将其与美国规范(ASCE7)进行比较。结果表明,阶梯形平屋顶的高层屋面极值负压最不利值与普通平屋顶并无差别,而低层屋面的极值正压和负压受阶梯参数影响明显。除附属面积较小时的负压超过规范限值外,其他面积平均风压结果与规范吻合较好。这些结果不仅能为阶梯形平屋顶的屋面系统设计提供参考,也为其将来纳入我国规范积累了基本数据。     

某机场航站楼屋面风荷载特性研究

基于风洞试验的结果分析了某机场航站楼屋面风压系数的特性,该机场航站楼屋盖表面以负压为主,大部分区域负压绝对值较小且分布均匀,迎风边缘部分负压绝对值及负压梯度均较大。接着结合计算流体动力学方法模拟了主要风向角下风速矢量的分布特性,进一步阐释了屋面风压分布形成的机理。     

基于大涡模拟超大直筒-锥段型钢结构冷却塔极值风压研究

以国内拟建的首座超大直筒-锥段型钢结构冷却塔(189 m)为例,通过大涡模拟法获得其表面三维气动力时程和周边流场分布形态,并与国内外实测及风洞试验结果对比验证了数值模拟结果的有效性。在此基础上,基于三种典型风压极值算法(峰值因子法、改进峰值因子法和Sadek-Simiu法)对比分析了此类钢结构冷却塔表面峰值因子和风压极值的分布规律,并基于非线性最小二乘法分别给出了直筒和锥段部分的风压极值一维/二维拟合公式及取值建议;研究表明:直筒-锥段型钢结构冷却塔负压极值区和分离区附近风荷载呈现明显的非高斯特性,基于高斯分布假定的峰值因子法计算得出的极值风压数值偏小;锥段和直筒段背风面极值风压均大于规范取值,锥段迎风面和侧风面极值风压与水工规范极值接近,而直筒段迎风面和侧风面极值风压与荷载规范极值接近;所提出的风压极值拟合公式可以包络直筒和锥段的实际风压极值,最大误差10%。研究结论可为此类钢结构冷却塔风荷载设计取值提供参考。     

基于非高斯仿真的风压系数极值计算方法

以多变量相关非高斯过程仿真方法为基础,发展了一种基于单次采样的多变量非高斯仿真极值计算方法。首先介绍开孔屋盖的风洞试验概况和多变量相关非高斯过程仿真的基本理论,对屋盖上一组测点风压进行了非高斯仿真,结果表明基于谱修正的多变量相关非高斯过程仿真方法得到的时程在功率谱密度,相干函数,高阶矩三方面与目标值接近,仿真效果较好,然后采用经典极值理论对多次仿真的非高斯时程进行极值计算,将该方法得到的峰值因子与以往常用方法的结果进行比较,结果表明:Davenport峰值因子法高估气流分离区左偏风压的正峰值因子60%,低估负峰值因子43%;Sadek-Simiu峰值因子法低估了高峰度风压的峰值因子50%;而基于单次样本进行仿真的非高斯仿真峰值因子法,其估计的开孔屋盖的峰值因子最为准确,与观察峰值因子总体上最为接近。     

直径30cm圆柱的气动力参数和绕流特性研究

为研究光滑圆柱的气动力系数和绕流特性,在均匀流中进行不同风速下的测压风洞试验,试验获得了阻力系数、升力系数、表面风压分布、风压相关性系数、斯托罗哈数等随雷诺数的变化特征,并将试验结果与以往结果进行比较。研究表明:升力系数的脉动值大于阻力系数的脉动值,说明涡脱造成的横风向激励比顺风向紊流激励剧烈;雷诺数位于临界区域时,圆柱表面风压分布呈现出对称-不对称-对称的变化过程,反映了由层流分离转化为湍流分离的全过程;在雷诺数为352000时呈现一侧为层流分离、另一侧为湍流分离的临界流态,风压呈现出左右不对称的单边泡形式;获得层流分离和湍流分离时的表面风压相关性分布特征,层流分离时圆柱同一侧的风压测点均呈较强的正相关,而湍流分离时在分离点前的区域相关性较强,分离点之后的区域相关性较弱;层流分离的升力系数谱有显著的峰值,表明尾流是规则的漩涡脱落,而湍流分离的升力系数谱没有明显峰值,表明尾流是随机的漩涡脱落。     

非高斯风压峰值因子估计:基于矩的转换过程法的对比研究

建筑围护结构抗风设计需要准确估计非高斯风压极值或者峰值因子。对于非高斯风压峰值因子估计,常用的基于矩的转换过程法有Hermite多项式模型（HPM）、Johnson转换模型（JTM）及平移广义对数正态分布（SGLD）模型。极值通常由母本概率密度函数（PDF）的尾部决定,现阶段对于三种模型基于相同前四阶矩预测的非高斯母本PDF尾部的差别尚不清楚,自然,对于这三种模型预测的极值或者峰值因子的差别尚无答案。为了探明三种模型的异同,从而提供一定的选取原则,该文就三种方法对非高斯风压峰值因子估计效果进行了系统的对比研究。首先从理论上对比了三种方法预测得到的母本PDF的差异和估计的峰值因子差别;其次,选用长时距风洞试验风压数据检验了三种方法对非高斯风压峰值因子的估计效果。结果表明在三种模型都适用的偏度和峰度组合范围内,HPM对非高斯风压峰值因子估计结果相比SGLD模型和JTM模型估计结果更准确。     

不同四塔组合形式对特大型冷却塔局部非高斯风压分布影响研究

非高斯脉动风压是引起冷却塔局部风荷载过大的重要因素之一,群塔干扰会显著改变冷却塔表面风压非高斯分布模式。四塔组合是火/核电厂冷却塔群最常见的组合形式之一,以在建世界最高冷却塔（220 m）为研究对象,针对工程中最典型的串列、矩形、菱形、L形和斜L形五种四塔方案进行刚体测压风洞试验。在此基础上,系统研究不同四塔组合形式冷却塔风压信号的幅域和时域特性,并针对考虑四塔干扰效应的冷却塔二维和三维峰值因子取值问题进行对比探讨,分析不同四塔组合方案对冷却塔风压非高斯特性的影响规律。研究表明,串列、矩形、菱形、L形和斜L形方案分别较单塔工况非高斯区域增加了11%、63%、56%、89%和30%,采用基于高斯分布假定的峰值因子法进行冷却塔群极值风压计算将引起较大的误差。串列和斜L形四塔方案峰值因子分布受塔群干扰影响较小,而矩形、菱形和L形方案峰值因子较单塔明显增大,部分区域峰值因子达到6.5以上。该文研究从机理上分析四塔组合冷却塔群局部风压过大的形成原因,也为进一步探讨不同四塔组合冷却塔群表面极值风压奠定了基础。     

不同导风装置对超大型冷却塔风压特性影响研究

为研究不同导风装置对超大型冷却塔风压分布特性的影响,通过风洞试验对比研究了三种有导风装置和无导风装置的大型冷却塔表面风压分布特性,其中包括平均风压、脉动风压、峰值因子以及极值风压等气动参数,提炼出不同导风装置对大型冷却塔整体和局部风压分布的影响规律,最后给出了不同导风装置下冷却塔极值风压的拟合公式。结果表明:三种导风装置均能有效减少塔筒中部负压极值区域的平均风压,同时也能有效减少塔筒迎风面中上部脉动风压的根方差,尤其以弧形导风板效果最好;不同导风装置均可有效减小塔筒中下部迎风面和负压极值区域的风压极值,尤其以弧形导风板效果最好;考虑不同导风装置下大型冷却塔迎风面、侧风面和背风面峰值因子取值分别为3.29、3.41和3.50。     

复杂屋盖结构表面风压的非高斯特性研究

对一具有复杂曲面形状的开敞式大跨屋盖结构进行了风洞模型测压试验,对获得的屋面平均风压系数、脉动风压系数及其偏度和峰度值进行了计算和分析;提出并运用三种概率分布混合模型:对数正态分布和Weibull分布组合(LW)、双对数正态分布组合(LL)、双Weibull分布组合(WW)模型,对屋盖的非高斯风压分布特性进行了拟合和计算。结果显示,这类复杂屋盖除了在迎风屋檐、角区等出现吸力极大值外,还会在跨中凸起区域产生依次排列的多个极值区,这主要与复杂曲面所引起的气流多次分离与再附着有关;屋盖不同部位的风压呈现不同程度的非高斯特性,其中气流分离区的风压非高斯特性比较显著;三种概率分布混合模型对屋盖风压系数概率分布的拟合效果有所差别,其中LW混合模型的拟合效果最佳,适用于不同偏度的风压分布情况。     

超高层建筑横风向风致响应的非高斯性及峰值因子研究

基于单自由度气动弹性模型风洞试验,分析了超高层建筑横风向响应的非高斯性。通过归一化概率密度分布图直观地对比了不同风速,不同风场,不同斯科顿数和正下游干扰建筑对超高层建筑横风向加速度响应非高斯性的影响。通过对比多样本峰值因子观测值,对几种峰值因子取值方法的适用性进行了评估。分析了来流风速、风场、斯科顿数和下游建筑对风致响应峰值因子的影响。结果表明:在低湍流度下,来流接近涡激共振风速时,风致响应会出现显著的非高斯性;风场和干扰位置对风致响应非高斯性有着明显的影响;Davenport法在涡激共振风速和部分高折减风速时过分高估了峰值因子实际值,建筑结构荷载规范给定的峰值因子通常低估了峰值因子实际值,子段极值统计法可以较精确地给出峰值因子。     

移动下击暴流作用下高层建筑风荷载特性研究

为研究移动下击暴流作用下高层建筑的风荷载特性,采用可移动的冲击射流装置对高层建筑模型进行了测压试验,并通过计算流体力学方法进行数值模拟,分析了风暴移动过程中,风场中不同位置的高层建筑模型表面风压分布特性及风荷载作用机理。结果表明:风暴的移动会使风暴前缘风速加强,而使后缘风速减弱,从而使建筑表面的整体风压出现相应变化。当建筑位于风暴移动中心线上时,气流分离形成的漩涡主要出现在顶面迎风侧前沿及侧面迎风侧上角部区域,这些区域负压相对较大;建筑顶面在风暴经过时会产生较大正压。当建筑位于风暴移动中心线外时,高层建筑的来流风风向会随风暴的移动而不断发生变化;当建筑位于风暴前缘时,与来流风夹角较小的侧面会由于气流在钝体边缘的分离作用而出现较大的负压区域;当建筑位于风暴后缘时,建筑顶面角部区域会由于锥形涡的产生而出现较大负压。