大尺度平屋盖聚类最优风压分区研究

以大尺度平屋盖为研究对象,针对其风压分布变化梯度较大的问题和GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》关于大尺度平屋盖风压分区规定的不完善,围绕大尺度平屋盖风压分区问题,在得到各种风向下风压测点最不利极值风压的基础上,利用最短距离聚类法对风压测点分区,得到不同分区类数下的分区方案,用基于质量系数的聚类有效性评价法确定最佳聚类数及最佳分区方案,并采用面积权重法给出大尺度平屋盖分区风压系数。研究结果表明：大尺度平屋盖聚类最优风压分区类数为3;大尺度平屋盖角部大致在10%屋盖跨度范围内,属于风敏感部位,设计、施工时需特别注意;整个屋面平均风压系数会导致大尺度平屋盖中部偏于保守设计,角部低估了风荷载;在进行大尺度平屋盖抗风设计时,应先确定极值风压分区,并针对不同部位分别进行设计和施工。通过与规范平屋盖分区方式、常用分区方式确定的分区风压系数对比显示,聚类最优风压分区较其他方式确定的分压风压系数结果更为合理。     

高低跨柱面屋盖的风荷载特性研究

区别于标准等高柱面双跨屋盖的风荷载特性,不等高屋盖之间形成较强的干扰作用,形成特有的分布形态和数值。针对高低跨柱面屋盖结构,采用风洞试验方法进行测压试验,获得全风向角下的测压数据,并对典型风向角下的平均风压、脉动风压和全风向极值风压的分布特性进行分析。结果表明,尽管屋盖表面平均风压以负压为主,但是受到屋盖高跨部分与低跨部分相互之间的干扰效应,生成区别于等高柱面双跨屋盖的气流分离与再附效应,特别对于檐口、屋脊及屋檐角部位置,会出现负压极值乃至局部负压梯度极值。     

典型大跨度屋盖结构的风压谱工程简化模型

通过对平屋盖、悬挑屋盖、柱面屋盖、球面屋盖及鞍形屋盖五种典型大跨屋盖的1730组风洞试验工况下18048个风压时程样本的功率谱分析,采用峰值频率和相干指数对大跨屋盖特征湍流特性的风压谱进行表征并建立了简化模型。结果表明,从频谱特性角度,将上述五种形状的大跨度屋盖分为三类,即第Ⅰ类是以平屋盖和鞍形屋盖为代表的具有尖角钝体特性的屋盖,第Ⅱ类是以悬挑屋盖为代表的具有平板流特性的屋盖,第Ⅲ类是以柱面、球面屋盖为代表的具有曲面钝体绕流特性的屋盖;第Ⅰ、Ⅱ类屋盖峰值频率集中在0.1~0.2Hz,相干指数分别集中于2.5和3.5附近;第Ⅲ类屋盖峰值频率集中在0.1Hz以下,相干指数集中在4.0附近。经过统计分析,给出了参数分区值,以供结构抗风设计参考。     

大跨屋盖表面局部体型系数和峰值风压研究

基于大跨平屋盖和马鞍屋盖风洞测压试验,利用面积时程法得到全风向下屋盖最不利局部体型系数,并将计算结果与我国GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》进行对比分析,同时采用Davenport峰值因子法、Hermite矩模型理论,分别计算高斯区、非高斯区峰值因子,得到屋盖表面最不利峰值风压。结果表明:我国GB 50009—2012中关于围护结构局部体型系数的规定不尽合理,在屋盖迎风前缘拐角区域明显低估了风吸力;对于迎风前缘中部区域,规定的局部体型系数过于保守;对于屋盖的中心区域,采用单一系数低估了迎风拐角区域与中心区域交界处的体型系数。为此,基于风洞试验和理论计算结果,参考日本AIJ-2004,对两类屋盖的全风向最不利局部体型系数和峰值风压系数进行了分区界定并给出相应的建议值。     

大跨度屋盖气动力效应不确定性研究

基于重复采样风洞试验和概率相关系数检验法,对具有典型参数的球面屋盖和柱面屋盖的气动力效应的不确定性进行了系统研究。着重分析了平均风压系数和脉动风压系数的概率分布特征。研究结果表明:正态分布是平均风压系数的最优分布,球面屋盖、柱面屋盖平均风压的变异系数均值分别为0.11和0.13。对数正态分布为脉动风压系数的最优概率分布,对于球面屋盖,脉动风压系数均值在来流前缘和尾流区较大,最大值出现在屋盖后缘,标准差最大值出现在屋盖左右两侧与来流约成45°的轴线上;对于柱面屋盖,脉动风压系数均值和标准差在屋盖顶部较大,最大值均出现在顶部与两侧墙体连接处。基于风洞试验结果,采用Monte Carlo方法研究了样本数量对平均风压系数抽样误差的影响,定义了与平均风压变异系数和样本数量有关的平均风压调整系数,并给出了具体取值,可为现行风洞试验提供参考。     

大跨屋盖结构风洞试验及风振响应研究

基于南通兴东新建航站楼结构风洞试验,对该航站楼大跨屋盖结构的整体风压分布以及重要分区的风压分布特性进行研究。并且在风洞试验的基础上,根据各阶振型应变能贡献大小,确定风振响应频域内的计算阶数,进行频域法风振响应分析,并对结构的位移响应风振系数进行对比分析。研究表明:0°风向角为屋盖结构的最不利风向角,迎风区屋檐两端会产生较大的局部风吸力,平均风压系数绝对值达到1.7左右;屋盖中间区域平均风压系数均为负值,风吸力在0°和180°风向角附近达到最大,挑檐区域的风吸力最大值要大于屋盖中间区域;通过各阶模态应变能贡献量确定主要贡献模态,进而选定包括所有主要贡献模态的前m阶模态作为截断模态的方法是可行的;屋盖挑檐区域各分区的最大风振系数要明显大于屋盖中间区域。     

某大型会展中心风洞试验分析

通过对济南西城会展中心进行风洞试验分析,分别得到了大跨度及高层建筑的风压变化规律。风荷载作用下的连续型大跨屋盖部分的边缘区域由于风的分离效应导致风压系数较大,屋盖中间区域体型系数较小,故对屋面维护结构进行抗风设计时,应对屋盖进行合理的分区,不同区域采用不同的抗风措施;风荷载作用下的高层建筑,由于建筑外侧玻璃幕墙较多,局部风压系数很大,故在玻璃幕墙设计中应予以加强。     

南阳卧龙站站房大跨度屋盖风洞试验

采用同步测压风洞试验技术,对作用于南阳卧龙站站房屋盖的风荷载进行了研究,讨论了平均风风荷载、脉动风荷载的分布特征况。风压分布云图表明,虽然屋盖风压以风吸力为主,但在屋盖台阶处的局部区域存在风压力。根据风压分布特征,对屋盖进行分区,得到了各个区域的风压系数,分析了各个区域风压系数随风向角的变化规律,为该类大跨度屋盖抗风设计提供参考。     

复杂双塔对大跨中庭屋盖风荷载影响的试验研究

采用风洞试验方法,对一体型复杂的双塔-中庭连体高层建筑中的大跨中庭屋盖的风荷载进行了研究,获得了正向风作用时两侧屋面的平均与极值风压等值线图、体型系数随高度变化曲线,以及最不利斜向风作用下的风压分布图,并与荷载规范中仅考虑单体建筑受正向风作用时的取值进行了比较.结果显示,双塔的相互错位及一侧弧面设计,使得屋盖在特定斜向风作用下的平均与极值风压比正向风时更为不利,其中斜风时的平均和极值正风压峰值达到正向风时的近1.5倍,而负风压峰值则分别达到后者的约2～2.5倍和3～4倍;考虑不利风向时,屋盖除屋脊附近以外的各区域正体型系数及全区域负体型系数绝对值均明显大于规范值,而屋盖中下部位的极值正风压及大部分区域的极值负风压值普遍超出规范值1倍以上.这表明此类屋盖的风荷载若直接按规范取值可能使结构设计趋于不安全.     

屋盖倾角对悬挑曲面屋盖风压特性的影响

以体育馆的悬挑曲面屋盖为研究对象,基于风洞试验测试了三种不同倾角屋盖的风压特性,对比分析了屋盖倾角对风压分布及平均、极小风压系数的影响。结果表明:屋盖倾角变化对其平均和极小风压系数的影响显著,尤其是受锥形涡或分离、再附流影响的屋盖局部区域,但风压变化规律受测点的相对位置、屋盖跨度、初始倾角等影响;三种不同倾角屋盖的最不利风压系数极值均位于屋盖角区前端,屋盖倾角渐次增大后的模型M2、M3,其最不利平均风压系数极值较模型M1分别增大7.1%、13.8%,最不利负风压系数极值较模型M1分别增大15.0%、11.0%;受锥形涡分离再附主导影响的屋盖角区,随屋盖倾角增大,其迎风边缘与再附区的风压系数整体上变化趋势一致,即最不利平均风压系数逐渐增大,最不利负风压系数先增大而后少许减小;受分离流或再附流主导影响的其他屋盖区域,其最不利平均、负风压系数随屋盖倾角变化的规律性较差,需分区单独分析。     

女儿墙对平屋面低矮建筑风荷载特性的影响

对平屋面低矮建筑进行1∶25缩尺刚性模型测压风洞试验,研究了无女儿墙工况和4种不同高度女儿墙的平屋面低矮建筑的风荷载分布规律。无女儿墙的平屋面主要承受风吸力作用,斜风向锥形涡诱导的最不利吸力区域为屋面迎风边缘角部区域,为全风向下最不利区域。女儿墙的存在可明显减小屋面的平均风吸力和极值风吸力,平均风吸力减小幅度可达150%,同时最不利平均风压系数和极小值风压系数的出现位置逐渐远离了屋面角部区域;随着女儿墙高度的增加,极值风吸力进一步减小,极值风压力增大,最大的极大值风压系数出现在尾流区;采取分区的方式给出了不同女儿墙高度的屋面体型系数建议取值。     

环状大悬臂挑篷风载特性与风场绕流分析

基于FLUENT软件并引入k-ε湍流模型,对环状大悬臂挑篷屋盖风载和风场进行模拟分析。数值计算分析风向角、屋盖倾角、看台后部通风率、挑篷开洞、有无后挑等参数对挑篷屋盖风压分布的影响;针对屋盖周围气流的绕流特性,分析设置屋盖竖向气动导流板和在挑篷外环边缘附近开洞对降低屋盖负风压的作用。研究结果表明：无论风向角如何变化,水平挑篷屋盖上风压均以吸力为主,较高的吸力分布在迎风的前缘位置;屋盖倾角宜设在 0°~15°范围,过大或过小均不利于结构抗风;增大结构迎风面的通风率有利于减小水平屋盖的平均风压;屋盖是否后挑对水平屋盖上表面的风压影响较小;增设屋盖竖向导流板可减低水平屋盖前缘局部极值风压;在环状挑篷外环边缘附近开洞可较明显减小屋盖风压。     

大跨度金属屋面风荷载特性和抗风承载力研究进展

近年频发大跨度金属屋面风灾事故,使得此类结构的风灾问题备受关注。造成风灾的原因有很多,主要包括屋面风荷载被低估,未考虑脉动风所引起的屋面疲劳效应,风敏感性气动外形引起的高负压和必要控制措施的缺失,屋面抗风设计及施工缺陷等。从屋盖风荷载分布、金属屋面抗风承载力、风致疲劳性能和抗风设计方法4个方面总结和评述了国内外的研究进展。根据已有研究存在的问题、风灾调查以及2017年超强台风“天鸽”作用下金属屋面工程实例,建议进一步开展对大跨度屋面风压分布特征、金属屋面抗风承载力与风致疲劳性能的理论和数值分析方法以及提高屋面抗风性能的构造措施和空气动力学措施等方面的系统研究。     

大连市贝壳博物馆表面风压分布特性风洞试验研究

为了满足大连市贝壳博物馆的抗风安全需要,进行了刚性模型表面风压分布特性风洞试验研究。详细介绍了试验所采用的主要技术参数与基本的数据处理方法,给出了典型风向角下结构表面风压分布的等值线图和结构典型测点在不同风向角下的风压变化规律;分析了各风向角下绝对值最大的局部体型系数及其出现的位置,并将屋盖的局部体型系数与现行《建筑结构荷载规范》(GB 5009—2001)进行了对比。结果表明:屋面上表面的风荷载主要表现为负压,顶部迎风挑檐边缘较大,屋面的尾流区域较小或为正压。屋面两侧的悬挑部分及主入口处迎风时分布有大面积正压,以靠近拐角部分最大,且这部分屋面对风作用反应敏感,设计时应考虑体型系数的变号情况。     

Peak factor estimation method of non-Gaussian wind pressures on long-span tri-centered cylindrical roof structures

Claddings are susceptible to damage due to underestimation of extreme wind-induced surface pressures. Commonly accepted methods for estimating the peak factor (an input used to determine cladding design loads) involve complex calculation-intensive procedures. This research develops a four-parameter unified auto-spectral model of wind pressure to simplify peak factor estimation of wind-induced surface pressure via analysis of wind tunnel wind load data on tri-centered cylindrical roofs. Values of the model parameters were identified via statistical analysis of wind tunnel wind pressure measurement on two long-span tri-centered cylindrical roof structures with different curvatures. The study identified roof regions with non-Gaussian features by inspecting probabilistic density functions of the standardized wind-induced roof pressures and the third- and fourth-order statistical moments of wind pressure time histories. The paper ultimately proposed and evaluated a simplified method for estimating the peak factors in the non-Gaussian regions, the Three-parameter Hermite Model, derived through the moment-based Hermite Model, the Revised Hermite Model, and the parameter simplification accomplished in this study. The results show that the auto-spectral model of wind-induced roof pressures can accurately estimate the zero- and second-order spectral moments, which reflects the wind pressure fluctuating characteristics and geometric features of spectral curves. Compared with the peak factors of the moment-based Hermite Model and the Revised Hermite Model, the peak factor errors estimated by the Three-parameter Hermite Model are all less than 10%. These results suggest that the Three-parameter Hermite Model simplifies the calculation with acceptable accuracy.     

双拱大跨屋盖结构风载的数值模拟研究

双拱大跨度网架屋盖结构由于体表为复杂曲面,其风荷载的确定不能仅参考我国建筑结构荷载规范中对风荷载的相关规定,风荷载的确定需要借助于其他手段。CFD数值模拟风洞是近年来发展起来的一种风荷载研究手段,基于ANSYS-CFX 12流体动力学软件,利用雷诺应力（RSM）湍流模型对一双拱大跨度屋盖结构上平均风载体型系数进行数值模...     

大跨度可开合空间网架屋盖风致效应

大跨度屋盖结构作为风敏感性较强的结构,风荷载是其控制荷载之一,可开合屋盖由于外形和结构的多变性,其风致效应更为复杂。以某大跨度可开合空间网架屋盖结构为研究对象,利用刚性测压风洞试验实测了屋盖内外表面的风压系数,对比了开合状态下屋盖表面风压的分布特征。基于本征正交分解(POD)及瞬态动力有限元分析,得到屋面节点的位移响应时程,分析了屋盖开合状态下的位移响应和风振系数分布特征,研究了结构阻尼比对风振系数的影响。研究表明：屋盖翻转开启形成的悬挑结构会强化流动分离,使得屋盖整体最小净风压较闭合状态进一步减小。闭合状态下风振位移响应中背景响应占主导,背景响应和共振响应之间的相关性较小;开启状态则反之。对于对称的屋盖结构,在对称的屋盖分区上,风振系数会呈现与位移均值相反的分布特征。风振系数与结构阻尼比呈现明显的非线性关系,阻尼比越小,风振系数越大,且对阻尼比越敏感;风振系数随阻尼比演变趋势依赖结构风致平均响应及脉动响应共振分量占比。