非高斯风压时程峰值因子的简化计算式

采用Hermite矩模型可将非高斯时程表示为高斯时程的非线性函数,建立了非高斯时程和高斯时程之间的一一对应关系,也建立了非高斯峰值因子和高斯峰值因子之间的一一对应关系,为非高斯峰值因子、极值的计算奠定了理论基础。介绍了软化时程、硬化时程和偏斜时程的Hermite矩模型变换理论,明确了高阶矩模型的单调变换范围;在此基础上,研究了软化时程非高斯峰值因子简化计算式的理论误差。结果表明由简化计算式得到的非高斯峰值因子略大,其误差均小于20%。利用非高斯峰值因子的简化计算式,计算了平屋盖表面典型测压点的非高斯峰值因子和风压极值。分析结果表明：绝大多数测压时程样本属于软化时程,极少数样本属于硬化时程或偏斜时程;利用非高斯峰值因子的简化计算式,需要考虑测压时程的随机特性,取多个时程样本峰值因子的平均值作为非高斯峰值因子的代表值。     

某双塔楼表面风压的非高斯特性研究

通过对某双塔高层建筑进行了风洞试验,对该双塔高层建筑表面风压的非高斯分布特性进行了研究;基于各风向角下风压系数的三阶、四阶矩统计量,对高层建筑各立面风压进行了高斯与非高斯分布的分区;最后,对高斯区和非高斯区设计风压系数的峰值因子取值问题进行了探讨,发现在实际应用中对非高斯区的峰值因子取值偏小。     

平屋盖围护构件设计风荷载研究

GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中未给出复杂体型且重要建筑物的风荷载局部体型系数,此类建筑物的风荷载需通过风洞试验确定。基于此,提出了基于风洞试验的围护构件设计风荷载计算方法,将规范中阵风系数与局部体型系数的乘积修改为局部体型系数与脉动风压系数极值之和的形式,称为风压系数极值。提出的围护构件设计风荷载计算方法不仅适用于迎风面围护构件设计风荷载的计算,也适用于气流分离区围护构件设计风荷载的计算。在脉动风压系数极值的计算中,考虑了气流分离区非正态风压时程的特性,采用非正态峰值因子的简化计算式,可简便确定非正态风压时程的峰值因子。以平屋盖围护构件设计风荷载的确定过程为例,对比了我国规范方法与文中方法的异同,提出了平屋盖围护构件风压系数极值的设计建议值。结果表明,采用文中提出的围护构件设计风荷载计算方法,基于风洞试验数据可确定气流分离区围护构件的设计风荷载,采用日本风荷载规范的屋盖风荷载分区方法是合理的;采用风洞试验得到的局部体型系数,套用GB 50009-2012规范方法确定气流分离区围护构件的设计风荷载,可能严重低估风荷载取值。     

大跨双层屋盖结构风洞试验与风振响应研究

对南太湖湿地奥体公园复杂体型体育场双层屋盖结构进行了风荷载的风洞试验与风致动力响应研究。屋盖由高低两个开口椭圆屋面叠合而成,两屋面之间设置观光走廊。利用风洞模型试验测定了双层屋盖上下表面的平均和脉动风压时程数据。通过计算分析得到了屋盖结构局部测点的极值风压以及平均风荷载整体合力与最不利风向角。然后基于有限元方法对该屋盖进行了风振响应的动力时程分析,获得了结构风振系数、等效静力风荷载的分布图以及考虑风振效应的最不利风向等数据和结论。     

罩棚式低矮房屋屋面风荷载特性及气动抗风措施研究

采用模型的风洞试验详细研究了矩形和圆形罩棚屋面结构的平均风压和峰值风压分布特征,分析了屋面风致破坏的主要原因,在此基础上实施了7种不同的屋面局部修改方案的对比试验,从中筛选出可以有效消减屋面风荷载的抗风措施。两种平顶矩形和圆形罩棚屋面结构均以负压为主,试验测得两结构屋面的最高平均负压系数分别为-1.83和-0.97,相应最高极值负压系数为-5.41和-3.11,结果远高于GB 50009-2001《建筑荷载规范》推荐的平均风压乘以阵风系数的方法,这显示规范中的阵风系数方法并不适合于计算该类屋面结构的风压值。根据分析结果给出了平顶矩形和圆形罩棚屋面结构风压体型系数取值的建议值,采用斜切角形式的屋檐或在屋面板和侧面围板交界处开贯通透风槽方式可以使屋面风敏感区域的极值负压削减25%~35%。     

围护结构非高斯风压极值估计的改进Hermite峰值因子法

为克服传统研究风压极值方法忽略带宽参数影响的不足和改进概率密度函数拟合效果，结合曲面拟合方法获得一种改进Hermite级数，提出了引入带宽参数的改进Hermite峰值因子法。采用改进Hermite峰值因子法和以往常用方法对开孔屋盖风压的峰值因子进行研究。结果表明：基于高斯分布的Davenport的峰值因子明显偏离非高斯峰值因子；忽略带宽参数的传统Hermite峰值因子法高估了风压的正负峰值因子；改进Hermite峰值因子法相应于传统Hermite方法和修正Hermite方法和Sadek-Simiu方法，估计的开孔屋盖风压的峰值因子最为安全准确，与观测峰值因子总体上最为接近。     

“天使之翼”体育场风压特性试验

通过对梅州体育场进行测压试验,得到平均风压系数、脉动风压系数,对其风压特性做了详细分析。结果表明:控制体育场屋面的风压主要为负压,屋盖凸起处气流分离较大,导致其负压较大;当来流由低屋面进入高屋面时,在高屋面区域产生“上吸下顶”的受荷情况,负压增大;通过对屋盖测点风压时程第三、第四阶矩的统计分析发现,非高斯性测点主要分布在屋盖气流分离区和受尾流旋涡影响的区域;高斯分布和三参数伽马分布能较好地描述体育场表面风压概率特性;Sadek-Simiu法考虑了脉动风压非高斯特性,能准确地估计非高斯风压的极值。     

考虑特征湍流影响的体育场悬挑屋盖脉动风压谱模型

基于风洞试验对体育场悬挑屋盖的脉动风压谱进行系统研究,旨在得到适用于此类结构的脉动风压谱模型,为风振响应分析提供必要的信息。通过对屋盖表面脉动风压进行谱分析,可知在屋盖前缘处的风压谱与来流风速谱较接近,但屋盖后缘处则差异很大,表现出明显的漩涡脱落特征。因此脉动风压自谱采用来流谱与漩涡脱落谱相结合的形式来描述,并通过权数因子体现屋盖表面不同位置处流场作用的特点。对于脉动风压互谱则用指数衰减函数来表示,并确定了适用于悬挑屋盖的衰减系数。为验证所提出风压谱模型的有效性及特征湍流对风致效应的影响,对系列悬挑屋盖结构进行风振响应分析,风荷载时程分别采用风洞试验测得的风压时程、基于建议风压谱模型模拟生成的风压时程、按拟定常假设生成的风压时程。基于建议模型得到的响应结果与试验结果基本一致,基于拟定常假设的风振响应极值偏小10%～15%,均方根值偏小30%～40%,脉动风压谱建模中不可忽略特征湍流的影响。     

开孔结构内部风效应的风洞试验研究

采用刚性模型风洞试验研究结构开孔时的内部风效应。设计制作了具有不同开孔状态的低层房屋模型进行多参数对比风洞试验,研究了开孔结构风致内压的空间分布特性,阐述了风致平均内压及脉动内压的产生机理,给出了平均内部风压系数与均方根内部风压系数的理论估算方法,并与试验结果进行了对比,通过对风压系数时程的分析,探讨了内部风压峰值因子的取值规律及内外压的相关性特性。研究表明风致内压在空间上分布均匀且采用理论方法进行内部风压估算是可行的,在结构设计中有必要提高内部风压峰值因子的取值并考虑内外部风压的联合效应。     

一种非高斯风压峰值因子快速求解算法

为了计算非高斯风压峰值因子,基于双边保证率模型提出了计算非高斯风压时程峰值因子的快速快速搜索法和用于峰值提取的逐级分段法。通过某超高层建筑刚性模型测压风洞试验对常用的几种建筑覆面非高斯风压的峰值因子计算方法进行比较分析,对比各种方法得到峰值因子的大小及其与观察平均峰值的误差率。基于算法结果,研究了脉动风压概率特性,分析了偏度、峰度和峰值因子间的变化关系及其内在变化机理。结果表明:基于可靠度理论,用数值手段无限接近风压时程真实分布的快速搜索法总体精确性和适用性比经典的Sadek-Simiu法有所提高; 极大值序列的峰值因子及其误差率随风向角变化而变化的总趋势和极小值序列是一致的; 侧风面的前缘气流分离区、背风面及迎风面切角区、方形截面45°风向角下两背风面交接处是强非高斯区; 风压时程概率密度分布是否具有绝对值较大的超越峰度与样本对称出现在均值线附近的集中程度相关。     

大跨度屋盖结构极值风压概率分布特征研究

对两类典型的大跨度屋盖结构形式（球面屋盖和柱面屋盖）分别进行了超过1 000次的重复采样风洞试验,基于所获得的大量极值风压样本,运用广义极值理论和极大似然估计方法系统分析了极值风压的概率分布特征。研究表明：广义极值分布是描述极值风压概率分布的理想模型,多数区域极值风压符合极值Ⅲ型分布,少数尾流区测点极值风压符合极值Ⅰ型和Ⅱ型分布,且极值Ⅱ型分布区域对应的极值风压离散性更强。利用概率分析方法对传统的极值风压估算方法,即峰值因子法的保证率进行了检验,结果表明：峰值因子法无法给出具有一致保证率的极值风压分布,且低估了极值Ⅱ型分布区的最不利负压,误差率在20%~30%之间;应用概率分析方法可以获得具有确定保证率的极值风压,进而从概率意义上对局部极值风压的取值进行合理评估。     

不同坡度双坡屋盖表面风压特性研究

通过提取东京工艺大学低矮建筑气动数据库中的风压数据,以点风压和面积平均风压为分析参数,研究了不同坡度双坡屋盖表面的风压特性。首先给出了正风向及斜风向作用下,屋盖表面的平均和脉动风压分布。其次,通过Hermite Model法计算了双坡屋盖表面各区格面积平均风压时程的峰值因子,进而计算得到各区格的风压统计峰值,并据此分析了双坡屋盖的最不利风向和易损位置。以迎风角区域为参考,计算了该区域与屋盖其余部位面积平均风压的相关特性。最后探讨了部分国家规范中双坡屋盖围护结构设计风荷载的相关条文,并针对GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》给出了修订建议。研究结果表明,根据各坡度屋盖风压分布、风压相关性和风压统计峰值的特点,可将双坡屋盖分为3个坡度区间,即0°≤θ≤15°（低坡度）、15°<θ≤30°（中等坡度）和30°<θ≤45°（高坡度）;在多数双坡屋盖表面,吸力统计极值的最大值均发生于斜风向作用下的迎风角区域;考虑最不利风向下不同部位风吸力幅值的差异,可将低坡度的屋盖表面分为角部、长边边缘、短边边缘和中部4个区域,中等坡度和高坡度的屋盖表面可在此基础上进一步细分出屋脊区域以及短边边缘与屋脊交接区域进行风压统计。     

大跨屋盖结构风致抖振响应研究

建立基于非定常风荷载的大跨屋盖结构风致动力响应的试验和分析方法。该方法采用多通道测压系统扩大同步测压点的数目,更全面地获得屋盖表面风压的时空特性,为准确计算结构风致响应奠定了基础。在动力分析方法上应用CQC法计算屋盖结构的风振响应,考虑多模态及模态间的耦合影响,编制了结构风致动力效应计算程序SWDP。最后对上海铁路南站工程屋盖结构的抖振响应结果进行了计算和分析。结果表明,采用多通道测压系统可以有效地扩大同步测压点的数目;基于非定常风荷载的CQC方法是计算复杂大跨屋盖结构风振响应的有效方法;背景响应对于总响应的贡献通常是不可忽略的。     

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。     

大跨悬挑屋盖风振系数研究

针对荷载规范中对大跨悬挑屋盖结构风振系数计算的不足,利用时程分析法,在有限元建模的基础上,直接采用风洞试验数据,计算了某大跨悬挑屋盖结构的荷载风振系数和位移风振系数,研究了其随风向角的变化规律,并讨论了不同风向角下结构参数的影响。     

大跨屋盖结构风压脉动的非高斯特性

借助刚性模型风洞动态同步测压试验,对大跨度平屋盖表面脉动风压的非高斯统计特性进行了系统研究。首先,根据测点风压时程及其概率密度分布,对具有非高斯分布特性的屋盖风压局部区域做出判断;然后,通过风压的时空间相关性,结合中心极限定理讨论局部呈现非高斯特性的原因;最后,基于测点风压的第三、四阶矩统计量对风压的非高斯特性进行描述,给出划分高斯非高斯区域的标准,并在此基础上对平屋盖进行了分区,通过区域划分揭示了不同区域的脉动风压形成机理,也体现出一些大跨屋盖结构不同于低矮房屋的流场特性。通过上述工作,增进了对大跨度屋盖表面风压分布特性的认识,为进一步探讨屋盖结构的抗风设计方法奠定了理论基础。     

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...     

Peak factors of non‐Gaussian wind forces on a complex‐shaped tall building

This paper focuses on the development of peak factor formulas of non‐Gaussian wind pressure processes after reviewing the current estimation methods of non‐Gaussian peak factors. A skewness‐dependent peak factor is proposed by accounting for the contribution of skewness and kurtosis parameters in some existing Hermite moment‐based formulas. The possible correction on the upcrossing rate used in the translation process approach is also investigated. Wind tunnel pressure data on a practical 43‐story building with unusual shape is used to validate the accuracy of the skewness‐dependent peak factor by investigating various statistical properties of wind‐induced fluctuating pressure field on the complex‐shaped tall building example. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Wind effects on the world’s longest spatial lattice structure: Loading characteristics and numerical prediction

The 486-m long roof structure of Shenzhen Citizens’ Centre is the world’s longest spatial lattice structure. This paper presents some selected results from a combined wind tunnel and numerical simulation study of wind effects on the extra-long-span roof structure. In this study, simultaneous pressure measurements on its entire roof are made in a boundary layer wind tunnel, and the measured wind pressures, such as mean, root-mean-square (rms) and peak pressure coefficient distributions on the roof are presented and discussed. Based on the measured data from a number of pressure taps, a numerical simulation approach using backpropagation neural networks (BPNN) is developed for the predictions of wind-induced pressure time series at other roof locations which are not covered in the wind tunnel measurements. The BPNN is trained with the pressure data time series measured from adjacent pressure taps. The good performance of the developed neural network is demonstrated by comparing the predictions with the model test results, illustrating that the BPNN approach can serve as an effective tool for the design and analysis of wind effects on large roof structures in conjunction with wind tunnel tests.