基于城市中心区实测风场的高层建筑风荷载特性

风剖面是影响高层建筑风荷载特性的主要因素。为了探究城市中心区风场下高层建筑的风荷载特性,选取了北京气象塔2013年-2017年连续观测的实测风速数据,采用指数率模型并结合城市边界层分层结构对实测风场风剖面进行了拟合。通过刚性模型风洞测压试验得到了宽厚比D/B=1, 2, 4三种超高层建筑在实测风场下的风荷载,并将试验结果同规范中的B、D类风场进行了对比。研究表明：基于分层结构,采用指数率模型拟合得到的实测风场幂指数为0.35,其平均风速剖面同D类风场相似,湍流度剖面则大于D类风场;与B、D类风场下的风荷载相比,实测风场对超高层建筑的平均风荷载影响较小,对脉动风荷载的影响较大,且建筑宽厚比增大后,其在实测风场下的脉动风效应显著增强;建筑基底横风向和扭转向力矩系数间具有较强的相关性,且存在极值相关性,特别是90°风向角时的D/B=4建筑,两种相关性在实测风场下均显著增强。     

超高层建筑实测风压相干性的小波分析

在结构的顺风向动力响应计算中,高层建筑上任意两点风压的空间相关性信息是必需的。风压全尺度实测是分析建筑物风压相干性的必要途径,而小波变换为非平稳风压间的相干性分析提供了有力的工具。为了获得超高层建筑风压的相干性信息,针对一超高层建筑进行了强风下的风压现场实测,基于小波变换分别进行了风压间小波相干和考虑伪相干的小波相干分析,对各测点之间风压的相关性与依据经验公式计算的风速相关性进行了比较。比较结果表明,在低频区域,任意两点脉动风速的相干性高于脉动风压的相干性;反之亦然。     

矩形高层建筑垂直迎风时风场及风振响应实测

在接近垂直迎风情况下对抚顺市内某小区的一矩形高层居民楼采用三维超声风速仪和低频麦克风对楼顶风场和楼房迎风面风压进行实际测量,同时采用加速度传感器对麦克风所在高度处建筑的振动情况进行同步监测。对顺风向脉动风速和脉动风压分析结果表明,建筑顺风向的脉动风速和脉动风压都不符合正态分布,两者偏离趋势、偏离程度并不一致,建筑顶部的顺风向风速谱与von Karman谱符合较好,并且对于高度为80 m左右的矩形建筑,风速不大时,在建筑物迎风面相对高度约0.8处的滞流区,迎风面的脉动风压与脉动风速仍旧符合准定常假设。通过对春季和秋季测得的两次数据进行对比分析发现,尽管两次测量时天气情况及风力级别接近,但秋季风的脉动强度要远大于春季风。楼房两个主轴方向的加速度响应显示楼房发生了扭转现象。     

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。     

利通广场台风特性与风致振动分析

对利通广场实施了在台风“韦森特”影响下的楼顶风速、风向和风致加速度响应的实时同步测试。获取了本次台风影响时此超高层建筑顶部的湍流强度、阵风因子及脉动风速功率谱密度等风场特性。通过对风致加速度的分析,研究了风致加速度的频谱特征、结构自振频率及其振型等相关动力特征,采用随机减量法求得结构第一振型阻尼比与振幅的非线性关系。另一方面,通过对此超高层建筑在无风荷载的环境激励条件下GPS楼顶位移的测试和分析,探讨了GPS多路径效应的形成机制及消除方法。并将GPS位移以及风致加速度获得的结构自振频率,与有限元分析结果进行对比分析,验证了两种测试方法均能有效识别实际结构的自振频率等动力特征。上述实测分析结果可为超高层建筑抗风设计提供参考。     

国家体育场大跨度屋盖结构风场实测研究

通过自主开发的基于无线传感技术的土木工程结构风场实测系统,对国家体育场大跨度屋盖上的风速风向进行了监测,获得了屋盖上的风场实测数据。经过对实测数据的分析,得到了平均风速和风向、阵风系数、湍流度以及脉动风速功率谱等风特性参数,分析结果表明大跨度屋盖上风场与自然来流特性存在较大差别,表现为非高斯特性明显﹑湍流度较大﹑脉动风速功率谱在较高频率处达到峰值﹑空间上不同点脉动特性相关度较弱;本文从实测角度上证明了大跨度屋盖结构不适用准定常假定     

海边坡角可调试验房风荷载现场实测研究

在东海边上海浦东国际机场附近建造了一栋坡角可调的低矮房屋及测风塔,以对海边附近的风场特性及低矮建筑屋盖表面风压特性进行研究。该变坡房最大特点是屋盖坡角可以在0～30°之间自由调节,以便分析坡角变化对屋盖表面风压的影响。本文首先分别对0°、10°及20°屋盖坡角下选取的10分钟风压时程信号进行了分析,并与1:30刚性测压风洞试验相应结果进行了对比,表明屋盖表面平均及脉动风压分布与风洞试验结果吻合较好。其次,对风速、风向角的平稳性及其之间的相关性进行了分析,说明风速与风向角之间耦合作用明显,尤其竖向风向角对风速脉动影响较大,时间滞后为0时两者之间相关系数接近-0.5。最后,对屋盖表面风压信号的非高斯特性进行了研究,发现偏度与峰度之间具有较好的线性关系,并给出了0°、10°及20°屋盖坡角下偏度与峰度的线性拟合公式。     

平面尺寸对矩形高层建筑极值风压影响的研究

为探索平面尺寸对矩形截面高层建筑表面极值风压分布的影响,对长宽比为1～9的建筑进行了风洞测压试验及后续的脉动风压极值分析,研究了正交风向下不同长宽比建筑各表面极值风压的分布特点,并与我国荷载规范的计算值进行了比较,探讨了全风向角下极值风压包络值在各表面的分布状况及随平面尺寸的变化规律。结果表明,平面尺寸对背风面和侧风面影响较显著,总体而言较小长宽比对极值负压更为不利;我国荷载规范对侧风面和背风面围护结构的风压取值存在诸多偏于不安全的情况。考虑全风向最不利状况的极值风压包络值在墙面分布及随不同平面尺寸变化上均呈现更简单的规律,直接基于包络值分布提出的矩形建筑围护结构风压的取值方法,具有既简便又能更好反映实际风压分布及随平面尺寸变化的特点。     

典型形体超高层建筑的风压风场与抗风优化研究

现代建筑的结构高度日益增加,高层建筑截面形式更加多样。近年来,我国出现了许多新型截面形式的超高层建筑,其风荷载的控制是结构风工程领域的研究重点。针对类矩形截面和圆形截面的超高层建筑,基于计算流体动力学方法和ANSYS/FLUENT软件,数值模拟分析不同截面超高层建筑的表面风压分布规律,不同风向角下典型测点的平均风压系数,开展行人高度处风速的比较分析,研究超高层建筑抗风形体优化。结果表明:在超高层建筑转角处,因气流分离的不连续性而出现负风压最大值;风向角对切角矩形截面超高层建筑的风压分布影响显著,当截面切角正对来风方向时,其风压分布最不利;圆形截面超高层建筑负风压量值较小,且利于满足行人风安全性和风舒适性的要求,具有良好的抗风性能。     

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。     

某复杂山体的三维风场特征研究

为获得某复杂山体的三维风场特征,采用基于眼镜蛇测量仪的风洞试验方法进行研究。分析各风向角下水平风加速比和竖向风速占比的分布特征,将典型风向的水平风加速比与各国规范进行比较,最终提出复杂山体三维风场的设计建议。研究表明:山顶在各风向角下均存在显著的水平风加速效应;山腰和山脚在侧风风向存在较显著的水平风加速效应;风洞试验结果与美国规范非常接近,中国规范偏保守;最大竖直向风速发生在山腰位置,其中向上竖向风速发生在迎风方向,向下的竖向风速发生在背风方向;规范中的水平风速只针对迎风情况,并不能考虑全风向尤其是侧风向的来流;建议对重要的山体构筑物采用风洞试验方法获得其三维风场。     

非高斯脉动风压的模拟研究

对于风荷载数值模拟,大多数研究都是假定风荷载为平稳高斯随机过程。然而,在分离流作用的一些局部重要区域,例如建筑物屋盖边缘、屋面转角等,风荷载表现出强烈的非高斯特性。为了能够有效地模拟非高斯脉动风压,本文提出一种模拟非高斯脉动风压的框架。首先,根据风速与风压间的关系,严格推导出脉动风压功率谱密度函数。然后,基于导出的功率谱密度函数、Johnson转换系统和数字滤波理论,提出一种能够快速而有效的生成指定偏度、峰度和功率谱非高斯脉动风压的方法。最后,通过一个一维单变量非高斯脉动风压的模拟算例对该方法的可行性和正确性进行验证。数值结果表明：模拟生成的单样本非高斯脉动风压的统计参数例如偏度和峰度与目标偏度和峰度非常吻合,而且模拟功率谱与目标功率谱两者也吻合得很好。     

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析。结果表明：台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值。两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25。因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应。此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性。     

山地超高层建筑风致响应研究

风在山地地形的干扰下,其幅值和空间分布规律相对平地均会发生较大改变,尤其是山顶处风速有明显增大.如果不考虑山地的影响,仍然用平地边界层风场进行高层建筑维护结构和整体结构计算将偏于不安全.以前对山地风场的研究多限于平均风的变化,而对于脉动风的湍流特征和频域特性较少提及,且缺少山地与平地风场中超高层建筑风致响应计算的对比.本文建立了钟形、高斯形、余弦型几种轴对称三维山体模型,通过数值计算得到了不同山体坡度下山顶平均风加速比.计算结果显示,山顶平均风有较大的增大效应,最大加速比可达1.7,且反函数拟合结果与模拟结果更加吻合.通过与风洞试验结果的对比可见,平均风的数值模拟有较高准确性,湍流与试验相比还有一定差别.通过某超高层建筑的风振响应分析表明,山地风的增大效应对超高层建筑整体响应计算不可忽略,位移响应增大比例最大可达20%.     

Wind pressure features of large-span flat roof in different wind fields induced by conical vortex

The wind pressure features on a large-span flat roof in uniform flow field and turbulent field induced by conical vortex were studied, through wind tunnel tests. From the comparison of the mean and fluctuating wind pressure distributions on a flat roof in different wind fields induced by conical vortex, results indicate that the mean suction dominates in the smooth flow, whereas the fluctuating suction is more obvious in the turbulent flow. The probability density function for the pressure fluctuations under different approaching flows is analyzed. The two-peaked distribution, peculiar to turbulent flow field, is observed on the curve of probability density. The fluctuating pressures at reattachment points are larger under the turbulent flow. This indicates a more intense reattachment, which may cause overturning moment for roof-mounted items. Point vortex, RanKine vortex, and simplified Cook expression are applied to fit the pressure profiles beneath conical vortices, respectively. The results have shown that the RanKine vortex model and simplified Cook expression were applicable to forecast the wind pressure profiles beneath conical vortices, while point vortex underestimated the real wind suction. The wind pressure distributions in turbulent fields induced by different wind angles were contrasted, when the approaching flow is along the diagonal of the roof, the intensity of the vortex pairs is almost equal, with obvious reattachment. When the approaching flow deviate from the diagonal of the roof, the lateral turbulent component spins the vortex more quickly; this induces larger mean suctions beneath windward vortices. Smaller suctions are observed beneath the leeward vortex, due to less vorticity being converted to vortex motion from the freestream.     

某超高层建筑TMD风振控制分析

某超高层建筑总高度492m，风致振动将控制结构的荷载和舒适度。为减小风振响应，提高结构舒适度，拟在第90层设置两个相同调频质量阻尼器。将该超高层建筑简化为14质点多自由度体系，利用高频天平实验结果，在时域内计算了结构在受控与不受控情况下的风振响应，分析了调频质量阻尼器的控制效果，给出了设计方案。     

屋盖结构脉动风压非高斯特性分析的极限流线方法

非高斯脉动风压对围护结构及局部结构构件有较大影响,在设计中应引起足够重视。目前,非高斯风压场的分区研究主要是建立在对实验数据的统计量分析基础上,并非普遍适用,且随机性较强,区内统计特征值亦相差很大,不足以显示不同区域的非高斯程度,故须结合其形成机理加以分析。考虑到在特定风场条件下分离流动及旋涡作用范围具有时均定常的特点,利用稳态数值方法求解的极限流线和粘性流动分离理论的基本结论,结合实验结果分析了典型屋盖结构脉动风压非高斯特性的形成和分布机理。结果表明,极限流线的分布形态与实验统计的偏度及峰态值分布高度相关,可以被很好地应用于风压场非高斯特性的生成及分布机理研究。     

曲壳裙房对球形高层建筑风荷载影响的数值研究

对一球形高层建筑在有和没有曲壳裙房情况下的表面风压分布进行了数值模拟和分析。结果表明,曲壳裙房对主体高层建筑的风荷载有着较显著的影响。裙房缩小了球形建筑迎风面和背风面的正风压区域,最大正风压略有减小;裙房较大程度地提高了球形建筑侧风面和顶面的负风压数值,整体结构的风荷载趋于增大,风压分布趋于不均匀。由于裙房的影响,在球面背风区下侧还观察到了明显的对称涡列。在对不同风向角下的风压分布规律进行分析的基础上,还给出了建筑物在最不利风向角下的最不利剖面上的风压系数分布曲线。