某高层多塔连体结构风荷载体型系数研究

以珠海某高层多塔连体结构工程为例，研究高位连接复杂多塔结构表面的风压特征与体型系数分布，为此类结构的抗风设计提供计算依据，保障结构安全。采用CFD方法对高层多塔连体结构及周围干扰建筑进行数值风洞模拟，分析不同风向角工况下结构主表面及局部构造处的体形系数，并与物理风洞试验结果以及规范值进行比较。结构迎风面的体型系数一般呈现中间大两边小的分布，多塔楼之间存在互相干扰作用；裙房处可能存在体型系数绝对值较大的情况，斜向气流在相邻表面易形成较大风压；相比于物理风洞试验结果，数值风洞模拟的结果与荷载规范值更为接近，且分布相对更为均匀；不规则高位连接体凹面处会产生较大的体型系数，但对整体结构的体型系数影响有限。在抗风设计过程中，多塔楼间的干扰作用及不规则高位连接体的影响应予以考虑。     

外凸式矩形高层建筑风压研究

针对外凸式矩形高层建筑结构外形复杂且其风荷载值无法通过建筑荷载规范直接获得的情况,以丝绸之路世界贸易中心外凸式矩形高层建筑为研究对象,通过风洞试验获得其风荷载值,并与规范给出的矩形结构体型系数进行对比,总结外凸式矩形建筑结构风荷载规律。基于Fluent软件,选用不同湍流模型,对外凸式矩形高层建筑进行数值模拟,并将计算结果与风洞试验结果进行比较,验证数值模拟方法的可行性。结果表明:该高层建筑迎风面的体型系数与规范接近; 背风面底部区域的体型系数比规范值大约70%,其他区域与规范值接近; 侧面体型系数均大于规范值,且最大负压出现在侧面; 对于外凸式矩形高层建筑结构,外凸结构风压较相邻区域增大,凹进结构的风压较相邻区域减小; 体型系数沿高度方向变化较大,凸出结构为迎风面时,其下方相邻区域体型系数比规范值小近50%; 数值计算结果与试验数据整体趋势基本一致; Realizable k-ε模型的数值模拟结果要优于Standard k-ε模型; 对于矩形高层建筑,凸出结构为迎风面时,其相邻上部区域和背风面下部区域风荷载不仅受凸出结构的影响,而且还受到凸出结构宽度的影响,其对体型系数的影响幅度为±20%之间。     

长宽比对矩形截面高层建筑表面风压分布的影响研究

为了研究长宽比对矩形截面高层建筑表面风压分布的影响,进行7个长宽比建筑的风洞试验,分析长边和短边正迎风时各立面的风压分布,从短边正迎风时侧风面的风压分布研究气流的分离和再附,计算得到面体型系数,并将面体型系数与荷载规范值进行比较。研究表明:短边正迎风时,迎风面的风压分布与长宽比无关,背风面风压比较均匀,长宽比越大负平均风压系数绝对值越小;当长宽比大于4∶1时,侧风面负风压绝对值由大变小再变大,气流发生分离、附着、再分离。试验获得的迎风面体型系数随着深宽比的增大而增大,背风面体型系数随深宽比的分布总体上与荷载规范一致。     

覆面鱼鳞化和气动干扰下的烟囱风荷载和风振响应

烟囱的风致效应是设计中不可忽略的控制因素之一。位于武汉市的某矩形截面烟囱(高约100 m)采用鱼鳞状覆面装饰,既可以起到装饰的效果,也可能会抑制其风荷载,此外,邻近的厂房(高约50 m)也会对烟囱产生显著的气动干扰效应。因此,以刚性模型测压风洞试验为手段,对其风荷载(体型系数)和风振响应(等效静力风荷载)进行研究。研究表明：烟囱覆面的鱼鳞状处理可以明显减小矩形烟囱的迎风面风荷载(体型系数)和横向漩涡脱落效应;临近厂房对烟囱的气动干扰效应非常明显：位于上游时使烟囱迎风面的正压变成负压,位于下游时使烟囱一侧侧风面的负压变成正压,位于一侧时使烟囱靠近的侧风面的负压值变大,甚至因受到厂房的分离流和漩涡脱落的影响使迎风面变成了负压;基于CQC-反演法的顺风向等效静力风荷载与GB 5009—2012《建筑结构荷载规范》的方法较接近,而横风向和扭转等效静力风荷载则差别较大。     

非对称连体双塔高层建筑的风荷载分布特征风洞试验研究

以某近距离非对称连体双塔高层建筑为研究对象,基于刚性模型表面测压风洞试验,得到两个单塔楼的平均风压系数分布,并计算得到双塔楼局部、整体体型系数和平均整体体型系数,以此为基础研究了双塔楼结构的风荷载分布及其相互之间的干扰效应。结果表明:由于相邻塔楼和连体结构的干扰,塔楼局部迎风面出现负压,背风面出现正压;干扰效应对X向风荷载影响更为明显,双塔楼平均整体体型系数未超出规范要求,按规范设计偏于安全;中间连体由于"狭缝效应"Y向体型系数比较大,应加强风荷载设计。     

风致内外压下圆弧形落地大跨屋盖结构风荷载特性

对某墙面开洞的圆弧形落地大跨钢屋盖机场航站楼风荷载特性进行了风洞试验研究;基于计算流体力学软件FIUENT 6.3,采用RNG ?κ-ε?湍流模型对墙面开洞屋盖结构的内外表面平均风压系数分布、分区净体型系数、风速矢量以及风场流迹线等风荷载特性进行了系统研究,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行比较分析。结果表明:数值模拟的净体型系数和平均风压系数分布规律与试验结果吻合良好;墙面洞口全开的情况下,由于迎风洞口与背风洞口处压力差的作用,屋盖内表面风压均表现为风吸力,风压分布亦受到洞口的影响;墙面洞口对屋盖上表面平均风压系数分布影响较小;屋盖迎风挑檐区域受到风荷载下顶上吸的叠加作用,最大净体型系数达-2.83。     

新荷载规范下高耸结构风振系数计算探讨

由于新版建筑结构荷载规范对顺风向风振系数作出了较大修改,本文对高耸结构设计规范中的相应问题进行了研究。首先,总结了新荷载规范对顺风向风振系数的修改要点,比较了新的风振系数表达式与原表达式之间的异同,分析了新规范共振响应因子R、背景响应因子B_z与旧规范脉动增大系数ξ、脉动影响系数v之间的关系。其次,通过数值计算研究了新荷载规范下高耸结构风振系数相关参数取值所受到的影响。然后,探讨外形不规则的高耸结构风振系数的计算。最后,提出了与新荷载规范形式相协调的高耸结构风振系数表达式,编制了相应参数的计算表格,并通过实例计算和时程分析进行了验证。     

气动外形对高层建筑风荷载的影响研究

针对我国现行建筑结构荷载规范规定的削角和凹角两种角沿修正形式,进行了7种截面形式高层建筑模型的风洞测压试验。定义角沿修正比为单个角沿沿主轴方向投影长度与全截面在同一方向投影长度之比,分析了角沿修正比对建筑风荷载的影响。试验结果表明:截面采用角沿修正是减小矩形截面建筑顺风向和横风向风荷载的有效方式;截面采用角沿修正比为10%的凹角修正时,建筑顺风向风力系数平均值和均方根值降低最多;截面采用角沿修正比为20%的凹角修正时,横风向风力系数均方根值降低最多;从频域来看,角沿修正对顺风向风力功率谱影响不大,而随着角沿修正比的增大,横风向风力功率谱谱峰对应的折算频率将向高频部分移动。     

装饰条干扰下超高层建筑表面风压系数及风荷载体型系数研究

为解决因幕墙装饰条对超高层建筑外表面风压分布造成干扰使其分布不均衡导致的装饰条掉落问题,基于Davenport脉动风速功率谱及拟合函数、LES湍流模型和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)的推荐计算公式,利用计算流体动力学方法对装配不同型号装饰条的超高层建筑进行三维风场流体模拟。研究了超高层建筑及装饰条自身表面的风压分布特征和装饰条风荷载体型系数随其横截面体型特征及布置间距变化的规律。结果表明：超高层建筑外表面平直区域风压极值增高,拐角过渡区域风压极值降低,配置装饰条能够改善建筑表面拐角区域风压突变现象;当装饰条横截面为矩形时,其正侧表面的风荷载体型系数随截面高度增大而增大,横截面为梯形时,其侧表面的风荷载体型系数随下底的减小而减小,风荷载体型系数随装饰条间距变化的趋势不明显。     

带馈线桁架塔体型系数数值模拟研究

目前工程设计中对于带馈线桁架塔风荷载的计算方法主要是先各自单独考虑馈线和塔架体型系数,然后进行简单的线性叠加得到的。本文通过CFD数值模拟方法研究在塔架干扰作用下对于多种不同挡风系数的馈线面体型系数的影响,并与我国现行《建筑结构荷载规范》和《日本荷载规范》进行比较,结果表明:馈线在塔架影响下的体型系数大于中国规范值而小于日本规范值,我国荷载规范值位于下限,这对于塔架结构的设计会产生不利影响,分析结果对工程设计有参考价值。     

不同长宽比高层建筑沿高度分布的风荷载

针对7种长宽比高层建筑进行刚性模型测压风洞试验,研究层阻力系数和层体型系数沿高度的分布特征,拟合获得层阻力系数和角度风分配系数公式,给出高层建筑x和y方向风荷载的计算公式,最后与各国规范的风荷载进行对比。研究表明迎风面的层阻力系数沿高度呈7字形分布,最大值出现在0.81～0.93建筑物高度;建筑顶部的层阻力系数较小,主要是受三维流效应影响;提出不考虑风振的矩形截面高层建筑风荷载沿高度分布的计算公式,该公式考虑了风向角、长宽比和地貌的影响,通过2520组试验数据验证了公式的有效性;各国规范迎风面风荷载沿高度呈指数或者对数变化,风洞试验值在顶部风荷载较小;背风面风荷载除GB规范呈指数分布以外,其他各国规范均沿高度不变,试验值沿高度基本不变;GB、ASCE和AIJ规范的整体风荷载和试验值比较接近,NBCC规范数值略小,而EN规范数值较大。     

超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究

为避免中国现行《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中所采用的风振系数仅考虑结构的1阶振型,而不考虑周围环境影响对体型不规则超高层建筑结构抗风设计造成的不合理性,采用风洞试验与风振动力响应计算分析相结合的方法,考虑结构不规则的影响以及相邻建筑的气动干扰和横风效应来获得超高层建筑结构抗风设计所需的顺风向和横风向的等效静风荷载和风致动力响应。结果表明：由于周围建筑的干扰,顺风向、横风向的风荷载规律与一般超高层建筑不同,其不利角度也与规范存在差异;所得结论为超高层建筑结构的抗风设计提供了依据和参考。     

基于CFD不同湍流模型的超高层连体结构风荷载和流场对比研究

超高层三塔连体建筑的主塔由于两子塔和裙楼的干扰效应,其风荷载的确定相比单个超高层建筑更加复杂。本文主要基于CFD方法,采用了标准κ-ε、RNGκ-ε、SSTκ-ω、大涡模拟(LES)四种不同的湍流模型对某超高层三塔连体建筑进行了不同风向角下的数值模拟计算,并与风洞试验数据作对比,验证了数值模拟的有效性。结果表明:不同湍流模型对该三塔连体建筑上游影响并不明显,κ-ε和SSTκ-ω模型计算结果较为接近,尾流呈现对称分布,而RNGκ-ε和LES结果较为接近,尾流呈现非对称涡状分布;不同湍流模型计算得到的迎风面风压值大致相同,背风面和侧风面风压系数值有一定波动;主塔迎风面风压极大值出现在塔高2/3高度左右,两侧同一高度处出现极大值,且与风洞实验规律一致,屋顶棱角尖锐部位压力线较密集;整体体型系数的取值需要考虑主塔两侧的子塔遮挡效应。     

太阳能跟踪器光伏面板风荷载体型系数的数值模拟研究

风荷载对太阳能跟踪器结构的稳定性以及跟踪的精确性有很大的影响。首先对各国可用于光伏支架风荷载计算的规范及经验公式进行介绍,然后通过CFD数值风洞对太阳能跟踪器光伏面板简化模型的风荷载体型系数进行了模拟,并把所得到的结果与相应的各国规范及经验公式进行了对比。分析结果表明,在各风向角下,随着光伏面板仰角的增加,其体型系数的均值会不断增大;仰角同为30°的平板与抛物面板的体型系数有较大的差异;ASCE7-10规范不能很好地适用于光伏面板风荷载计算;使用我国规范进行光伏支架设计偏保守,用钢量偏大。根据数值模拟分析以及与不同规范对比分析,提出了适用于现阶段我国太阳能跟踪器光伏面板风荷载体型系数取值的方法。     

天津生态城图书馆屋面及立面体型系数研究

天津生态城图书馆建筑方案的屋面为连续弯折坡屋面,立面非正多边形,屋面、立面的局部区域均为开敞.此情况下,设计时无法按照《建筑结构荷载规范》找到相应形式下的风荷载体型系数.由于该建筑建设位置临近海边,周边地势平坦无遮挡,风速较市区大,故而应谨慎考虑结构所受风荷载.本文采用数值模拟方法计算屋面和立面的风荷载体型系数,确保主...     

考虑风场干扰的喇叭形悬挑钢结构设计风荷载

为获得喇叭形悬挑钢结构的设计风荷载值,考虑临近建筑的风场干扰效应进行了数值风洞模拟。文章通过建立完整的风环境模型,采用非线性k-ε-EARSM湍流模型开展了数值风洞模拟,研究了流场特征、风压系数和不同风向角下建筑表面的风压及风荷载合力的变化规律。研究表明:在最不利风向角的迎风面上,结构悬挑部位内表面的风压系数在2.0左右,且结构受到明显的竖向升力作用;在其他风向角下,受周边建筑风场干扰影响,结构内外表面风压大都呈现相互抵消趋势。计算结果为风压系数,结合相关规范,为设计提供参考意见。     

某发电厂景观烟囱的风载体型系数研究

基于Fluent软件,采用标准k-ε模型、修正的k-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)对某发电厂景观烟囱的风载体型系数进行了数值模拟。研究了两种网格密度、三种湍流模型、五种风向角下烟囱各区域的整体体型系数和典型测点体型系数分布,比较了光滑模型和实际模型的体型系数差异。分析表明,RSM模型能获得与我国荷载规范最为接近的结果,验证了数值模拟的可行性;装饰条的设置推后了实际模型圆型截面的分离并改变了背风面的流场,从而极大地增大了其整体体型系数,降低了体型系数的负峰值。最后给出了各区域的顺风向整体体型系数取值和测点层体型系数的极值点,为该烟囱的设计提供了参考。     

奥运网球中心赛场风荷载和风环境数值模拟分析

奥林匹克公园网球中心10000座中心赛场体型为花瓣型,12个结构单元(花瓣)间有较大开洞。开洞体型对风荷载非常敏感,迎风看台锥面的导风作用以及大开洞的穿透性,使得网球中心赛场的看台、罩棚的风压分布以及场内风环境明显不同于常规体育场。采用计算流体力学方法对该结构进行了风荷载和风环境的数值模拟分析,计算所得的风压系数与风洞试验吻合较好。同时,比较了封闭式看台和开洞型看台的风场特性,讨论了罩棚仰角对风场的影响,对赛场内的风速比、流场特性等可能影响网球比赛的因素进行了模拟和评价。     

基于CFD的某仿古木塔风压分布研究

随着计算机技术的发展,CFD模拟分析成为研究复杂建筑体型风压分布的方法之一。本文采用计算流体力学软件FLUENT中的RNG k-ε湍流模型研究了某传统楼阁式仿古高层纯木佛塔具有代表性的4种风向角下的风压分布,并与现行《建筑结构荷载规范》(GB50009)中的相关风压体型系数进行了对比分析。研究结果表明,在0°风向下,该仿古木塔受到最大的风荷载作用;在0°和45。风向下,该结构各楼层层间墙面带和檐顶带的风压体型系数均与规范中的常数取值不同,而是随着楼层呈现出一定的变化。同时,给出了整个仿古木塔最大负风压的分布范围和大小。研究结论对该类结构风荷载的计算具有一定的参考价值。     

不同圆角率下矩形高层建筑风荷载特性

通过刚性模型风洞测压试验,对4种不同圆角率（即圆角半径与模型短边迎风宽度之比分别为0、5%、10%和20%）的矩形截面高层建筑表面风荷载特性进行研究。对比了不同圆角率下建筑表面的风压分布与相关特性：圆角处理使得建筑迎风面边缘倒圆角处出现较大平均风压、极值风吸力和脉动风压;在侧风面上,平均与脉动风压梯度变化范围随圆角率的增大而逐渐减小,且横向相关性明显增强。分析了建筑顺风向与横风向的整体风力,圆角处理通过促进再附着从而减小尾流宽度,可降低高层建筑的顺风向阻力和倾覆弯矩,降幅随着圆角半径的增大而提升,同时,横风向升力和倾覆弯矩也将有所下降。