矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩的基本特征

利用刚性模型的同步测压风洞试验,研究了矩形截面超高层建筑脉动扭矩的基本特征。研究内容包括扭矩系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性以及横风向脉动风力-扭矩相干函数,另外还考察了厚宽比和风场类别这两个参数对脉动扭矩的影响。研究结果表明,脉动扭矩系数随高度增加递减,随厚宽比增加而增加;脉动扭矩谱具有两个谱峰,谱峰形状随厚宽比改变发生很大变化;相对横风向风力,扭矩的竖向相关系数随距离衰减更快;脉动扭矩与横风向风力具有较强的相关性。     

Y形截面超高层建筑结构风致响应研究

对某Y形截面超高层建筑进行高频天平测力风洞试验,研究该建筑在单体和群体工况下的结构风致响应.结果表明:单体工况与群体工况下该建筑基底弯矩、等效静风荷载、楼层剪力和等效体形系数的变化规律基本一致;单体工况下该建筑的基底弯矩极大值及各楼层剪力均大于群体工况下的结果,但2种工况下的等效静风荷载分布较接近;除塔冠外,按规范计算...     

矩形超高层建筑归一化横风向脉动风荷载谱模型

为研究超高层建筑横风向脉动风荷载谱特性,在B、D两类紊流风场中开展了不同长宽比矩形刚性模型测压试验。结果表明：横风向脉动风荷载特性主要受紊流风场、气动外形和旋涡脱落等因素影响,矩形柱截面的长宽比变化将影响功率谱幅值及能量分布。当矩形柱截面长宽比小于3时,横风向脉动风荷载谱特性主要受旋涡脱落控制,但当长宽比超过3后,矩形柱侧面分离再附流动的影响逐渐加强,具体表现在：功率谱峰值减小、带宽增大及高频区出现较小谱峰。根据风洞试验结果和矩形柱横风向脉动风荷载谱特性,提出了归一化横风向脉动风荷载谱模型,该经验公式物理意义明确、形式简洁,有一定的工程参考意义。     

超高层建筑三维风致响应时程分析

进行了某复杂体形超高层建筑顺风向、横风向及扭转风致振动时程分析,用每层质量集中于楼板并视之为刚片的高层建筑层间结构模型代替精细有限元模型。计算结果显示结构位移响应以1阶模态响应为主,该模型代替精确有限元模型能够满足工程计算需要;对于质量中心和刚度中心重合的结构,扭转加速度响应在合加速度响应中占有的比例较小。     

偏转风场下方形截面超高层建筑风致响应与气弹效应研究

超高层建筑具有轻质高柔的特点,强风作用下其气弹效应明显;且水平风向角沿高度偏转,导致超高层建筑的风荷载和风致响应与不考虑风向偏转时有明显不同。为此,完成了风向偏转角为25°的偏转风场及其无偏等效风场下一方形截面千米级超高层建筑的气弹模型试验,基于试验所得的模型顶点加速度时程,结合Hilbert-Huang变换方法和改进的随机减量法识别了气动阻尼比,对比分析了风向角、折减风速和有无风向偏转对气动阻尼比、极值加速度、涡激共振临界风速和锁定区的影响规律,探究了偏转风作用下千米级超高层建筑的风致响应、气弹效应和涡激振动等特性。研究结果表明：风向角对气动阻尼比和极值加速度影响较大,会显著改变其变化规律和涡激共振临界风速;基于频域分析所得的涡激共振临界风速小于由气动阻尼比或极值加速度确定的涡激共振临界风速,表明后者所反映的涡激共振特性具有滞后性,将导致结构不安全;相比无偏等效风作用,偏转风作用下水平向气动阻尼比较大,结构的顶点极值加速度较小,角部极值加速度的最大降幅可达38.3%。     

矩形截面超高层建筑风荷载体型系数试验研究

试验分析了7种不同宽深比情况下矩形截面高层建筑风荷载体型系数,并与现行荷载规范对比,结果显示随着截面宽深比的变化,矩形截面高层建筑风荷载体型系数发生比较显著的变化。在截面宽深比为1．5时,建筑整体体型系数为1．47,超过荷载规范建议值,在建筑结构设计过程中应该引起足够的重视。本文通过回归分析,得出矩形截面高层建筑风荷载体型系数随着其截面宽深比变化的经验公式,可供参考。     

矩形截面钢筋砼拉扭构件的开裂扭矩和极限扭矩分析

本文依据８根拉扭构件和３根作为对比的纯扭构件的试验结果，分析了轴拉力对拉扭构件开裂扭矩、裂缝倾角和极限据矩的影响规律。按最大主应力理论导出了开裂扭矩的计算公式；按变角空间桁架模型推导了极限扭矩的计算公式。公式概念明确，计算简便，与试验结果吻合良好。     

超高层建筑结构抗风性能研究

针对按规范公式计算得到的超高层建筑结构风致振动不尽合理的问题,以西安环球贸易中心超高层建筑为工程背景,首先通过风洞试验测得各楼层的风荷载,再利用ANSYS参数化设计语言编制了能够精确求解超高层建筑风振系数及等效静风荷载的程序,进而对超高层建筑的抗风性能进行研究。结果表明:当风向角接近90°时,结构中部出现了极值位移风振系数,且其迎风面顺风向的变形和内力都达到了最大值,横风向的变形和内力则最小;当风向角为20°~70°时,位移风振系数随着楼层的增高而增加,其峰值出现在顶层;随着风向角的变化,结构扭转加速度峰值在各区间都是先减小后增大,特别是风向角呈45°左右时,结构扭转变形和基底扭矩达到了最大值;提出的将风洞试验与有限元分析相结合的新方法可为同类工程的抗风设计提供参考。     

某超高层建筑大截面大跨度屋顶钢梁高空安装施工的可行性分析

以广州市珠江新城某超高层建筑为实例,其塔楼楼顶59层以上钢结构仅剩框架四角异形钢柱及屋顶钢梁,本文主要对该屋顶钢梁安装施工进行可行性分析,包括吊装工况、临时支撑措施、焊接及施工安全保障的分析等,为今后超高层建筑类似情况下的施工提供借鉴参考。     

典型超高层建筑风荷载频域特性研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行了测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转风荷载,对风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数进行了细致分析。得出以下结论:方形建筑阻力系数谱的峰值频率基本上与来流纵向风谱保持一致,升力系数谱的频带随着地面粗糙度的增大而变宽,能量减小,扭矩系数功率谱的能量随紊流度的增加而增加;矩形建筑长边迎风时,升力和扭矩系数谱均表现出很强的旋涡脱落特征,斯特罗哈数约为0.11,短边迎风时,升力和扭矩系数谱的频带明显变宽,峰值频率降低;升力和扭矩系数的相关性比较强,而阻力系数和升力系数、扭矩系数之间的相关性则相对小些;在旋涡脱落频率附近,升力系数和扭矩系数的相干性都明显增强。     

典型超高层建筑风荷载幅值特性研究

本文对10个典型的超高层建筑刚性模型进行了测量表面风压的风洞试验,获得了各测量层的阻力、升力和扭矩系数的平均值和根方差。讨论了各测量层风荷载系数随风向角的变化规律,以及高宽比和断面长宽比对方形及矩形建筑风荷载的影响。结果表明,倒角方形、Y形和三角形建筑的风荷载均小于方形与矩形建筑;方形建筑高宽比的增大导致升力系数的根方差明显增大;矩形建筑断面长宽比的增大则使阻力系数的平均值、根方差减少,而升力系数的根方差增大;D类和B类风场中的平均气动力系数相近,而D类风场中脉动气动力系数的根方差大于B类风场。     

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。     

超高层建筑上实施风力发电可行性研究

珠江城商务写字楼高309.6m,在大楼中上部建造4个风洞(吸风口)并安装有4个风能发电机进行风能发电。通过大比例尺(1∶150)模型的风洞试验,研究吸风口内风速放大效应;利用全尺寸CFD数值模拟评估在3年重现期风速下风机运行及气流流经吸风口引起的噪声影响;通过CFD数值模拟获得来流为40m/s时风机切入绕流的风荷载,建立风机及其上下8个楼层范围内的结构有限元模型,并将CFD数值模拟获得的风荷载作为输入荷载评估了风机运行时对其连接的上下两个楼层振动的影响。研究结果表明:①建筑外形及吸风口的喇叭口形状对气流具有明显的加速作用;②受到周边建筑的干扰作用,出现明显的"峡谷风效应",有周边工况下吸风口的风速放大效应出现在2号吸风口(tunnel-2);③在绝大多数情况下,4个吸风口均能达到风机运行时所需的风速要求,风力发电基本能够正常运行;④在3年重现期风速下,风机运行及气流流经吸风口产生的噪声小于50分贝,满足城市2类地区的噪声限制要求;⑤在吸风口处的来流风速为40m/s情况下,风机运行产生的振动较小,满足高层建筑对结构振动舒适度的要求;⑥在超高层建筑上实施风力发电是可行的,乃利用可再生能源的一种创新策略。     

强风作用下楔形外形超高层建筑横风效应试验研究

对正方形平面沿高度方向逐渐收缩的楔形外形超高层建筑进行同步测压试验,分析不同高度横风向气动荷载功率谱密度、相干特征、结构基底气动弯矩和相应的风振响应,在此基础上进一步考虑切角对结构气动荷载和响应的影响。研究结果表明：采用锥形外形可有效地消减作用于结构上的横风向气动荷载,并在一定条件下消减结构的风振响应;楔形外形可以抑制漩涡脱落的强度,但不能消除结构的漩涡脱落现象,且会升高结构的漩涡脱落频率并进而升高结构的风致响应;在楔形外形的基础上再进行切角处理可以基本消除结构的横风向漩涡脱落现象;经切角处理后,楔形外形结构的横风向风致峰值基底弯矩在结构1阶模态自振周期6.12~14.28 s范围内基本保持不变;对于锥度η为2.2%和 4.4%的高层建筑,切角处理后其100年重现期的峰值基底弯矩分别比未切角减少31.13%和14.58%。     

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。     

脉动风作用下结构基本模态的定义和识别

顾名思义,基本模态应该是结构所有模态中最重要的一阶模态,在动力响应分析中具有不可或缺的作用.传统习惯将第一阶模态作为基本模态,这对于风振响应分析是不恰当的.本文通过对模态应变能公式进行定性分析,归纳出脉动风作用下模态应变能最大的那阶模态的振型所具有的基本特征,并将这阶模态定义为结构在脉动风作用下的基本模态.按照这个定义,脉动风作用下高层、高耸结构的基本模态位于第一阶,这与传统定义相同;而对于平均风荷载全为吸力的小矢跨比穹顶结构,脉动风作用下基本模态位于高阶.脉动风空间相关性的强弱对这两种类型结构的影响正好相反.算例分析表明,模态贡献系数可以准确地识别出基本模态在模态序列中的阶次.     

台风 “鲇鱼”作用下厦门沿海某超高层建筑的风场和风压特性实测研究

为研究我国沿海地区超高层建筑的风场和风压特性,在2010年台风“鲇鱼”登陆前后对厦门沿海某超高层建筑的风场和建筑表面风压进行了同步监测。通过对实测风场和风压数据的深入分析表明：沿海地区超高层建筑风场的湍流度随风速增大变化平稳,阵风因子随湍流度的增大而增大;实测脉动风速功率谱密度与von Karman谱吻合较好;建筑各面内测点之间的瞬时风压、平均风压、平均风压系数和极值风压系数具有较强的相关性;实测平均风压和平均风压系数在迎风面较大,在背风面非常小;当风从角部吹向建筑时,随着风向角的变化,两迎风面的平均风压系数随着平均风速的增大变化规律相反;两背风面的平均风压系数随着平均风速的增大逐渐减小;迎风面的极值风压系数随着风向角的变化正负波动较大,背风面的极值风压系数分布较为均匀;迎风面的脉动风压系数较大且变化较大,背风面的脉动风压系数非常小且变化平稳;建筑各面的极值风压系数和脉动风压系数的幅值随着风速的增大逐渐减小。     

高层建筑标准模型脉动风压特性大涡模拟适用方法研究

为提高钝体建筑结构绕流模拟结果的精度,基于两种大涡模拟(large eddy simulation, LES)入口湍流生成方法,分别为NSRFG（narrow band synthesis random flow generation）方法和CDRFG（consistent discretizing random flow generation）方法,进行CAARC(commonwealth advisory aeronautical research concil)高层建筑标准模型绕流的数值模拟比较研究。以风洞试验结果为参照,在对大气边界层湍流风场进行模拟验证的基础上,详细对比分析采用上述两种方法模拟得到的建筑表面平均和脉动风压系数、绕流场湍流结构、风压系数概率密度分布特性等的差异,并着重从脉动风压非高斯特性角度进行探讨,检验采用上述两种方法模拟钝体建筑结构绕流的适用性和准确性。结果显示：在受来流直接作用的建筑迎风面,采用两种方法模拟的脉动风压基本都符合高斯特性;而在受分离流和尾流作用的侧风面和背风面,采用NSRFG方法能更好地反映建筑表面脉动风压的非高斯特性。极值风压分析表明,为了满足99.38%的保证率,CAARC标准模型迎风面极大与极小峰值因子需分别取为3.0和2.5,侧风面和背风面极大和极小峰值因子需分别取为2.5和4.0。