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。     

良态风作用下超高层建筑风压特性现场实测与风洞试验对比研究

在完成武汉国际证券大厦表面风压风洞试验的基础上,进行该超高层建筑在内陆良态风作用下表面风压与顶部风速的现场实测,对比分析两种方法所测得的平均风压系数、均方根风压系数、风压谱、相干函数的差异。结果表明:无量纲化实测风速谱和Karman风速谱比较一致;平均风压系数风洞试验结果和实测结果分布规律基本一致,尤其是迎风面平均风压系数风洞试验结果和实测结果吻合较好;而均方根风压系数实测结果比风洞试验结果明显偏大;风洞试验风速谱较实测风速谱的能量分布偏向于高频段,风洞试验风压谱较实测风压谱能量分布范围更宽、且高频段能量占优;风洞试验各测点相干性整体上大于相应实测测点的相干性,且在高频段差异更为明显。     

L型超高层建筑的幕墙风压特性研究

以台风"山竹"登陆时发生玻璃幕墙破坏的某L型超高层建筑为研究对象,设置单体和现状两种工况进行风洞试验,分析L型超高层建筑的幕墙风压分布特性。结果表明对于平均风压系数,从整体上看,周边建筑对于L型建筑主要呈现遮挡效应。整体对比平均风压系数和峰值风压系数可以看出,峰值风压系数比平均风压系数增大很多,这表明脉动风压对结构呈现放大作用。现状工况下的平均风压系数由单体的正压变为负压,需要在幕墙风压设计时引起注意。     

开洞矩形截面超高层建筑局部风压风洞试验研究

基于一栋立面上有多个开洞的矩形截面超高层建筑的刚性模型表面压力测量风洞试验结果,分析了矩形截面超高层建筑在长边立面上不同开洞工况下建筑各表面平均风压系数和最不利风压系数的变化规律。试验结果表明:当建筑长边迎风时,开洞使得背风面洞口附近的平均风压系数绝对值增大,但迎风面上的平均风压系数变化很小;当建筑短边迎风时,开洞对洞口附近的平均风压系数和最不利正风压系数均只有微弱影响,但对其最不利负风压系数却有很大影响,特别是中部开洞,将使其周围的最不利负风压系数增大一倍以上;开洞对短边立面上的最不利风压系数不产生明显的影响。为有结构开洞的高层建筑洞口附近的围护结构设计提供了参考数据。     

低矮房屋屋面风压特性的实测研究

为准确研究低矮房屋的风载特性,建造了尺寸为6m×4m×4m(长×宽×高)的全尺寸实测房屋,在屋面上设置了46个测点观测在沿海风场下的屋面风压.通过对原型低矮房屋的现场实测,分析了坡度为2%的低矮房屋屋面平均、脉动及峰值风压系数的分布规律,并总结了在不同风场、不同时段屋面体型系数的变化规律.通过与尺寸比为1.5:1:1(长:宽:高)低矮房屋风洞试验数据对比研究,结果表明实测与风洞试验的平均风压系数及体型系数结果基本吻合,验证了风洞试验方法的有效性及可靠性,同时也讨论了两者的差异,得到一些有价值的结论,为今后改进低矮房屋的设计提供依据.     

大比例TTU模型表面风压分布试验研究

采用1∶3大比例模型,通过风洞试验研究了美国德州理工大学（Texas Tech University, TTU）建筑模型表面平均、脉动、峰值风压系数的分布规律,并与实测数据和小比例模型试验数据进行了对比,分析了影响试验结果的部分因素。结果表明：TTU建筑模型典型位置的风压系数试验数据与实测值在整体规律性变化上一致,但试验低估了屋檐、屋角在风向角165°~240°范围内的脉动、峰值风压系数;越靠近屋角流动分离区域测点的风压系数绝对值也越大,最靠近建筑屋面角点的测点峰值风压系数达-16.7;大比例模型屋角、屋檐等区域试验结果更接近于实测值,排除了测点测压管直径不匹配的影响后,考虑到试验中湍流度模拟与实际的差异,大比例模型模拟效果更优;试验样本长度影响峰值风压系数的计算,在屋角区域,长样本峰值风压系数值均相对较大;而离屋角较远时,长样本的峰值风压系数则可能相对较小。     

某超高层建筑风洞测压试验

依据某超高层建筑,着重介绍了风洞试验的方法,描述了在考虑有、无环境建筑影响下,该高层建筑一些典型的表面风压特性以及一些测点风压随风向角的变化规律。结果表明:迎风面中上部风压系数较大,接近1.0;底部部分风压系数达到1.0;侧风面和背风面风压系数大多为负值,特别是靠近角落处由于涡旋脱落,其值可达到-2。环境建筑对该高层建筑表面风压的影响较大,特别在建筑中下部。为其进行结构设计提出一些参考。     

上海铁路南站屋盖表面风压特性试验研究

对上海铁路南站结构模型进行了风洞试验,分析了该结构屋盖表面平均及脉动风压的分布规律,对比了两者的异同并指出造成这种差别的原因,比较了这一大跨度屋盖结构在无周边建筑和有周边建筑情况下屋面的风压分布特性。将极值风压系数与平均风压系数进行了比较,最后分析了屋盖表面测点风压自功率谱及互功率谱的特性。     

湍流边界层中低矮建筑绕流大涡模拟

通过对平板湍流边界层进行大涡模拟,采用拟周期边界条件维持湍流边界层厚度稳定,提取速度和压力时程作为低矮建筑绕流模拟之脉动入流边界条件,研究脉动入流下的低矮建筑绕流特性。研究结果表明：入流边界特性对网格变化适应性良好,其平均速度剖面、湍流强度、流速频谱特性基本符合空旷地貌风场特性;脉动入流下,建筑表面的平均风压系数、脉动风压系数的计算结果与风洞试验结果基本吻合。受雷诺数及湍流强度的影响,流动分离区负压与试验值存在一定差别;屋盖上分离区风压时程具有非高斯概率特性,尤以气流分离较剧烈的屋盖迎风边缘及屋盖两侧风压的非高斯特性明显,该特征与风洞试验基本一致;受非高斯特性的影响,建议峰值因子g取4.5~5.5。     

金茂大厦平均风压及风环境干扰数值风洞模拟

建立了金茂大厦三维数值模拟模型,模拟得到的大厦表面上有代表性点的平均风压系数与风洞试验结果[1]基本吻合。采用雷诺应力模型和SST物理模型,重点研究了周围两幢超高层建筑对金茂大厦静力风干扰的影响,包括底部总剪力、总弯矩(或扭矩)和有代表性点的平均风压系数,最后结合金茂大厦周围风流动的规律,分析了风环境对金茂大厦干扰影响的原因。     

锥形超高层建筑脉动风荷载特性

采用同步测压技术,进行了具有不同锥率的超高层建筑刚性模型风洞试验,对该类建筑物的脉动风荷载特性进行了研究。结果表明：超高层建筑采用锥形轮廓后,延长了来流在建筑物侧风面漩涡脱落的卓越频率,横风向升力系数功率谱谱峰小幅下降,有利于缓解风荷载作用下建筑物横风向风荷载及其风致效应,这对横向风风致效应起控制性作用的超高层建筑十分重要。对比分析表明：随着建筑物锥率的增加,横风向升力系数归一化功率谱谱峰下降,功率谱带宽增大,升力系数根方差减小。但是,超高层建筑锥率的变化对顺风向阻力及扭转向扭矩影响较小。锥形超高层建筑的相关系数、相干函数的变化规律与普通棱柱形超高层建筑基本一致,但其升力以及升力与扭矩之间的相关性有所减弱,相干系数小幅增加。     

矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩的数学模型

利用风洞试验结果,对矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩数学模型进行研究。以厚宽比和风场类别为基本变量,采用最小二乘法得到了风致脉动扭矩系数根方差、功率谱密度、竖向相关性系数以及横风向基底弯矩-基底扭矩相干函数闭合计算公式。这些公式的计算结果与原始试验数据吻合较好,说明计算公式具有较高精度。此外,利用结构随机振动方法,用提出的公式以及直接采用试验风压数据计算一栋实际超高层建筑的扭转动力响应,对比了扭转广义力谱、顶层扭转响应谱以及扭转响应根方差等计算结果,对比结果表明两者吻合较好,从而验证了公式的适用性。     

局部受损低矮房屋平均风压特性试验研究

通过风洞试验对村镇地区常见的带有硬山搁檩的双坡屋面风压规律进行研究,讨论了房屋在完全封闭、门窗洞口打开以及屋面开洞三种情况下的屋面外部、内部平均风压系数在不同方向角下的分布特性。试验结果表明:硬山搁檩双坡屋面在风向角为50°,60°时,外屋面角部易破坏;屋檐下部的风压系数随屋面坡度的改变而改变;门窗开洞时内屋面风压会加大屋面荷载;屋面开洞对降低屋面风荷载起到有利作用。     

球面壳体表面风压分布特性风洞试验研究

球面壳体是工程中一种常用的屋面结构形式。本文通过刚性模型风洞试验,对不同场地类别下球面壳体表面风压分布进行了同步测量。根据测到的同步风压分布数据,对壳体表面风压场特性进行了分析,包括平均风压系数及脉动风压系数分布、脉动风压的自功率谱及互功率谱分布、风压场的本征正交分解特性、雷诺数对壳体表面风压分布的影响等。结果表明,球面壳体模型表面风压分布受雷诺数的影响明显,且模型的曲面特性使得由风场本征正交分解得到的前几阶特征模态对整个风压分布的贡献增大。该研究为这类结构在抗风分析中风荷载的确定及数值模拟提供试验依据。     

近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

开合屋盖体育场风荷载特性试验研究

建筑立墙迎风面开孔时内部风压随开口处外压变化显著,使得屋盖所受净压显著增大,其测量值往往大于规范取值。而对于屋盖顶部开孔的建筑,其内部风荷载我国规范没有相应取值。为了进行开合屋盖结构设计和探讨屋盖顶部开孔对屋盖风荷载变化的影响,以1∶300的几何缩尺比制作了一个开合屋顶体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场固定、活动屋盖的上、下表面进行了风洞测压试验,得到了屋盖上、下表面的体型系数、平均风压系数、脉动风压系数和极值风压系数。试验结果表明：活动屋盖的开启,可有效减小固定屋盖和活动屋盖的平均风荷载,引发整个结构承受向下的风荷载;活动屋盖开启将增大固定屋盖和活动屋盖的净脉动风荷载;活动屋盖开启将减小固定屋盖和活动屋盖的极小值风荷载,且固定屋盖上的最大极小值风压系数的位置往屋顶开口方向移动。     

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。     

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。