基于大涡模拟的超高层双塔建筑风荷载特性研究

随着建筑技术和建筑材料的不断发展,出现了越来越多的超高层建筑,其中有些是双塔形式的建筑。风荷载是这类结构重要的控制荷载,双塔建筑之间风荷载的干扰作用复杂,GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》没有作出明确的规定。要对建筑进行精细化分析,必须详细了解其风荷载特性。基于风洞试验和数值风洞模拟,对双塔建筑的风荷载特性进行研究。利用谐波合成法得到数值风洞的入口脉动风速,基于大涡模拟得到双塔建筑的阻力系数、升力系数、风荷载功率谱及双塔之间的干扰作用,并将计算结果与刚性模型测压试验的结果进行对比,各工况结果吻合良好。     

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。     

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。     

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。     

复杂周边非对称双塔高层建筑风荷载研究

以处在复杂周边环境中的非对称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,得到了两个单塔楼的风压时程数据,并计算得到了双塔楼各测点的平均风压系数,以此为基础研究了双塔楼结构的风荷载分布及其风压相关性。结果表明,复杂周边环境会导致A、B塔楼迎风面平均风压系数减小30%至50%,且B塔楼对A塔楼的影响更大,导致A塔楼迎风面在B塔楼高度范围内的平均风压系数出现较大的负值,在高度范围外平均风压系数减小50%。B塔楼还会导致A塔楼迎风面的水平相关性系数出现负值。在设计过程中需要注意迎风面出现负压的情况。     

超高层建筑风荷载数值模拟研究

针对某超高层建筑,采用流体动力学计算软件对其弹性模型的风荷载进行了数值模拟,选用剪切应力输运模型SST对建筑周围的风场进行了模拟,得出了流固耦合条件下该建筑表面的风压分布以及风压时程数据,最终得出该建筑物的位移时程曲线。     

超高层建筑风荷载的试验研究

超高层建筑的风致振动是结构设计的主要控制因素之一。但目前对横风向风荷载的研究远不能满足工程应用和规范制定的需要。本文应用高频动态测力天平技术,对常见的１３种典型断面的超高层建筑模型进行了不同风场条件下的风洞试验,研究了其风荷载,特别是横风向风荷载。结果表明,外形和风场对风荷载有很大的影响,而长细比对无量纲风荷载的影响甚微。本文最后给出的一阶横风向广义风力系数谱的拟合公式,可供规范修订参考。     

设置透风孔的超高层建筑风荷载特性

采用同步测压技术,进行设置透风孔的超高层建筑刚性模型风洞试验,对该类建筑物的风荷载特征进行研究。结果表明:孔洞附近,顺风向阻力表现出一定涡激力特性,横风向升力功率谱的谱峰下降幅度较大,阻力与升力系数的根方差均减小,但扭转向扭矩系数根方差的减小幅度有限。受孔洞影响的区域,阻力系数与扭矩系数的自相关性减弱,但升力系数的自相关性增强,阻力系数、升力系数的相干函数衰减程度减弱,相干系数的数值减小。设置透风孔后,超高层建筑升力系数、扭矩系数与阻力系数的互相关性不能再忽略不计,但升力系数与扭矩系数之间的互相关性有所减弱。     

双塔建筑风荷载狭缝效应的数值研究

对双塔建筑进行了风荷载和风场的数值模拟,计算得出了建筑周围的流场分布和建筑表面各测点的风压,并着重讨论了双塔建筑物之间的狭缝效应,结果表明,并列布置时,干扰作用只发生在相邻建筑物的侧风面,对相邻建筑物的迎风面影响很小,干扰作用的大小与建筑物的间距有关。     

超高层建筑表面风荷载数值模拟研究

该文通过计算流体力学数值模拟技术对某超高层建筑进行了表面风荷载分布的数值模拟。结果表明：由于漩涡脱落,在结构侧面边缘出现了较强烈的负压区;在周边建筑干扰高度范围内,结构表面风压分布较混乱,结构在干扰高度以上部分风压分布比较规律;局部部位的设计风压应参考各风向角下风压峰值。     

双塔超高层建筑结构设计

以绍兴环球纽约国际中心工程161.1m高的双塔超高层建筑为例,分别采用ETABS、PMSAP和SATWE软件对结构进行了多遇地震下弹性计算分析、时程分析、中震不屈服分析等,并获得了较好的计算结果,为结构技术设计和采取有效抗震加强措施提供了依据。     

干扰风作用下超高层建筑风谱特性研究

以CAARC标模为研究对象,通过采用刚性模型同步测压试验和高频覆面积分计算方法(HFPI),展开单一施扰情况下施扰建筑高度、位置对受扰建筑静力和动力风荷载特性的影响研究。研究结果表明:当施扰建筑处于受扰建筑上游正前方时,表现出遮挡效应;当施扰建筑处于侧向时,静力干扰系数均在1.0~1.1之间;施扰建筑对顺风向基底弯矩谱的影响较小,对横风向基底弯矩谱起到一定程度的削弱作用,且随着施扰高度增加,削弱程度会增加。     

超高层建筑荷载作用下复杂地铁基坑开挖技术研究

地铁建设一般位于城市繁华地段,周边超高层建筑较多,在地铁基坑开挖过程中,如何保证基坑的开挖安全和超高层建筑物不产生破坏,一直是地铁基坑开挖的难题.以北京地铁14号线丽泽商务区站基坑开挖为依托,考虑地铁车站临近超高层建筑物的相互影响,通过数值模拟计算和分析预测,确定超高层建筑变形控制指标、地铁基坑支护及开挖要求,经实践验...     

山地风场中超高层建筑风荷载幅值特性试验研究

针对山地风场中超高层建筑风荷载特点,在1.4m×1.4m风洞中进行了11个不同高宽比、厚宽比矩形截面和圆形截面超高层建筑表面测压风洞试验,分析了阻力系数平均值、均方根值和升力、扭矩系数均方根值受来流风湍流度、建筑高宽比、厚宽比和层相对高度等因素的影响。结果表明：矩形截面建筑各气动力幅值特性明显随湍流度、建筑高宽比、厚宽比、层相对高度的改变而变化,而圆形截面建筑各气动力幅值特性仅随湍流度、层相对高度的改变而变化。根据风洞试验结果,建立了正方形截面和圆形截面风荷载幅值特性的数学模型,通过比较说明与风洞试验结果吻合较好,可为山地风场中的超高层建筑风致响应计算提供依据。图11表5参10     

凹凸变化截面超高层建筑围护结构风荷载研究

基于一凹凸变化截面的刚性模型表面压力测量风洞试验结果,对超高层双塔建筑立面上测点的最不利风压系数进行了研究,分析了复杂截面及邻近的姊妹塔楼对建筑立面上围护结构风荷载的影响,得到了一些有用的结论。     

周边建筑干扰下超高层建筑的风荷载幅值特征

以上海陆家嘴地区的环球金融中心为研究对象,根据刚性模型测压风洞试验结果,研究在周边建筑干扰下,超高层建筑的表面风压系数和各层风力系数的幅值特征。研究发现:当密集建筑群位于环球金融中心上游时,会使其下部被遮挡面的正压力均值减小,甚至可能变成负压力,而对压力根方差的影响比较复杂,有可能使其增大2～3倍,也有可能使其减小;当金茂大厦位于环球金融中心上游时,会使其被遮挡面的正压力均值减小,甚至可能变成负压力(绝对值有可能会增大1倍),也可能使其被遮挡面的压力根方差增大1～2倍;当金茂大厦和周边密集建筑群位于环球金融中心的下游时,风压幅值的干扰效果不太明显;当金茂大厦位于环球金融中心上游时,对其中下部各层风力系数幅值影响较大,而在上游金茂大厦和密集建筑群的共同干扰下,环球金融中心下部的风力系数幅值非常紊乱。研究为超高层建筑在周边建筑干扰下的玻璃幕墙和结构抗风设计等提供参考。     

对称双塔楼建筑的风荷载分布特征

本文针对双塔楼建筑风场的相互干扰作用,通过风洞试验研究塔楼的风压分布,将风压沿截面进行积分求出沿结构柱网方向的合力,然后反算出沿柱网方向的整体体型系数,实现了把风洞试验结果换算为工程设计软件直接可用的数据。本文还讨论了风对高层建筑的扭矩作用,采用扭矩放大系数来考虑风致扭矩。针对某对称双塔结构的风压分布特征获得用于指导一般性对称双塔结构设计的风压和体型系数分布规律。     

串列圆角三角形双塔建筑风荷载干扰效应

为探讨处于串列布置的圆角弧边三角形双塔高层建筑的风荷载干扰效应,采用风洞试验方法研究了双塔相对间距及风向偏转对受扰建筑平均层阻力和升力系数及顺风向和横风向基底脉动弯矩功率谱特性的影响.结果显示上游建筑的存在使受扰建筑的平均阻力和升力系数都小于单体建筑,且随双塔间距减小更为显著,较小的风向偏转对其影响不大.上游施扰建筑会使受扰建筑的基底弯矩谱能量由低频向高频转移,并产生新的谱峰,对横风向弯矩其谱峰在相对间距为3时最大;当风向偏移至接近弧面迎风时,能量转移基本消失.研究成果可为同类建筑的抗风设计提供理论依据.     

超高层双塔建筑体型系数风洞试验研究

文章以北京东直门交通枢纽暨东华国际广场商务区项目双塔写字楼为研究背景,对该双塔结构的体型系数进行了风洞试验研究。根据试验结果进行了后处理,给出了双塔结构的不同部位的体型系数,和依据国家建筑结构荷载规范给出了东华广场项目关心建筑物表面的50年及100年重现期的最大、最小风荷载。最后根据试验结果给出了相关设计建议,能够为双塔结构玻璃幕墙以及围护结构设计提供指导,并对类似工程有一定的借鉴作用。