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。     

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。     

鱼形屋盖结构风荷载特性的试验研究

以海南石梅湾游艇会所为工程背景,进行了刚性模型同步测压风洞试验,研究了单体建筑与两栋建筑有相互干扰影响时的鱼形屋盖屋面平均与脉动风压系数、屋盖局部体型系数以及屋盖整体升力系数分布特性,并进行了详细的对比分析研究.研究结果表明:屋盖表面主要呈现负风压(风吸力),在迎风屋檐气流分离较大,风压变化明显,出现较大的负风压系数;当来流顺沿尾部贯通的连廊吹来时,增强的气流对屋盖下表面产生向下的吸力,且这股吸力要大于上表面向上的吸力,屋盖上下表面风压叠加后使该处屋面呈现一定的正风压;干扰建筑的存在对屋面全风向局部体型系数和屋盖整体升力系数有一定的遮挡效应.所得结论对复杂体型屋盖结构的抗风设计具有参考价值.     

吉林火车站屋盖结构风荷载特性的试验研究

通过对吉林火车站的刚性模型风洞试验研究,得到在有无周边建筑群干扰下屋盖表面的平均风压系数、脉动风压系数以及屋盖的升力系数分布特性,同时对屋盖局部体型系数及结构风振响应进行详细的对比分析研究。研究结果表明:火车站屋盖结构表面主要呈现负风压(风吸力),屋盖合力升力系数均为负值。主站楼在迎风区屋檐、悬挑区域及屋面凸起的天窗位置气流分离较大,风压变化明显,出现较大的负风压系数;由于站台雨篷四周开敞,气流流经站台雨篷时较为顺畅,气流分离较小,因而站台雨篷风压系数较小。周边的干扰建筑整体上对屋面全风向局部体型系数有一定的遮挡效应,但也不能忽略部分区域增大的情况;周边建筑群对站台雨篷角部、主站楼凸起的天窗及东西两侧悬挑屋面区域风振响应影响较大。     

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。     

1/4球面开口屋盖风荷载体型系数的数值模拟分析

基于计算流体力学（CFD）理论,采用雷诺时均法,利用FLUENT软件对1/4球面开口屋盖进行数值风洞模拟.计算得出屋盖表面的风压分布,进而得出不同风向作用下结构的风荷载体型系数,以供工程设计参考.计算结果表明,利用数值风洞模拟建筑物表面风荷载体型系数是可靠的.     

大跨单层网壳结构的风振分析

风荷载是大跨度单层网壳结构设计的控制荷载,因结构体型复杂,结构表面的风压和风载体形系数难以确定。文中采用数值风洞技术研究复杂体型单层网壳结构的风压分布、风载体型系数,并利用有限元理论在时域上计算大跨度单层网壳的风振系数,为大跨度网壳结构的抗风设计提供了准则。     

大型储煤仓结构的群体风荷载研究

分别采用风洞测试及CFD数值模拟手段对某大型储煤仓群体风效应进行了研究,基于刚性模型测压试验,分别测试了储煤仓表面的外部风压,进而对群体圆壳结构表面的平均体型系数分布、风压均方根分布等进行分析,给出了可直接用于主体结构设计的抗风设计参数。基于CFD数值模拟,计算得到关键风向角下煤仓周围流场分布情况,并通过比较煤仓表面的平均体型系数分布对模拟结果进行验证。     

基于数值模拟的某通信塔风荷载体型系数研究

基于Fluent软件平台,采用混合网格进行划分,选用Realizable k-ε湍流模型对某移动通信塔的风场进行三维数值模拟研究,考虑风向角的变化,每隔15°模拟一次,得到通信塔各风向表面平均风压的分布结果:以此为基础,在塔体表面沿高度计算分段风压体型系数,将结果与现行规范进行比较分析并讨论模拟结果的合理性.研究分析表明,数值模拟得到风压系数随风向角的变化而变化,与规范取值吻合且略大于规范取值,为移动通信塔类结构风振计算提供合理的风压体型系数.     

复杂高耸结构表面风压分布数值风洞研究

针对上海浦东地区某复杂高耸结构工程实例，基于流体分析软件FLUENT13平台，采用IKNG k-ε湍流模型进行了24种风向角下的建筑表面风压分布模拟，并将分析结果整理后与现行《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）中相关系数的规定做了比较。分析结果表明，高耸结构体型系数随高度不同而变化，并非规范中的常数；塔身各表面体型系数分布规律的数值模拟结果与规范大致吻合，但在局部存在差异。最后根据数值风洞模拟得到的塔身最大负压的分布区域及大小，对围护结构设计提出了建议。     

Experimental study of aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges

The aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges with large span were investigated in detail by means of wind tunnel test. The distances between the twin decks and wind attack angles were changed during the wind tunnel test to study the effects on aerodynamic interferences of aerostatic coefficients of twin decks. The research results have shown that the drag coefficients of the leeward deck are much smaller than that of a single leeward deck. The drag coefficients of a windward deck decrease slightly compared with that of a single deck. The lift and torque coefficients of windward and leeward decks are also affected slightly by the aerodynamic interference of twin decks. And the aerodynamic interference effects on lift and torque coefficients of twin decks can be neglected.     

Characteristics of aerodynamic forces and pressures on square plan buildings with height variations

Many studies on reducing across-wind responses of tall buildings have been investigated, mainly focusing on the effect of corner shape. And it is also known that changing section along the height through tapering or set-back could reduce across-wind responses of tall buildings. In this paper, to investigate the mechanism of aerodynamic force reduction, the wind tunnel tests for fluctuating pressure and fluctuating force were carried out. Two models with different tapering ratio of 5% and 10%, one set-backed model and one prototype square prism with side ratio of unity were employed under two typical boundary layers which represent suburban and urban flow condition. It is concluded that tapering or set-back helps to reduce the mean drag force and the fluctuating lift force. Reduction ratio increases as tapering ratio increases, and the set-backed model is more effective to reduce the fluctuating lift force than the tapered model with identical surface area, reducing the coefficients about 40% in suburban flow condition. And by tapering and set-back, the power spectra of wind pressures at sideward surface become wideband and the peak frequencies depend on height, which makes the correlation near the Strouhal component low or even negative.     

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。     

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。     

Experimental study of aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges

The aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges with large span were investigated in detail by means of wind tunnel test. The distances between the twin decks and wind attack angles were changed during the wind tunnel test to study the effects on aerodynamic interferences of aerostatic coefficients of twin decks. The research results have shown that the drag coefficients of the leeward deck are much smaller than that of a single leeward deck. The drag coefficients of a windward deck decrease slightly compared with that of a single deck. The lift and torque coefficients of windward and leeward decks are also affected slightly by the aerodynamic interference of twin decks. And the aerodynamic interference effects on lift and torque coefficients of twin decks can be neglected. __________ Translated from Journal of Hunan University (Natural Science), 2008, 35(1): 16–20 [译自: 湖南大学学报(自然科学版)]     

Influence of fluid-structure interaction on vortex induced vibration and lock-in phenomena in long span bridges

In this paper, deck models of a cable stayed bridge are generated in ABAQUS-finite element program once using only CFD model (one-way fluid-structure interaction) and another by using both the CFD model and the CSD model together (two-way fluid-structure interaction) in a co-simulation. Shedding frequencies for the associated wind velocities in the lock-in region are calculated in both approaches. The results are validated with Simiu and Scanlan results. The lift and drag coefficients are determined for the two approaches and the latter results are validated with the flat plate theory results by Munson and coauthors. A decrease in the critical wind velocity and the shedding frequencies considering two-way approach was determined compared to those obtained in the one-way approach. The results of the lift and drag forces in the two-way approach showed appreciable decrease in their values. It was concluded that the two-way approach predicts earlier vortex induced vibration for lower critical wind velocities and lock-in phenomena will appear at lower natural frequencies of the long span bridges. This helps the designers to efficiently plan and consider for the design and safety of the long span bridge against this type of vibration.     

考虑雷诺数效应的斜拉索气动力试验研究

由于大跨度斜拉桥斜拉索的风荷载在全桥风荷载中占很大比重,因此准确掌握斜拉索的风荷载对大桥的设计工作是十分重要的。通过风洞试验,测试斜拉索的阻力和升力,得到力系数随雷诺数的变化规律,证实在临界雷诺数区域有平均升力的产生,其最大升力系数远大于此雷诺数时对应的阻力系数,忽略升力的存在可能导致斜拉索风荷载的计算结果偏小;将阻力系数和升力系数合成为合力系数,并与规范值比较,发现只有当雷诺数超过一定数值之后,规范的算法才是安全的,雷诺数小于此值尤其是在临界雷诺数区域,合力系数比规范值超出较大。针对苏通长江公路大桥和南京长江第二大桥,利用试验结果和规范值,对斜拉索的风荷载分别进行计算分析,发现利用本文方法计算的合力并不随风速的增大单调增长,而是在一定的风速时取得极大值;利用静阵风风速计算风荷载,按桥规计算的结果在某些情况下偏小,建议规范适当考虑气动升力对斜拉索风荷载的贡献。     

典型平面角钢桁架静风力风洞试验研究

平面桁架是构成空间桁架的基础,广泛地用于房屋建筑、桥梁、起重机、钢塔等工程结构中。以4种典型单片角钢桁架为研究对象,通过高频动态天平测力风洞试验,研究了风速、风向、杆件布置形式和挡风系数等参数对平面角钢桁架静风力的影响。研究结果表明：平面桁架垂直迎风(0°风向)时,阻力系数值最大,约为1.8;升力系数极值为-1.0,出现在25°风向,与同风向下阻力系数值比较,升力系数的影响不能忽略。风速的变化、杆件布置形式和结构挡风系数对研究的四种典型平面桁架(挡风系数Ф∈［0.21, 0.52］)风力系数影响较小。平面桁架的静力折算高度约为总高度的一半,风向、杆件分布形式和挡风系数等参数对折算高度的影响可以忽略。此外,常用规范中并未考虑平面角钢桁架风力系数随风向的变化,为此,基于试验结果,构建了平面桁架角度风系数公式,并对参数进行了拟合,二者吻合较好。     

复杂型体悬挑屋盖风荷载风洞试验与数值模拟

基于Fluent 6.1软件平台,将Realizablek-ε模型与非平衡壁面函数搭配使用,对位于海岛强台风地区的某海洋文化中心屋盖风压分布进行了计算流体动力学(CFD)数值模拟,同时也对该建筑进行了风洞试验。模拟结果与风洞试验数据的对比显示数值模拟可较准确地反映实际风压。风洞试验和数值模拟均显示悬挑屋盖受到了很大的吸力,对屋盖结构极为不利,对此问题采取在屋盖悬挑部分开洞的减压措施,以改善屋盖悬挑部分的受风特性。对开洞后的建筑进行了CFD建模与计算,结果表明在屋面前缘开洞可有效降低屋盖悬挑部分的最大风压和所受的竖向升力,大大改善屋盖结构的受力状态。