超高层建筑风荷载数值模拟和空间风振分析

某沿海超高层建筑高度达350 m,高宽比达7.6,又处于浙江沿海地区,风荷载是其结构设计的控制荷载.数值模拟了不同风向下超高层建筑底部平均风合力和合力矩,与风洞试验结果相近,一般情况两者差别不大于15%;同时拟合了该建筑表面的脉动风压自谱密度和相干函数经验表达式,采用空间随机风振的CQC方法对塔楼进行了风致动力响应分析,并通过塔楼顶层峰值加速度响应和底部静力等效风荷载合力和合力矩的比较与分析,表明高层建筑专用风振分析方法在实际工程中应用的可行性.     

典型超高层建筑风荷载的风洞试验研究

通过测力风洞试验对典型超高层建筑风荷载的作用机理进行了系统的研究。评估了各风力脉动分量的相关特性,研究了结构顺风向、横风向和扭转基底谱的分布特征,分析了结构三维等效静力风荷载及顺风向风振系数,并与规范结果进行了对比研究。研究成果可为超高层建筑的抗风设计及相关研究提供有用的资料及依据。     

复杂体型超高层建筑风压脉动特性

为研究超高层建筑顺风向和横风向脉动风压功率谱的变化规律,以某X型超高层建筑为工程背景,进行刚性模型测压风洞试验.利用Tamura等基于准定常假定提出的由顺风向脉动风速谱转化得到顺风向脉动风压谱的方法将Davenport和Kaimal风速谱转化为脉动风压谱,并将两者得到的风压谱与试验结果进行了对比;利用Ohkuma等提出的矩形建筑横风向风荷载功率谱的数学模型来拟合侧风面测点脉动风压谱,结果能够与试验很好的吻合.分析了相同高度处各测点之间以及不同高度测点层各测点脉动风压之间的相关性;最后研究了测点风压的水平和竖向相干性,并利用基于单参数最小二乘算法的计算程序对测点空间相干函数曲线进行拟合,结果与风洞试验吻合较好.     

矩形高层建筑风荷载气动导纳研究

为探究深宽比对矩形高层建筑风荷载气动导纳的影响,本文对深宽比为0.11～9的矩形高层建筑进行了风洞测压试验,研究了正交风向作用下不同深宽比建筑各立面脉动风压与基底阻力的气动导纳的变化规律,并与基于准定常假定的Vickery模型和Solari模型作了比较;通过拟合分析获得了适用于不同深宽比建筑基底阻力的气动导纳的闭合表达式.结果表明:当建筑深宽比小于0.5时,迎风面脉动风压及基底阻力的气动导纳与Vickery模型较为接近,但随深宽比增大,气动导纳在高频区的衰减速度变缓,Vickery模型和Solari模型较试验值显著偏小;在建筑背风面和侧风面上,因流动分离、再附和旋涡脱落等非定常流动的影响,脉动风压的气动导纳在高频区域会出现大小不等的峰,此时Vickery模型在变化规律和数值大小上均不再吻合.本文获得的幂函数形式的基底阻力气动导纳拟合式可以较准确地预测不同深宽比矩形建筑的基底阻力气动导纳.     

高阶振型在超高层建筑风荷载中的影响

结构的高阶振型对超高层建筑的风致响应有较大影响,尤其针对超高层建筑风荷载方面的认识还不够深入。随着建筑高度越来越高,建筑变得越来越柔,高阶振型对于风荷载的贡献随之增大。以珠海市某一超高层建筑为工程背景,在X,Y和Z方向将考虑高阶振型的风荷载与仅考虑第一阶振型的风荷载进行比较,结果表明:高阶振型对于超高层建筑风荷载的贡献较小,计算超高层建筑风荷载时,只需计算第一阶振型的数值即可满足工程要求,高阶振型对其影响可以忽略不计。     

三边形桅杆风荷载谱模型试验研究

对三边形格构式桅杆进行了均匀流和两种紊流下的高频测力天平风洞试验,得到了顺风向、横风向和扭转向的气动力系数以及脉动风荷载谱。采用基于风速谱的数学模型对顺风向脉动风荷载谱进行拟合,验证了该经验公式在不同流场下的适用性。根据试验所得横风向和扭转向脉动风荷载功率谱曲线的特点,建立由紊流激励和旋涡脱落激励两部分组成的谱函数数学模型,最小二乘法拟合结果与风洞试验结果吻合良好。横风向脉动风荷载谱以紊流激励为主,紊流强度15%时旋涡脱落激励贡献仅占10%,扭转向脉动风荷载谱中旋涡脱落激励贡献明显增大,达到40%。     

宽厚比为5的超高层建筑风荷载特性研究

为了探究大宽厚比超高层建筑风荷载特性,本文开展了宽厚比D/B=5的超高层建筑刚性模型测压风洞试验,对建筑表面风压系数、层风力系数、基底力矩系数等进行了研究,并将试验结果同传统方形截面超高层建筑进行了对比.研究表明:大宽厚比建筑侧风面发生了分离流再附,且在下游角点处出现二次分离,再附点位置与湍流度有关,湍流度越小,再附点...     

矩形超高层建筑扭转风振响应的风洞试验研究

为了研究Sc数以及偏心对矩形超高层建筑扭转风振响应的影响,对4个矩形高层建筑模型,通过扭转摆式气弹模型风洞试验测试得到在不同实验风速和Sc数情况的结构角点位移时程。进而讨论了结构扭转向角位移均方根随着各参数的变化规律,分析了结构扭转风振响应机理,为矩形截面超高层建筑的扭转抗风设计提供参考。     

输电塔扭转响应和扭转等效风荷载的计算方法

针对输电塔的扭转效应,提出顺线路方向扭转响应和扭转等效风荷载的理论计算方法,分析扭转模态和相干函数对扭转响应的影响,进行气弹模型风洞试验以验证计算结果的准确性,给出同时考虑扭转与平动的风振系数计算公式. 结果表明：所提出顺线路方向扭转响应计算方法与风洞试验结果非常接近,计算方法的准确性得以验证;扭转响应计算中应同时考虑水平向与竖直向的相干函数;顺横担方向来流时的扭转响应理论计算结果小于风洞试验值,原因是此时杆件间的遮挡效应产生特征湍流;塔身的扭转放大系数可忽略,横担的扭转放大系数不可忽略,最大值为1.1.     

上部吸气控制下超高层建筑的平均风荷载特性研究

为减小超高层建筑的风荷载,改善结构的抗风性能,设计了一套吸气控制系统,完成了上部吸气控制下超高层建筑刚性模型的测压风洞试验,研究了不同风向角下吸气控制的几何参数和流量参数对模型的平均风荷载特性的影响规律。结果表明:吸气控制对吸气孔高度范围内的平均风压系数和层阻力系数的折减要显著大于非吸气控制段的风荷载折减;吸气流量系数CQ越大,吸气控制段的风荷载折减越显著,当CQ绝对值从0.004 57增大到0.017 4时,模型上部8~10层(吸气孔高度范围内)的层阻力系数最大折减值由0.094增大到0.231;在不同来流风向角下,吸气控制效果差异较大。因此,为实现吸气减阻,应根据建筑所在地的主导风向角确定最佳开孔方案。     

高层建筑扭转风向动力风荷载数学模型

针对矩形截面的高层建筑物，对不同高宽比和边长比的9种模型进行风洞实验，通过对大量数据的处理和分析，考察了模型高度、高宽比、边长比对高层建筑物扭转风向风力功率谱(扭矩功率谱)的影响规律，并拟合出了一个以风速、湍流强度、边长比等为参数的高层建筑物扭矩功率谱密度函数的数学表达式，与试验结果吻合较好，证明它是合理有效的。     

典型超高层建筑横风向气动力谱的构成分析

通过风洞试验得到典型超高层建筑的横风向脉动风荷载分布,将横风向脉动风荷载作用分解为横向紊流及旋涡脱落2种作用机理的共同作用,分析了横风向气动力谱的构成成分,并将分析结果与高频动态测力天平的结果进行了对比研究．结果表明:横向紊流对横风向气动力谱的贡献较小,而旋涡脱落激励对总横风向气动力谱的贡献较大;在不同风场中这些贡献量会发生改变．根据同步测压试验分解横风向气动力谱的方法可以清楚地解释超高层建筑横风向气动力谱的构成成分．     

大型单立柱双面广告牌风荷载及风振响应分析

大型单立柱双面广告牌的风致破坏时有发生,为研究其在强风下的破坏机理,完善大型户外广告牌结构的抗风设计,本文以典型的双面广告牌结构作为对象开展了两类模型风洞试验.首先通过刚性模型的面板测压风洞试验,分析了上部结构平行面板方向、垂直面板方向和扭转荷载的风力系数随风向角变化规律,针对最不利工况,给出了沿面板长方向风压分布及整体结构风力系数,以及垂直面板方向和扭矩风荷载功率谱的建议公式;通过气动弹性模型的高频天平测力风洞试验,研究了双面柔性广告牌的基底力响应.综合静力刚性测压和动力气弹响应两阶段试验结果,给出双面广告牌垂直面板方向和扭转风振响应的理论计算方法.计算表明:对垂直面板方向风荷载的理论计算,荷载谱需考虑气动导纳函数的影响,对于扭转荷载谱,主要为湍流和漩涡脱落激励的贡献.气动阻尼对结构共振响应的影响非常显著.利用理论方法计算的风振响应与气弹动力试验的结果吻合良好,可用于户外广告牌风振响应的计算.     

高层建筑耦联风振响应分析

提出矩形塔式高层建筑三维风荷载模型和在三维风荷载作用下高层建筑耦联风振响应层间模型分析方法,并应用该方法对振型不同程度耦联的矩形塔式高层建筑加速度风振响应进行计算分析．分析结果给出了矩形塔式高层建筑的平动和扭转风振响应与振型耦联程度的关系,可为高层建筑的抗风设计提供参考．     

既有框架结构的新型等效简化动力模型构建方法

为了实现对长期服役后的结构在地震、风等动荷载作用下安全性和舒适性的评估,利用监/检测数据建立一个能准确反映实际建筑在地震、风等动荷载作用下动力响应的结构动力学模型至关重要。本文针对非常普遍的框架建筑结构,提出了一种基于少量移动传感器的框架结构等效简化动力学模型构建方法。首先,提出建筑结构等效简化模型构建的层间剪力等效原理,证明了以该原理构建的简化模型具备准确模拟实际建筑结构动力响应的能力。其次,推导了框架结构简化模型形式,并研究了简化模型参数特点。然后,提出了一种框架结构简化模型参数的迭代识别方法,实现了仅使用少量无线移动传感器的简化模型参数识别。最后,通过一个12层3跨钢框架结构数值模拟算例,研究了在不预知结构刚度退化的具体形式和仅使用少量移动加速度传感器的条件下,由本文所提方法构建的等效简化模型对实际框架结构在不同水平动荷载作用下结构动力响应的预测能力。数值试验结果表明,等效简化模型能准确模拟不同荷载工况下框架结构加速度和位移响应。因此,本文提出的框架结构等效简化模型构建方法将在评估既有框架结构在风、地震等动荷载作用下的结构安全性和舒适性方面具有重要的应用前景。     

大规模海上风电场经HVDC并网引发轴系扭振分析与抑制

大规模海上风电场经HVDC输电可提高其输电效率,但当风机轴系考虑为两质块模型时,直流整流侧的控制方式有可能向附近的风机引入负阻尼,将导致风机轴系扭振,影响系统的安全稳定运行。本文首先分析风机轴系扭振产生机理,通过复转矩系数法得到系统的电气阻尼系数,以判断固有扭振频率下的系统稳定性;然后计算出待补偿的电磁转矩和风机转子转速的相角差;最后通过设计附加阻尼控制器抑制风机轴系扭振。在PSCAD程序中搭建风电场经HVDC并网模型进行仿真分析,分析结果表明系统加入阻尼控制器后,风机轴系扭振迅速衰减,控制器的加入有效增大了系统阻尼比。此研究分析为大规模海上风电场通过HVDC并网提供了理论基础。     

龙卷风作用及核电站结构极端风荷载相关问题研究综述

在结构荷载规范中一般均不考虑龙卷风荷载,但对于某些设防要求极高的重要工程设施,如核电站,则需要考虑可能的龙卷风荷载作用。从龙卷风风场理论模型的研究发展入手,对直接风压荷载的确定、风致飞射物间接作用以及特种工程结构核电站抗龙卷风设计的研究现状进行了归纳总结,指出了龙卷风直接风压计算中考虑轴吸力作用、风场平移运动及风致扭转作用的必要性以及飞射物冲击作用应区别弹体相对刚度及端部形态对作用效果的影响。     

高层建筑抗风动力可靠性分析

本文提出并推导了全方位风荷载作用下高层建筑动力可靠性分析方法及相应的简化计算公式。文中用一定保证率的结构风振随机响应取代了Davenport抗风可靠性分析方法中的结构风振确定性响应,并由此给出动力可靠度计算公式及其简化形式,提高了可靠性分析的准确性。该方法不但可以分析高层建筑的安全度,也可以分析高层建筑的舒适度。     

减小三角形塔架风载扭振的设计方法

三角形塔架具有风阻小、自重轻、节省材料等优点,但其截面相对大多数风向不对称,因此当风向变化剧烈时,在结构上有垂直扭矩产生,使结构发生扭转变形与振动。分析了垂直扭矩的构成的认为是各杆件风载力对塔架垂轴力矩的迭加,按此分解得到各杆件力矩表达式关并计算了它们在结构总垂直扭矩中的比率。结果表明,一般情况下塔柱力矩很小而横杆力矩很大。因此提出减小三解形塔架垂直扭振的设计措施应为,采用大直径塔柱与小直径腹杆匹配;增大塔节长度减少腹杆数目;在塔柱可视为连续且横向刚度足够时,可采用无维系横杆设计。     

基于滑模控制算法的风电系统变速变桨距控制研究

为改善系统恒功率输出运行区域内的动态性能,基于趋近律方法设计了滑模多变量控制器,将发电机转矩加入风电系统与桨距角同时调节,不但能保证发电机功率和转速稳定在额定值附近,而且可以降低传动系统扭转力矩波动和桨距角活动频率,在提高风电电能质量的同时可以减少系统机械部分的压力.最后利用M atlab对高风速下系统多变量与单变量控制策略进行了仿真对比,突出多变量控制策略的优越性;并将提出的滑模控制与PI控制进行仿真对比分析,以验证本文控制算法的有效性.