矩形平面超高层建筑横风向气动力谱的神经网络预测

在超高层建筑抗风设计中常发生当平面深宽比较大时,荷载规范建议的横风向风荷载过于保守而高估建筑风荷载和风振响应的现象。利用高频底座测力天平技术,分别在B,C两类风场中对10种不同深宽比（D/B）的矩形平面超高层建筑模型进行风洞试验。采用遗传算法（GA）和误差反向传播（BP）神经网络相结合的方法（GA-BP）对试验得到的横风向气动力谱进行建模研究。用GA对BP神经网络的初始权值和阈值进行寻优,找到最优参数后,再赋值于BP神经网络训练求解问题,并运用k折交叉验证法进行仿真验证,最终获得精度明显高于BP模型的结构横风向气动力谱预测模型,显示GA-BP神经网络横风向气动力模型收敛速度快、泛化能力强。采用本文模型进行预测并和试验数据对比,结果显示,基于GA-BP的气动力模型能够很好地预测未参与建模的横风向气动力谱,采用本文模型和原始风洞数据计算的结构横风向风荷载和风致响应具有很好的一致性,但在较大深宽比时均显著小于现行规范方法结果,显示规范方法结果偏于保守。     

不同圆角率的方形断面气动特性的雷诺数效应

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中测试了标准方形断面及圆角率分别为0.1,0.2,0.3和0.4时的方形断面在雷诺数Re=0.8×10^5~3.8×10^5内的气动特性。结果表明:在试验雷诺数范围内,标准方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数基本不受雷诺数的影响,但脉动升力系数受雷诺数的影响比较明显;圆角率为0.1的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数随雷诺数有一定变化,脉动升力系数随雷诺数的变化明显;圆角率为0.2,0.3和0.4的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数对雷诺数非常敏感,其在临界雷诺数附近均产生了明显的跳跃现象,但脉动升力系数受雷诺数的影响相对不大。     

圆角方柱气动特性的风洞试验研究

通过刚性模型测压风洞试验在均匀流场中测试了标准方柱和圆角率分别为0.1,0.2,0.3和0.4的圆角方柱在12万雷诺数及0°～45°风向角内的表面风压,进而分析了风向角以及圆角率对模型气动特性的影响规律。结果表明：随着风向角的增大,圆角方柱的平均阻力系数均先减小后增大,最后趋于平稳,平均升力系数则先增大后减小,最后趋于稳定,圆角方柱平均升/阻力系数取得最大(或最小)值的风向角小于标准方柱,其中：圆角率为0.1的圆角方柱在7.5°附近,圆角率为0.2,0.3,和0.4的圆角方柱则在5°附近;当风向角小于10°时,圆角方柱的脉动升力系数随风向角增大先减小后增大且远小于标准方柱;当风向角大于10°时,圆角方柱的脉动升力系数随风向角增大变化较小且略大于标准方柱;圆角方柱的斯特劳哈尔数随风向角的增大均呈现出先增大后减小的趋势,最大值随圆角率的增大逐渐增大。     

复杂周边环境下超高层建筑的强风动力响应特性

对处于强风地区复杂周边环境下的某方形截面超高层建筑分别进行了刚性模型测压试验和高频天平测力试验。基于测压试验得到的结构表面的风压分布,采用随机振动理论,进行了风致振动响应计算,结果表明其上下一致的方形截面导致漩涡脱落强烈,强风下横风向涡激响应非常显著,值得重视。在高频天平测力试验得到的基底弯矩谱上同样可以看到在涡脱频率附近的显著峰值。基于基底弯矩谱试验值同样计算了结构的风致振动响应,其结果与基于刚性模型测压试验计算的各响应非常接近,从而验证了2 种试验方法的可靠性。     

宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应试验研究

矩形断面在实际工程中应用广泛,对其角部进行圆角化处理可有效减小风荷载并改善风致振动性能,然而圆角矩形断面的气动特性存在明显的雷诺数效应。为研究宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应,减小在这类断面结构的风荷载和风致振动分析中因雷诺数原因引起的误差,对5种不同圆角率(0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)的刚性模型进行了测压风洞试验,试验雷诺数范围为0.8×10⁵～3.6×10⁵。通过风洞试验得到并分析了不同圆角率矩形断面的平均阻力系数、平均风压系数和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律,并与标准矩形断面进行对比。研究结果表明：不同于标准矩形断面,5种圆角矩形断面的气动特性均表现了一定的雷诺数效应,这种雷诺数效应随圆角率的增大先增强后减弱,当圆角率为0.2时最强,其在雷诺数为2.8×10⁵时发生了明显跳跃;不同圆角矩形断面的平均阻力系数均随雷诺数的增加而减小。与其它位置相比,圆角矩形断面侧面和圆角位置处的风压系数受雷诺数影响更明显,其中圆角位置处最为显著。圆角矩形断面的斯特罗哈数在圆角率为0.1时基本稳定在0.22左右...     

一类准方形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼

利用随机减量法从湍流风场下10个高层建筑气动弹性模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较,验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了方形截面超高层建筑的四个角沿不同尺寸的削角、凹角处理以及截面沿高收缩率对作用在建筑上的气动阻尼比的影响。研究结果发现：气动阻尼比随截面削角率、凹角率及截面沿高收缩率的增大而增大;较小的截面削角率和凹角率使顺风向气动阻尼比显著减小;但截面削角率、凹角率及截面沿高收缩率对超高层建筑气动效应的减小效应并非总是有效。基于方形截面超高层建筑顺风向气动阻尼特性研究,并结合截面修角及沿高收缩率的影响,给出相应的经验公式,供工程设计人员参考。     

强、弱连接对双塔连体超高层建筑风振响应的影响研究

为研究连廊的强、弱连接对连体双塔超高层风振响应的影响,分别建立了强、弱连接双塔连体超高层风振响应分析的简化数学模型;基于工程实例(其结构高度分别为268 m和210.2 m),分析了在两种连接情况下结构的自振特性;最后,开展了该结构在24个风向角下的同步多点测压风洞试验,分析并对比了不同连接形式下的风振响应.研究表明:...     

超高层建筑的等效静风荷载-扩展荷载响应相关方法

基于同步多压力扫描系统(SM-PSS)的多点同步瞬态测压试验,采用完全二次型组合(CQC)方法计算复杂超高层建筑结构的风振响应,并采用时域积分方法进行验证,由此将复杂的动力学问题转换为简单的准静态问题,荷载响应相关(LRC)方法被扩展(ELRC)可用于计算包括共振响应在内的任意结构响应的等效静风荷载(EswL).文中采用432 m高的广州珠江新城西塔为例进行分析计算,结果显示:采用本方法得到的EswL作用于结构可产生和采用CQC方法结果相一致的峰值位移响应,采用时程分析方法得到的顶部中心轨迹图显示计算结果的合理性和本文方法有效性,文中还对峰值因子和背景响应分量的计算方法进行了讨论.     

超高层建筑等效静力风荷载的反演法

该文根据刚性模型测压风洞试验结果,给出了确定等效静力风荷载的反演法,其中,位移等效静力风荷载是在已知最终位移的基础上,运用虚拟广义坐标的概念,根据线性最小二乘法进行反推,而内力等效静力风荷载则在最终截面内力已知的基础上,根据悬臂梁静力平衡法进行反推。值得注意的是,计算等效静力风荷载所需的最终响应是根据完全二次型组合方法(CQC)求出的,不再分成背景分量和共振分量,而且还可以考虑多振型的耦合。以陆家嘴X3-2 地块办公楼为例进行刚性模型测压风洞试验,根据反演法计算出位移等效静力风荷载和内力等效静力风荷载,然后由静力法求出最终响应,通过与CQC法直接计算的结果对比来说明其有效性。     

纵向肋条对斜拉索气动力和涡激振动特性影响的试验研究EI北大核心CSCD

斜拉索的风雨振和涡激振动是广受关注的风致振动问题,为了抑制风雨振,在斜拉索表面设置纵向肋条,是常用的气动措施之一。纵向肋条的参数对涡激振动性能的影响,以及对斜拉索气动力的影响,是值得研究的问题。通过风洞试验,在斜拉索表面布置了宽度和高度均为5 mm的长方体肋条,研究了2根肋条在不同位置α下,斜拉索的气动力及涡激振动的变化规律。结果表明:对于气动力,当布置的肋条位置α≥25°时,雷诺数对斜拉索的风压分布基本没有影响;当布置的肋条夹角α≤30°时,有肋条斜拉索的平均阻力系数均小于无肋条斜拉索;当布置的肋条位置α≥35°时,斜拉索的平均阻力系数和平均升力系数不随雷诺数发生变化,而当肋条位置α=60°时,斜拉索的平均阻力系数达到最大值,约为1.7。对于涡激振动,在肋条位置α=55°的工况下,斜拉索的涡激振动被完全抑制,可以运用在实际工程以抑制斜拉索及相关细长柱体结构的涡激振动;但当位置为60°时,斜拉索的涡激振动振幅虽然比无肋条状态有所减小,但涡振的风速锁定区间会被放大,在实际工程中应充分考虑这一现象。     

矩形超高层建筑涡激共振模型与响应研究

在经验非线性模型、Vickery-Basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上,针对矩形超高层建筑涡激振动的"锁定"状态,提出了两种改进的广义范德波尔振子模型,即IGVPO-1和IGVPO-2,前者适用于"锁定"风速范围内任一折算风速对应的位移响应幅值的预测,后者适用于"锁定"时最大位移响应幅值的预测.最后,结合气弹模型风洞试验测试数据,实现了对两模型中气动参数的拟合.将风洞试验测量值与理论模型预测值进行比较,结果表明:所提出的这两种理论模型均具有较高的精度.     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。     

超高层双塔建筑体型系数风洞试验研究

超高层建筑表面的风压分布对建筑表面围护结构的安全使用有重要影响。据某超高层建筑的刚性模型风洞测压试验,研究了超高层建筑周围在有、无干扰建筑的情况下,表面的风压分布特性以及一些特殊测点在不同风向角的情况下风压的变化规律。结果表明：当来流风向与平面垂直时,平面上的测点取到最大正压,当来流风向与平面平行时,平面上测点往往负压最大;环境建筑对该高层建筑侧风面的风压影响较大,但风压的分布趋势不变,不同在于会放大局部风压,尤其是建筑中部。为其结构设计提出一些建议。     

山地超高层建筑风致响应研究

风在山地地形的干扰下,其幅值和空间分布规律相对平地均会发生较大改变,尤其是山顶处风速有明显增大.如果不考虑山地的影响,仍然用平地边界层风场进行高层建筑维护结构和整体结构计算将偏于不安全.以前对山地风场的研究多限于平均风的变化,而对于脉动风的湍流特征和频域特性较少提及,且缺少山地与平地风场中超高层建筑风致响应计算的对比.本文建立了钟形、高斯形、余弦型几种轴对称三维山体模型,通过数值计算得到了不同山体坡度下山顶平均风加速比.计算结果显示,山顶平均风有较大的增大效应,最大加速比可达1.7,且反函数拟合结果与模拟结果更加吻合.通过与风洞试验结果的对比可见,平均风的数值模拟有较高准确性,湍流与试验相比还有一定差别.通过某超高层建筑的风振响应分析表明,山地风的增大效应对超高层建筑整体响应计算不可忽略,位移响应增大比例最大可达20%.     

高层建筑顶部横梁的风效应

结合CFD数值方法和风洞试验分析了高层建筑顶部横梁的气动力和风荷载特性。CFD数值结果显示建筑顶部绕流会显著增大横梁处的气流风攻角;横梁气动力的数值计算结果和风洞试验结果均证实横梁为驰振稳定截面;风振分析显示横梁的峰值升力大于峰值阻力,通过进一步分析广义力功率谱密度函数和频率比对峰值升力的影响,证实横梁在50年重现期强风作用下处于涡激共振状态。