基于大涡模拟增设气动措施冷却塔风荷载频域特性

为了研究带气动措施的大型冷却塔风荷载频域特性,采用大涡模拟(LES)技术计算得到不同气动措施下冷却塔外表面风荷载时程,将典型断面的平均和脉动风压与国内外实测及风洞试验结果进行对比,验证了大涡模拟的有效性.对平均风压分布曲线、典型断面涡量图、脉动风荷载的功率谱、相关系数及相干函数等频域特性进行研究,分析不同气动措施对大型冷却塔外表面平均风压流场特性和脉动风压频域特性的影响.结果表明:增设气动措施导致塔筒下部进风口区域平均风压局部增大,以弧形导风板最明显;脉动风荷载能量主要集中在低频区域,迎风面测点脉动风能量相对较大;增设气动措施导致塔筒表面风荷载频谱特性更加复杂,风荷载功率谱出现多个峰值点;迎风区测点之间脉动风压相关性较高,增设气动措施对相关系数影响较大,其中导风板的相关系数均达到了0.62以上;测点之间相干性均表现出随频率上升而增大的趋势,并且频率达到0.4Hz后,相干函数接近1.     

基于优化本征正交分解法的复杂屋盖风压场预测

为了提高屋盖表面风压数据密度,通过有限测点的风压特征信息准确预测未布置测点的风压信息。风洞试验中,复杂的屋盖结构可以同时引入测点面积和脉动风压自根方差参量,采用优化本征正交分解法(POD法),提高识别精度。利用优化的POD法,在此基础上插值预测节点处的荷载本征模态值,从而进一步获得预测节点处的风压时间序列。对预测节点处实测风压与预测风压的均值、根方差误差进行比较分析,预测的风压均值误差最大达到8%,根方误差最大达到15.8%,同时分别在时域和频域范围内对实测风压与预测风压的时程曲线和功率谱进行比较,可知该方法能较好地对未布置测点的节点风荷载进行有效预测。     

识别复杂屋盖风压场的改进本征正交分解方法

为了提高本征正交分解(POD)方法识别复杂体型屋盖结构且结构表面测点布置不均匀的风压场的精度,提出了改进加权POD方法,采用双加权的手段,以结构上测点风压自根方差和测点面积做为权重.为了避免淡化某个权重的影响,首先将两个权重做了规格化处理.以深圳市民中心的屋盖结构为工程背景,根据风洞试验同步采集的风压数据,来识别作用在结构表面的风压.利用该改进方法,重建了深圳市民中心屋盖结构的随机风压场,对重建的风压时程、均值以及根方差值与实测风压时程、均值以及根方差做了比较,利用本文提出的方法识别典型测点的风压时程均值的最大误差为11.37%、根方差的最大误差为29.3%;而加权POD法识别典型测点的风压时程均值的最大误差超过100%出现了识别错误、根方差的最大误差达到了55.6%.     

援莫桑比克国家体育场风荷载相干函数与风致响应分析

援莫桑比克国家体育场屋盖为典型的钢结构大跨度悬挑屋盖,风荷载为其结构设计的主要控制荷载.通过刚性模型表面测压风洞试验,得到了体育场屋盖的风压时程,并以此为基础,计算了屋盖表面各测点的风荷载相干函数,分析了屋盖结构不同区域测点之间表面风荷载相干函数的变化规律.另外,利用结构有限元模型,使用频域方法计算得到了结构的位移与内力均方根响应,分析了屋盖表面风荷载相干函数对风致位移和内力响应的影响以及振型数量和振型交叉项对屋盖风致位移和内力响应的贡献.结果分析表明,在进行结构风致响应计算时,不考虑各测点之间的相干函数,会低估结构的风振响应,不考虑结构振型交叉项的影响,也会导致计算结果较大的误差.     

某火车站站台雨棚结构风振系数计算

对某火车站站台雨棚结构风荷载进行了数值研究,建立了火车站站台雨棚有限元模型,依据风速功率谱通过数值模拟得到雨棚表面测点风速时程及风压时程,对脉动风作用下的雨棚结构进行了风振反应时程分析,根据分析结果确定结构风振系数,为结构设计中风荷载计算提供依据.     

Ritz-POD法及其在大跨度屋盖结构风振分析中的应用

目的提出在频域内分析大跨度屋盖结构风致动力响应的新方法——Ritz—POD法，克服传统Ritz向量叠加法的不足，完善Ritz向量叠加法在大跨度屋盖结构风振响应分析中的应用问题．方法将Ritz向量叠加法和本征正交分解法（POD）相结合，用POD得到脉动风压的前几阶本征模态及相应的荷载中心频率，生成考虑多荷载空间分布模式及荷载频率影响的Ritz向量．结果利用Ritz—POD法分析一单层球面网壳的风振响应表明，仅用前5阶本征模态就能较好地描述脉动风压的空间分布形式（约为70％～80％），合理确定外荷载空间分布模式的重要性要比考虑外荷载频率影响更为显著．结论用Ritz—POD法能够合理给出脉动风荷载的空间分布模式，并有效考虑外荷载频率对结构动力响应的影响，可用少量阶数的Ritz向量即可得到较准确的风振响应，显著提高了计算效率，并且该方法包含了结构的主要贡献模态．     

简谐波叠加法模拟风谱

目的模拟脉动风荷载，在时域内实现数值模拟建筑结构的内力分析和变形计算．方法采用Davenport风速谱并根据Shinozuka理论，应用简谐波叠加法分别模拟了脉动风速、脉动风压和脉动风荷载时程曲线．结果求出了该风谱的功率谱密度和相关函数，并分析了某12层框架结构的顶层位移和加速度反应．证明此方法高速有效，且符合工程精度的要求．结论理论值和实测值的比较结果表明简谐波叠加法是一种正确有效的风荷载分析方法，能够反映结构的基本动力特性，对高层建筑的风振控制有一定的应用价值．     

矩形高层建筑顺风向脉动风荷载空间相关性

为研究风场类别、结构特征尺寸及竖向间距等因素对矩形高层建筑顺风向脉动风荷载空间相关性的影响,采用矩形刚性模型表面压力同步测量试验,对顺风向脉动风荷载及脉动风速相干函数空间分布特性进行研究,对矩形模型表面脉动风荷载与脉动风速、迎风面与背风面脉动风压的相关性进行对比分析.根据试验结果,对传统脉动风速相干函数模型进行改进,提出了可计及风场类别、结构迎风面宽度及竖向间距等流场和结构参数的矩形建筑顺风向脉动风荷载相干函数表达式.结果表明:顺风向脉动风荷载的相关性要明显强于脉动风,当矩形断面长边迎风时,迎风面脉动风压相关性低于断面整体风荷载的相关性,背风面脉动风压的弱相关性在间距较小时并不能完全忽略,采用传统脉动风速相干函数模型可能导致脉动风荷载取值偏不安全.     

桅杆结构动态荷载识别研究

运用基于模态分析法的动态荷载时域识别方法,在桅杆结构简化计算模型的基础上进行了作用在桅杆结构上的动态荷载识别的研究,同时利用在模拟风荷载下桅杆结构简化模型节点层的风振响应识别了作用在结构上的脉动风荷载.结果表明,反向识别的风荷载与正向动力分析时所采用的模拟风荷载基本一致,该荷载识别方法具有很好的识别精度.     

大跨度屋盖风振计算的软件实现

大跨度屋盖结构的荷载风振系数和风压计算具有庞大的工作量．本文综合考虑水平风和竖向风的作用，应用频域法对屋盖结构风振特性进行了分析，编制了可以与结构有限元计算软件衔接的考虑多阶模态组合的风振风压计算软件．经实例分析验证，大大提高了设计的效率和精度，效果良好。     

武汉国际证券大厦表面风压重组的POD法

讨论本征正交分解法在武汉国际证券大厦风洞试验模型主体结构上部分非均匀分布测点的风压上的应用．采用不同阶数的模态对部分测点进行风压重组，与原始风压进行对比，计算它们之间的误差，并分析了产生误差的原因，最后根据原始风压场推断出所需的未布置测压孔处的脉动风压时间序列．     

复杂体型高层建筑表面风压分布及风荷载特性试验

以成都某复杂体型超高层建筑为研究对象,在大气边界层风洞中对其进行了单体建筑刚性模型测压试验,对模型表面风压的分布规律进行了讨论;利用随机振动理论在频域内计算了基础等效静力风荷载和结构顶部加速度响应,并将风荷载试验结果与中、日两国最新规范的计算结果进行对比分析。结果表明：复杂体型高层建筑表面风压的分布规律与常规截面高层建筑基本保持一致,但是受到建筑体型的影响,个别立面的风压分布会出现与中国规范规定值完全相反的结论;同时,在局部区域会出现比规范值偏大的结果,由风洞试验结果计算得到的顺风向基底剪力和弯矩均大于中、日两国规范的计算结果,且日本规范的计算结果要大于中国规范的计算结果。所得结论可为类似工程提供参考。     

竖向肋条对高层建筑局部覆面风压的影响

为探究竖向肋条对高层建筑局部风压的影响,采用风洞试验方法研究不同肋条布置情况下高层建筑平均风压和脉动风压的分布特性,分析功率谱和POD模态的变化,探究竖向肋条布置后的风压非高斯性分布变化,最后给出不同工况极值风压系数。结果表明：肋条布置后迎风面的平均风压、脉动风压和极值风压均没有差异;而侧面肋条分界线上的前缘区域负压平均值、脉动值和极值风压有所增大,其余区域负压均减小;由POD可知对风场能量贡献最大为横风向气动力,肋条的布置使得一阶主坐标功率谱峰值降低,肋条分界线上的前缘区域位置的模态值增大较多;肋条布置后侧风面的非高斯性测点个数减少,背风面没有明显变化。其中半布和满布工况对局部风压特性造成的差异相差不大,说明中部的肋条对局部风压影响较小。     

大跨度钢网架结构屋面风压预测

风洞试验中,由于结构表面所布置的测点个数远远少于结构节点的个数,因而需要对未布置测点的屋架节点处的风压进行预测．本文采用本征正交分解法利用部分模态对部分测点风压进行了重组,并采用双线性插值和加权的本征正交分解法这两种方法对某海洋馆的屋面风压进行了预测,并对预测结果进行了比较和分析．     

单层平面索网幕墙结构的风激动力性能研究

为深入了解单层平面索网玻璃幕墙结构的风激动力性能,采用基于随机振动理论的模态叠加频域方法进行了单索幕墙结构的风振响应分析.由于单索幕墙具有较高的几何非线性,又将模态叠加频域分析方法的计算结果和非线性时程分析方法的精确计算结果进行了比较,证明了该方法的准确性.同时,采用各阶模态应变能的大小分析了各阶模态对单索幕墙结构风振响应的贡献,得到脉动风荷载下结构的振动以第一阶模态为主的结论.     

双曲冷却塔的脉动风荷载模拟和风致响应

采用线性滤波法中的自回归模型(AR)法对冷却塔表面空间相关的多点脉动风压时程进行模拟,分析脉动风压在时域和频域上的分布特征,发现准定常假设不够准确.同时采用有限元方法对冷却塔的自振频率分布和模态特征进行讨论,发现冷却塔的自振频率较为密集,前40阶自振频率为1.0～2.2Hz.通过冷却塔在脉动风压作用下的瞬态响应分析,得到冷却塔各响应的时域和频域特征,描述响应中的背景分量和共振分量的分布特点,并探讨AR法中采样间隔的合理取值.通过对有限元瞬态分析的结果分析指出,风致位移响应在塔身颈部附近达到最大,Mises应力响应则在塔底附近达到最大值.     

考虑风速风向分布的干煤棚结构风振疲劳分析

针对大跨开敞式干煤棚结构在风荷载作用下易发生风致疲劳破坏的问题,基于干煤棚结构的多点同步测压风洞试验结果,结合Miner疲劳线性累积损伤理论,分别采用雨流法、等效应力法、等效窄带法和等效宽带法等时域与频域内多种方法,计算得到干煤棚网架的风致疲劳损伤结果. 通过建立风速风向联合概率密度函数,考虑煤棚所在地实际风速风向联合分布特性对风致疲劳损伤分析的影响,利用高强螺栓应力经验公式,估算网架结构球节点的疲劳损伤. 结果表明,等效宽带法是频域法中较精确的疲劳损伤计算方法. 与其他风向角相比,干煤棚网架结构在40°~60°斜风向作用下更容易引发疲劳损伤. 在考虑风速风向联合分布的条件下,螺栓球节点的年均累积疲劳损伤比杆件本身更显著.     

开孔结构风致内压研究

为研究迎风面单一开孔建筑的内压特性，分析了开孔建筑的结构特征参数和来流风速因素对内压
的影响.采用Davenport水平脉动风速谱，利用三角级数对开孔处的来流风速时程进行模拟.根据准定常假
设，由模拟得到的风速时程计算出开孔处的外压系数时程，并通过内压传播方程计算出内压系数时程.参
数分析结果表明，内压能量随开孔尺寸、来流风速的增大而增大，随建筑容积、结构柔度的增大而减小.
Helmholtz频率仅受建筑本身结构参数影响，同来流大小无关.由于开孔后结构刚度降低，容易落入暴风雨
中的低频能量区发生二次破坏.     

锥形涡诱导下正方形平屋盖风压特性

为揭示旋涡作用下的脉动风压功率谱特性和确立谱能量与旋涡运动或湍流尺度之间的演变关系,基于大跨屋盖结构风洞测压试验,以涡轴方向测点列和横风向测点列为研究对象,分析了来流非垂直于迎风墙面时3种不同来流工况(均匀流、格栅紊流和B类地貌)和3种不同风向角(15°、30°和45°)下正方形底面的平屋面风压分布和锥形涡涡轴的运动特征.分析结果表明,3种来流工况下屋面最大风吸力、最大脉动值均出现在屋面下三角区的迎风顶点附近.3种风向角下,30°时在迎风顶点附近锥形涡诱导的平均、脉动风压均达到最强.对于同一来流工况下,随着风向角的逐渐增大,涡轴与迎风前缘的夹角和再附作用范围均在逐渐减小.涡轴方向迎风点附近测点风压谱谱峰值与其对应的屋面风吸力成正比例关系:在高频范围内,测点风压谱相应频率对应的谱能量峰值越大,屋盖平均风吸力也越大;在低频范围内,相应频率对应的谱能量峰值越大,其脉动风吸力也越大.均匀流下涡轴方向各测点间的互相关性较弱,格栅紊流和B类地貌下测点间的互谱曲线呈现指数衰减模式.