屋盖开孔的近地空间建筑的风致内压

以屋盖开孔的近地空间建筑为研究对象,采用刚性模型测压风洞试验方法,研究了开孔率、开孔位置、内部容积、地貌类别等因素对风致内压的影响规律,与当前主要国家规范及以往试验进行对比。结果表明:屋盖开孔建筑的内压高度相关,内压存在高频Helmholtz共振,角部开孔工况的Helmholtz共振现象明显;屋盖开孔建筑的内平均风压在全风向角下表现为吸力,角部开孔工况的内平均风压较中心开孔工况大;屋盖开孔建筑的脉动内压随模型内部容积增大而减小,随来流湍流度增大而增大,侧墙的门窗开孔可减小平均内压和脉动内压;各国规范均不同程度地高估了屋盖开孔建筑的内部正风压,低估了内部负风压。     

屋盖开孔的近地空间建筑的平均风压特征

对开孔位置和开孔率不同的7个屋盖开孔近地空间建筑进行了缩尺刚性模型测压试验,分析了屋盖升力系数,屋盖中线测点和立墙测点的点体型系数,以及屋盖的块局部体型系数分布规律,并与当前规范取值进行比较,结果表明:屋盖中心开孔减小了屋盖向上的净平均风吸力,屋盖轴线测点最大正体型系数可达+0.32,中心开孔屋盖设计时应充分考虑正风压作用;屋盖角部开孔时的正风压较中心开孔工况大,对结构受力不利;中国规范对于屋盖中心开孔工况的角部块Ra的局部体型系数取值偏于不安全;屋盖角部开孔后局部块受风的压力作用显著,会导致屋盖的进一步破坏;屋盖中心开孔增大了迎风面立墙正风压86%以上,减小了侧墙和背风面立墙的吸力,使得在全封闭状态下承受风吸力的背风面墙转而承受风压作用。     

马鞍屋盖表面面积平均风压特性研究

为完善我国建筑荷载规范中有关围护结构和覆面材料的设计,本文提出了面积平均风压的概念。通过刚性模型风洞测压试验,研究了马鞍屋盖表面的面积平均风压特性。⒈ 以锥形涡为引,确定各矢跨比马鞍屋盖表面出现锥形涡的来流工况,以涡核吸力和涡核互相关性为依据,确定了马鞍屋盖的最不利风向为沿高点连线方向。⒉ 在一定附属区域内对单点风压进行集合,得到面积平均风压（时程）;在马鞍屋盖表面实行各种分区,探讨了最不利风向下各面积平均风压时程的峰值吸力随附属面积的变化趋势,得到了相应的拟合公式;通过各区域内单点风压时程的累积概率分布,验证了该拟合公式的准确性与有效性;根据偏度和峰度值大小,分析了面积平均风压时程的非高斯特性,并与单点时程的风压特性进行了比较,结果表明面积平均风压时程曲线中风压脉动分布均匀,高频脉动减少,因而其非高斯特性并不如单点突出,且普遍偏向高斯分布     

迎风墙面多开孔结构风致内压的试验研究

为了研究建筑迎风墙面多开孔情况下的风致内压响应动力特性,由非定常伯努利方程推导了多开孔情况下内压控制方程,通过方程线性化得到了系统的等效阻尼比。对迎风面开孔面积相同的单一开孔和双开孔模型分别进行了6种不同容积下的风洞试验。研究结果表明:所推导的方程能较好的预测内压脉动。随着模型容积增加内压均值变化不大,而内压共振频率降低及等效阻尼比增加。与单一开孔相比,双开孔会增加Helmholtz共振频率以及等效阻尼比,所以在大部分风向角下,双开孔模型内外压脉动均方根之比要小于单一开孔工况。单、双开孔两种工况的最大内外压脉动均方根之比分别出现75°和60°斜风向下。     

突然开孔结构的风致内压及屋盖响应研究

在系统阐述开孔结构的内压瞬态波动理论及屋面结构风振响应问题的基础上,对开孔瞬间的脉冲内压、气流稳定后屋盖结构所受的最大净风压进行了估算;同时讨论了内压作用下的屋盖响应特性。研究表明,建筑物突然开孔时的内压脉冲对结构安全威胁很大,对于已经存在开孔的结构的屋盖由于受到内外压的共同作用要比开孔前承受更大的风荷载,从而解释了台风或者飓风期间建筑物门窗突然破坏时容易进一步造成屋盖破坏的现象。屋盖响应分析结果表明,当开孔结构的H e lm ho ltz频率、弹性屋盖的固有频率以及来流中所包含的涡脱落频率,三者接近时,屋盖将发生较大的共振。     

开孔结构风致内压脉动的频域法分析

提出了估算开孔结构风致内压脉动的频域分析方法,并实施了风洞试验进行验证。针对结构迎风面开孔的不利状况,根据伯努利方程导出内压响应动力微分方程,再采用能量法将非线性阻尼线性化,结合随机振动理论及迭代算法得到风致内压脉动量,通过数值算例分析了开孔结构内压频响特性及开孔率、开孔数量与开孔位置对风致内压脉动的影响。设计制作了迎风墙面具有不同开孔的刚性模型对结构内部进行风洞测压试验,试验结果与理论结果较为吻合。理论与试验研究结果均表明,对于结构单一开孔,空腔-孔口动力系统的频响特性及孔口外压谱决定了内压的脉动量,而多处开孔时各孔口风压的相关性也成为影响内压脉动的重要因素。     

大跨开合式屋盖峰值风压的试验研究

以1:300的几何缩尺比制作了一个开合式大跨屋盖体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场进行了同步测压风洞试验。对活动屋盖开启和关闭工况下的屋盖表面净风压时程的随机特性进行了研究,结合概率曲线相关系数法对屋盖净风压时程在Gumbel、R-Weibull、Normal和Gamma四种候选分布中选择了最恰当的Gamma和Normal分布来描述测点的风压系数概率分布,进一步采用了转换过程法对屋盖测点的极值风压峰值因子进行了估计,并给出了极小值风荷载分布。结果表明:①转换过程法可以较好考虑风压的非高斯特性,能更安全地估计开合屋盖测点的极值风压;②固定屋盖的极值风压峰值因子在活动屋盖开启工况要稍大于活动屋盖关闭工况,其位置主要在固定屋盖屋顶口;活动屋盖极值风压峰值因子则开启工况小于关闭工况。③对于峰值风压,由于关闭工况下较大的平均风荷载,其极小值风荷载总体上仍大于活动屋盖开启工况。     

行业标准《屋盖结构风荷载标准》的主要内容

全面介绍了新编行业规范《屋盖结构风荷载标准》的主要内容。针对多种屋盖主体结构的风振响应计算分析和抗风设计,采用平均风压与脉动风振等效静力风压之和表达主体结构的风压标准值,提出了脉动风荷载作用下结构风振响应极值的单目标、多目标等效静力荷载表达方式;采用多目标等效静力风荷载分析方法,给出了平面桁架、张弦梁、网架、球壳、柱壳、鞍形屋盖和悬挑屋盖的风振等效风压系数图表及体型系数图表。采用围护结构风压系数极值表达围护结构的风压标准值,规定了长/短时距的风压极值估计方法,给出了低矮房屋单坡/双坡类屋盖、四坡屋盖、中高层房屋屋盖、开敞屋盖、悬挑罩蓬的风压系数极值图表。《屋盖结构风荷载标准》引入屋盖主体结构风振等效风压系数和围护结构风压系数极值的概念,完善和发展了我国屋盖结构抗风设计的相关规定。     

开孔双空腔结构风致内压动力特性的研究

该文推导了开孔双空腔结构内压动力响应的方程组,得到了共振频率和等效阻尼比。对不同空腔开孔面积比和内部容积比下模型各空腔的内压动力响应进行了风洞试验。研究结果表明:两空腔结构模型进行风洞试验时空腔的内部容积,应按照原型和实验风速比平方的关系进行调整以准确模拟原型的内压脉动。含有外墙开孔的空腔(前腔)内压脉动均方根小于不含外墙开孔的空腔(后腔)。内外压均方根比会随着空腔开孔面积比的增加而增大。另外,空腔开孔面积比的增加还会导致系统共振频率升高,等效阻尼比降低。而空腔容积比的增加会使一阶共振频率升高,二阶共振频率降低,并趋向单一空腔时的Helmholtz频率。     

台风致窗户破坏时大跨度屋面风振响应研究

通过大跨度屋盖建筑刚性模型风洞试验和气动弹性模型风洞试验,得到屋面节点风压时程和加速度时程。采用试验所得的脉动风压时程数据利用有限元法对屋面进行风振瞬态响应分析得到了屋面位移和加速度响应,并与气动弹性模型风洞试验结果相比较,验证瞬态分析的正确性。详细阐述了台风致窗户破坏时大跨度屋盖结构的风振响应机理和特点,计算并比较了四周封闭和突然开孔两种情况的荷载风振系数和位移风振系数。这些结论为大跨度屋盖结构的抗风设计提供了指导和参考。     

海边坡角可调试验房风荷载现场实测研究

在东海边上海浦东国际机场附近建造了一栋坡角可调的低矮房屋及测风塔,以对海边附近的风场特性及低矮建筑屋盖表面风压特性进行研究。该变坡房最大特点是屋盖坡角可以在0～30°之间自由调节,以便分析坡角变化对屋盖表面风压的影响。本文首先分别对0°、10°及20°屋盖坡角下选取的10分钟风压时程信号进行了分析,并与1:30刚性测压风洞试验相应结果进行了对比,表明屋盖表面平均及脉动风压分布与风洞试验结果吻合较好。其次,对风速、风向角的平稳性及其之间的相关性进行了分析,说明风速与风向角之间耦合作用明显,尤其竖向风向角对风速脉动影响较大,时间滞后为0时两者之间相关系数接近-0.5。最后,对屋盖表面风压信号的非高斯特性进行了研究,发现偏度与峰度之间具有较好的线性关系,并给出了0°、10°及20°屋盖坡角下偏度与峰度的线性拟合公式。     

复杂屋盖结构表面风压的非高斯特性研究

对一具有复杂曲面形状的开敞式大跨屋盖结构进行了风洞模型测压试验,对获得的屋面平均风压系数、脉动风压系数及其偏度和峰度值进行了计算和分析;提出并运用三种概率分布混合模型:对数正态分布和Weibull分布组合(LW)、双对数正态分布组合(LL)、双Weibull分布组合(WW)模型,对屋盖的非高斯风压分布特性进行了拟合和计算。结果显示,这类复杂屋盖除了在迎风屋檐、角区等出现吸力极大值外,还会在跨中凸起区域产生依次排列的多个极值区,这主要与复杂曲面所引起的气流多次分离与再附着有关;屋盖不同部位的风压呈现不同程度的非高斯特性,其中气流分离区的风压非高斯特性比较显著;三种概率分布混合模型对屋盖风压系数概率分布的拟合效果有所差别,其中LW混合模型的拟合效果最佳,适用于不同偏度的风压分布情况。     

大跨平屋盖风荷载特性及风压预测研究

在大气边界层风洞中开展了大跨平屋盖结构刚性模型试验,获得了屋盖表面测点的风压时程,分析了典型风向下屋盖表面平均风压与脉动风压特性。结合本征正交分解技术(POD)与BP神经网络法,提出了一种可用于大跨结构进行空间插值的机器学习法—POD-BPNN法,实现了对风压的高效预测。预测的平均风压系数、脉动风压系数、脉动风压的时域与频域特性均与风洞试验值相吻合。表明运用POD-BPNN方法预测大跨结构表面风压是可行的。     

复杂曲面屋盖脉动风压的非高斯特性及峰值因子研究

以某大跨复杂曲面屋盖为研究对象,通过刚体模型风洞测压试验,研究表面脉动风压的概率分布规律和非高斯特性,分析形成非高斯分布的流动机理,并分别基于脉动风压空间相关性、峰度和偏度的累积概率,提出了高斯分布和非高斯分布的划分标准;在此基础上,采用Hermite矩模型构建非高斯分布与峰值因子间的联系。结果表明:屋盖迎风侧边缘和曲面拐角的表面脉动风压概率分布相较于标准高斯出现严重的偏离和凸起,呈现显著的非高斯分布特性,其原因在于上述区域的流动分离明显,其风压分布受分离涡影响而呈现较强的空间相关性,不满足独立同分布条件;以脉动风压空间相关性作为划分高斯与非高斯区域的标准更加合理,且物理意义较为明确。此外,还给出了此类复杂曲面屋盖非高斯区域风荷载峰值因子的取值范围。     

突然开孔时孔口气流动力特性参数的数值模拟

建筑物突然开孔时瞬态内压响应的规律可以用一个二阶非线性常微分方程来描述,由于开孔形状和孔边物理特征的复杂性,采用风洞试验获取方程中各项系数的方法往往比较困难。首先利用计算流体动力学的方法,模拟建筑物突然开孔瞬时的流场变化,获得风致内压的Helmholtz频率和孔口气流的等效线性阻尼。再由这两个参数计算得到的内压增益并与风洞试验结果相比较,二者结果吻合较好,表明数值计算能够准确地模拟突然开孔结构孔口处的气体流动状态。其次,利用孔口气流振荡曲线,采用参数拟合的方法进一步获得了内压传播方程中的各特征参数。     

均匀流中矩形高层建筑脉动风压的阻塞效应试验研究

对阻塞度为4.1%、6.1%、8.4%和10.1%的CAARC高层建筑标准模型在均匀风场中分别进行了测压试验,对比了各模型表面测点风压系数的根方差、功率谱、空间相关性和相干性,总结了矩形单体高层建筑脉动风压阻塞效应的主要规律,并从流场方面来解释。阻塞效应对模型绕流和尾流产生约束,改变了旋涡脱落形式,影响了建筑表面易产生分离、涡脱处的根方差脉动风压系数;建筑表面风压系数的功率谱、空间相关性和相干性也发生变化。     

并列双方柱气动特性的干扰效应研究

为了研究并列双方柱在不同间距比时气动力特性的干扰效应,采用刚性模型测压风洞试验的方法,通过改变两方柱之间的距离,得到了不同间距比下并列双方柱的风压系数、升力系数和阻力系数。结果表明:当间距比1.2≤L/D2.5时,并列双方柱平均风压系数的干扰效应明显,且主要表现在内侧面,平均阻力系数和脉动升力系数的干扰效应表现为减小效应;当间距比L/D≥2.5时,并列双方柱的平均风压系数、平均阻力系数和脉动升力系数的干扰效应均不明显。     

神经网络方法在大跨度屋面风压研究中的应用

大跨度结构屋盖表面风压系数和功率谱的测量对于结构风振响应的计算有重要意义。提出了根据有限的风洞试验测试结果用神经网络方法预测未知点平均和脉动风压系数、以及脉动风压的自功率谱和互功率谱函数的方法,并将这一方法应用于一座实际大跨度屋盖结构,其预测结果与实测值吻合得较好。这为研究大跨度屋盖结构的风荷载和风振响应分析提供了一个有效方法。     

周边建筑对轻轨站房风荷载的干扰效应研究

以典型轻轨站房为例,利用刚性模型测压风洞试验,研究了周边建筑与站房高度比分别为 0.66,1.08,1.50 条件下,周边建筑对轻轨站房风荷载的干扰效应。风洞试验结果表明,受周边建筑物干扰效应影响,站房受到的水平风荷载减小,当周边建筑物高度不高于站房（高度比=0.66,1.08）时,竖向风荷载亦减小;当周边建筑物高于站房（高度比=1.5）时,在 0°?70°风向区间站房收到的竖向风荷载增大。周围建筑物使得站房周边流场中的湍流成分增加,作用于站房表面的脉动风压亦增大,当周边建筑物高于站房时,脉动风荷载的干扰效应尤为明显,水平向脉动风荷载干扰系数达到 1.8。站房表面极值风压受周边建筑影响较大,尤其是当施扰建筑高度大于站房时,该种情况下,屋盖及墙面极值风压均明显增大,其中,屋盖角区风吸力增大 12.5%,墙面角区风压力和风吸力增幅分别达到33.5% 和 16.7%。     

非高斯风压时程的矩模型变换与峰值因子计算公式

利用Hermite矩模型理论建立了非高斯过程与高斯过程之间的单调变换关系;非高斯过程与高斯过程的极值发生概率相等,界限穿越率相等,这为非高斯风压峰值因子、风压极值的计算奠定了基础。在介绍软化过程、硬化过程和偏斜过程的Hermite矩模型理论的基础上,采用偏斜系数、峰态系数表明了矩模型的单调变换范围,由此可根据偏斜系数、峰态系数预先确定Hermite矩模型的变换公式和变换阶数。建立了非高斯过程峰值因子的概率分布表达式,明确了非高斯峰值因子与高斯峰值因子之间的一一对应关系。将非高斯极值概率分布及峰值因子计算方法应用于平屋盖局部风压峰值因子、风压系数极值的计算。结果表明:非高斯风压的峰值因子、风压系数极值的计算值的平均值与实测值的平均值吻合,风压系数极值的吻合程度优于峰值因子的吻合程度。