矩形超高层建筑横风向脉动风力,Ⅱ:数学模型

系列文章的第一部分总结了矩形截面高层建筑横风向脉动风力的基本特征。在此基础上,采用非线性最小二乘法,以风场类型及厚宽比为基本变量,对横风向脉动风力根方差系数、竖向相关系数以及功率谱密度进行拟合,得到横风向脉动风力的闭合求解公式。最后通过与试验结果的比较,验证了这些公式的精度。运用这些公式,可较为方便地计算矩形截面高层建筑的横风向脉动风力。     

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。     

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。     

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。     

斜置拉索表面脉动风力特性研究

采用一套可调节拉索模型倾角和风向角的试验装置,通过同步测压风洞试验,测得了三维拉索（考虑了拉索的倾角和风向角）表面的脉动风压分布。风洞试验考虑了风向角和Re数的影响,试验风向角为0～45°,试验 Re数为1.17×105 和2.34×105,两种Re数分别处在亚临界区和临界区内。通过进一步的分析,得到了两种Re数下风压功率谱、脉动风力和风力功率谱随风向角的变化情况。研究表明：随着风向角的增大,斜拉索的Strouhal数逐渐减小;当Re数进入临界区后,拉索的脉动风压分布和脉动风力将发生很大变化     

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%.     

修角对方形超高层建筑横风向气动阻尼的影响

为了研究横截面削角、凹角及沿高收缩处理三种气动修正措施对作用在建筑上的横风向气动阻尼比的影响,对10个超高层建筑气动弹性模型进行了风洞试验。利用随机减量法识别了横风向气动阻尼比,通过与前人相关研究成果的比较,验证了识别结果的正确性。研究结果表明：角沿处理及截面沿高收缩对抑制超高层建筑的气动弹性效应并非总是有效,较小的削角率(5%~20%)、凹角率(5%和10%)及沿高收缩率(1%)可以有效的减小各折减风速下气动阻尼比绝对值的大小,而当这些气动修正措施相对尺寸较大(凹角率20%、3%及5%的沿高收缩率)时,气动阻尼比的改变将增大结构风致振动响应。基于这些研究,拟合了适用于低折减风速下相应工况的横风向气动阻尼比的经验参数,供工程设计人员参考。     

格构式塔架风力特性试验研究

摘 要 本文应用高频测力天平技术,对格构式输电塔塔身模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究其风力特性。结果表明风场对塔架结构的平均风力系数影响较小,塔架结构平均风力以顺风向风力为主,顺风向的脉动风力大于横风向,扭转脉动力可以忽略不计。同时还对比了不同国家规范中关于格构式塔架平均阻力系数的规定。谱分析表明,塔架结构顺风向主要表现为来流紊流激励;横风向力谱较为复杂,可能存在复杂的激励机制;塔架扭转功率谱是一明显的宽频谱,较顺、横风向功率谱值小很多,且随紊流度谱值变化不大。相干性分析表明,塔架结构横风向基底剪力与基底扭矩的相干性较强,紊流度对其影响不大。
     

风场类型对方形超高层建筑顺风向气动阻尼的影响研究

摘要：通过8个典型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,研究了典型超高层建筑顺风向气动阻尼比的变化规律,考察了风场类型对建筑结构顺风向气动阻尼比的影响。研究结果表明：在I－IV类风场下,建筑结构的气动阻尼比随折减风速增长的速度渐缓;在V－VIII类风场下,风场对顺风向气动阻尼比的影响不是很显著。基于大量矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼特性研究,并结合风场类型的影响,给出相应的经验公式,供工程设计人员参考。     

非高斯脉动风压的模拟研究

对于风荷载数值模拟,大多数研究都是假定风荷载为平稳高斯随机过程。然而,在分离流作用的一些局部重要区域,例如建筑物屋盖边缘、屋面转角等,风荷载表现出强烈的非高斯特性。为了能够有效地模拟非高斯脉动风压,本文提出一种模拟非高斯脉动风压的框架。首先,根据风速与风压间的关系,严格推导出脉动风压功率谱密度函数。然后,基于导出的功率谱密度函数、Johnson转换系统和数字滤波理论,提出一种能够快速而有效的生成指定偏度、峰度和功率谱非高斯脉动风压的方法。最后,通过一个一维单变量非高斯脉动风压的模拟算例对该方法的可行性和正确性进行验证。数值结果表明：模拟生成的单样本非高斯脉动风压的统计参数例如偏度和峰度与目标偏度和峰度非常吻合,而且模拟功率谱与目标功率谱两者也吻合得很好。     

单体1:1:6方形截面建筑绕流的大涡模拟

基于Fluent 6软件平台,采用大涡模拟(LES)方法对一宽高比为1:1:6的高层建筑缩尺模型表面的平均和脉动风压进行了数值模拟,并与相应风洞试验结果进行了比较和分析,然后,研究了不同来流湍流度对结构表面风压分布的影响.结果表明:(1)对于类似研究的00风向角下的方形截面建筑来说,结构迎风面风压直接受来流湍流的影响;侧面由于存在流动分离,其风压主要受分离产生的特征湍流的影响,受来流湍流度的影响较小;而背风面处于复杂的尾流区,其表面风压受到的影响因素比较复杂.(2)在风压系数的统计特性和自谱上,LES结果与风洞试验结果均能够基本保持一致,LES方法能够较准确预测结构表面的平均和脉动风压分布.     

超高层建筑脉动风速时程的数值模拟研究

风荷载是超高层建筑设计的主要荷载之一,而且风振时域分析可以更全面地了解超高层建筑风振响应特性,更直观地反映超高层建筑风致振动控制的有效性.因此,使用谱解法(Spectral Representation Method,SRM)模拟超高层建筑的风速时程.首先,考虑超高层建筑风速时程的时间和空间相关性,导出了使用SRM-fast Fourier transform(FFT)模拟超高层建筑五点脉动风速时程的显示理论表达式,指出了单边风速功率谱与双边风速功率谱在系数选取上的差别,这方面国外学者基本都是应用双边风速功率谱.接着,基于超高层建筑五点脉动风速时程的显示理论表达式,模拟了一幢高度为200m超高层建筑上20个点的风速时程.最后,通过比较模拟自相关函数和互相关函数与目标自相关函数和互相关函数的吻合程度,验证了SRM-FFT模拟超高层建筑上任意点数脉动风速时程的可行性.