某复杂山体的三维风场特征研究

为获得某复杂山体的三维风场特征,采用基于眼镜蛇测量仪的风洞试验方法进行研究。分析各风向角下水平风加速比和竖向风速占比的分布特征,将典型风向的水平风加速比与各国规范进行比较,最终提出复杂山体三维风场的设计建议。研究表明:山顶在各风向角下均存在显著的水平风加速效应;山腰和山脚在侧风风向存在较显著的水平风加速效应;风洞试验结果与美国规范非常接近,中国规范偏保守;最大竖直向风速发生在山腰位置,其中向上竖向风速发生在迎风方向,向下的竖向风速发生在背风方向;规范中的水平风速只针对迎风情况,并不能考虑全风向尤其是侧风向的来流;建议对重要的山体构筑物采用风洞试验方法获得其三维风场。     

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%.     

遮挡山体对输电塔线体系风振疲劳的影响

山地地形中遮挡山体使风场更加复杂,对结构的风致响应也造成了较大影响。为此,本文首先基于风洞试验研究了遮挡山体的不同坡度、高度以及间距对受扰山体风场特性的影响,通过对13种工况中受扰山体的山顶和背风面加速比的变化情况进行分析,得到了遮挡山体对风场的影响规律。然后,根据风向风速实测数据计算出风向风速联合分布的统计概率,结合时域和频域疲劳累积损伤理论,提出了输电塔线体系风振疲劳的建议算法。最后,基于试验数据及统计概率对某特高压输电塔线体系在各工况的风场条件下分别进行了风振疲劳分析,结果表明：输电塔疲劳寿命随遮挡山体坡度呈先增后减的复杂变化趋势,山体背风面山脚疲劳寿命最短;坡度相同而高度不同的遮挡山体未对输电塔疲劳寿命造成明显变化;遮挡山体间距较小时输电塔疲劳寿命最短,但随着遮挡间距增加受扰山体风场逐渐趋于稳定,疲劳寿命随之延长。     

复杂山地风场幅值特性试验研究

复杂山地具有与单个山体完全不同的风场特性,为了研究平均和脉动风速在复杂山地中的空间分布规律,进行了不同山体间隔距离、不同遮挡山体坡度和高度的复杂三维山体模型边界层风洞试验。试验结果表明:随着间隔距离增加,山顶近地平均风速最大加速比迅速减小;背风面山脚加速比迅速由正值减小为负值。随着遮挡山体坡度增大,山顶加速比迅速增大,最后趋于稳定。遮挡山体坡度小于临界坡度时,背风面山脚加速比为负值,反之则为正值。脉动风速均方根加速比随着遮挡距离的增大,逐渐线性向单个山体的结果靠拢;当受扰山体坡度大于遮挡山体坡度时,背风面山脚脉动风加速效应主要由受扰山体控制,反之则由遮挡山体控制。遮挡山体高度对平均风和脉动风速均方根加速比影响都较小。最后根据试验结果提出了复杂山地风场平均及脉动风速均方根计算修正模型。     

B类风场与台风风场下输电塔的风振响应和风振系数

为研究常规B类风场与台风风场下输电塔的风振响应差异,以沿海地区某四回路角钢输电塔为原型建立了有限元模型,采用谐波叠加法生成两类风场下的风速时程,并在时域内进行了输电塔风振响应和风振系数的数值分析。结果表明：台风风场的高湍流特性导致其作用时各测点的顺风向风振响应均大于B类风场下的对应值。两类风场下,输电塔的风振系数比值约为1.25。因此,台风多发地区的输电塔设计必须考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应。此外还进行了气弹模型风洞试验,以研究不同风速下的气动响应和风振系数,并将试验结果与理论计算进行了分析比较,验证了数值分析的适用性。     

山地风场中特高压输电塔线体系动力可靠度研究

山地风场因受山体的干扰作用具有与平地风场截然不同的特征,对山地地形中结构高、跨度大和电压等级高的特高压输电塔线体系进行风振响应研究时,无法采用现有适用于平地风场的计算方法。为此,在风洞试验的基础上,首先对三类山地地形的不同工况,即单个山体的8种坡度,单个山体的3种高度以及两个山体的3种遮挡间距,对风场的影响分别进行了研究。通过对各工况下山体迎风面、山顶和背风面的平均风速加速比及湍流度的变化情况进行分析,提出了相应的修正公式,有效地考虑山地地形对风场的影响,得到了各工况下山地风场的平均特性和脉动特性。然后,基于试验数据及风场模型采用有限元计算理论对特高压输电塔线体系在各工况的风场条件下进行动力时程分析,并根据随机结构动力可靠度计算方法分别计算出各工况下特高压输电塔体的动力可靠度。最后,通过对比分析发现了不同山地地形条件下各工况中迎风面、山顶及背风面的不同位置输电塔体动力可靠度的变化规律。     

台风作用下输电塔线体系多元状态监测及风偏可靠度分析

在舟山某输电线路上布设一套包含风速风向等气象要素以及塔线动力响应的多元状态监测系统。该监测系统获取了在2017年18号台风“泰利”影响下的输电塔线周边风场,导线风致振动以及动张力等现场实测数据。考虑结构参数的不确定性,建立了该输电线路有限元模型,开展了本次台风以及不同风灾水平下的导线风振反演分析,其中脉动风场是在数值模拟生成的基础上再与现场实测风速数据同化后得到。本次台风作用下的反演分析结果与实测值吻合较好,验证了随机风振反演分析结果的有效性。根据风偏响应结果,进一步完成了该输电线路可靠度分析,得到了风偏闪络失效的易损性曲线,从而评估了该输电线路在不同风灾作用下的风偏闪络危险程度。     

一种山区峡谷桥址区风场特性数值模拟方法

为准确获得山区峡谷桥址处的风场特性,以一座在建的山区峡谷大跨度桥梁为工程背景,基于开源的计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM平台,提出了一种山区峡谷桥址处风场特性的数值模拟方法,改进了计算域形态,设置了地形过渡段,并利用"虚拟标准气象站"法获得了计算域入口风速条件,从而实现了高质量的山区风场数值模拟,解决了数值计算雷诺数与实际不符的难题。在此基础上,分析了大桥主梁上横桥向和顺桥向的风速及放大系数、风攻角、风向角和不同跨度处的风剖面。同时结合流线显示方法,研究了桥址处主梁风场流动机理。结果表明:该桥址处的基本风速为24.75 m/s;河道岸边的陡峭山体对气流的干扰作用很大,使风攻角、风向角和风速放大系数在桥位处发生较剧烈变化;部分来流下的风剖面形态受地形影响较大,底部出现急加速现象,风速呈现显著的剪切特性。该研究提出的数值模拟方法丰富了山区峡谷桥址处风场特性分析手段,对山区桥梁抗风设计有一定的指导作用。     

桥塔风效应对大跨度悬索桥抖振响应的影响

以润扬长江公路大桥南汊悬索桥(润扬悬索桥)为研究对象,首先基于ANSYS建立了该桥的三维有限元计算模型,同时基于桥址区实测风特性建立了该桥考虑桥塔风效应的三维脉动风场,在此基础上进行了该桥非线性抖振响应时域分析,重点研究了桥塔风效应对大跨度悬索桥风致抖振响应的影响。研究结果表明,主塔风效应对大跨度悬索桥主梁抖振响应的影响很小。就主塔而言,其顺桥向抖振响应受桥塔风效应的影响也很小,但横桥向抖振响应在考虑桥塔风效应时显著增加,在进行抖振响应分析时不容忽视。研究结果对大跨度悬索桥的风致抖振分析具有参考价值。     

山地平均风加速效应数值模拟

以往对加速效应研究中,往往只用相对简单的公式来计算山顶加速比而忽略其他复杂情况,为了讨论山体坡度、高度和地貌情况等因素的影响,利用数值模拟方法进行了山地加速效应计算,其结果显示山顶最大加速比随山体坡度和高度的增加而增大,随地面粗糙度指数的增加而减小,同时坡度、高度和地貌也对山顶加速比的空间分布有显著影响;并根据分析数据拟合了加速比计算的修正算法。     

输电塔线体系抗风设计理论与发展

摘要：输电塔线体系是国家重要的电力工程设施。显然,它们的安全性直接关系到国家电网运行的可靠性, 而风荷载是影响它们安全性的主要因素之一。首先,本文简要介绍了我国超高压、特高压输电线路的发展前景。接着,从输电塔线体系的分析模型、动力特性、风致动力响应、风致振动控制等几个方面,对输电塔线体系抗风设计理论的发展进行了综述。最后,论文重点阐述了输电塔线体系抗下击暴流风荷载设计的重要性,提出了有待于研究的若干问题。指出了对下击暴流风荷载的研究将为我国建造模拟雷暴风环境的新一代风洞实验室和输电塔线体系的抗下击暴流提供理论基础和设计指导,同时为输电塔线体系的风致振动控制设计与实现提供重要的参考。     

表面风压分布对冷却塔风致响应和局部稳定性的影响

针对规范和风洞试验作用下冷却塔的风荷载和风致响应差异进行研究,对比中、英、德三国规范给出的冷却塔平均风压分布系数,以某冷却塔为例比较试验和规范的风荷载差异,建立"塔筒-支柱-环基-桩"的冷却塔一体化有限元模型,进行不同的表面风压分布对冷却塔风致响应和局部稳定性的影响研究。研究表明:风洞试验得到的平均风压分布系数在顶部和底部存在三维流分布;规范和试验风荷载作用下冷却塔各响应的最值情况各有差异,其中对于人字柱和桩基轴力风洞试验的计算结果最大;中、英、德规范计算的局部稳定性系数非常接近,风洞试验结果总体上大于规范结果,其最小值比规范结果大37.8%。     

良态风场与台风风场下输电塔线体系气弹模型风洞试验

基于文献资料确定了工程所在地区的良态风场和台风风场参数。采用离散刚度法制作了五塔四线输电塔线体系气弹模型,开展了紊流场中多种风速、多个风向角下单塔及塔线体系气弹模型风洞试验。比较了良态风场和台风风场下单塔及塔线体系的风振响应和风振系数。研究结果表明:台风风场下单塔及塔线体系的位移均值和加速度根方差均大于良态风场,试验风速为7 m/s时位移差值分别为20%(单塔)和30%(塔线体系)左右,加速度根方差的差值分别为50%(单塔)和100%(塔线体系)左右;台风风场下输电塔的风振系数比良态风场下大7%以上。因此台风区输电线路设计要注意台风风场的高湍流特性对风振响应和风荷载的放大作用。     

超大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真与受力性能分析

历史上强风作用下大型冷却塔风毁事件多次发生,现有研究关注的重点大多为风致塔筒局部强度超限或失稳破坏,均忽略了由局部损坏引发的整体连续倒塌破坏的后续现象,且难以揭示大型冷却塔风致倒塌过程及作用机制。鉴于此,基于计算流体动力学（CFD）与显式动力分析算法（LS-DYNA）技术提出了大型冷却塔风致倒塌全过程数值仿真模拟方法,并以山西潞安电厂世界最高220 m超大型冷却塔为例,建立了考虑材料非线性塔筒-支柱三维有限元模型,并分析了结构动力特性;基于显示动力时程分析方法,加载基于CFD获得的塔筒三维平均风压进行拟动力分析,数值再现了超大型冷却塔风致倒塌全过程;研究了塔筒应力分布变化规律与倒塌全过程的扭曲变形姿态等特征,提炼出冷却塔风致倒塌的受力特点与作用机制,并讨论了单元失效参数的影响。结果验证了该文数值方法可以有效模拟超大型冷却塔风致倒塌全过程;其倒塌过程始于塔筒喉部迎风面大变形,并在两侧30°范围内呈现褶皱现象,最终因变形不协调而相互牵扯垮塌。研究表明,强风致超大型冷却塔倒塌受力机制可划分为弯拱机制与悬绞线机制,材料模型的单元失效参数对于超大型冷却塔风致倒塌的影响不可忽略。     

大跨越输电塔线体系随机脉动风场模拟研究

为在时域内分析大跨越输电塔-线体系风振响应,根据结构体型特征和脉动风场的功率谱特性,考虑输电塔-线分布、平均风剖面变化、功率谱能量与相干性等影响因素,提出了简化作用于输电塔线体系的多变量三维脉动风场(n-V-3D)为多变量一维脉动风场(n-V-1D)分析方法。结合输电塔线体系有限元法风振响应分析的特点,应用谐波叠加法和谱分解的适当修正,建立了脉动风速时程数值模拟方法。实例模拟表明,数据符合统计检验,模拟功率谱与目标谱吻合,从而验证了模拟方法的有效性和模拟脉动风速时程适用性。     

三维瞬态风场下覆冰导线舞动响应研究

为研究三维瞬态风场下输电线路舞动响应特性,以覆冰四分裂导线为例,根据三维随机流场生成方法和脉动风速功率谱,逐点模拟覆冰分裂导线周边的脉动风速场,并运用考虑子导线扭转效应的分裂导线舞动非线性有限元法对新月形和D形覆冰输电线路在均匀流场、一维脉动风速场和三维瞬态风场下进行舞动分析,比较了三类流场下导线舞动响应的异同之处,在此基础上讨论风场湍流成分对舞动的影响机制。研究结果表明:三维瞬态风场的脉动特性使得导线在一个振动周期内吸收的能量不再保持恒定,造成舞动响应始终伴随有一定程度的随机振动,舞动幅值无法最终达到稳定状态;同时,风场瞬态效应能提高覆冰导线舞动最大振幅,特别是D形覆冰下能使其提高一倍以上。三维瞬态风场的脉动特性在输电线路设计过程中应引起足够的关注。     

基于大涡模拟的台北101大楼风致响应分析

应用一种新的湍流脉动流场产生方法(Discretizing and Synthesizing Random Flow Generation, DSRFG)模拟了台北101大楼周围风场的湍流边界条件,采用一种新的大涡模拟的亚格子模型,对台北101大楼进行了全尺寸的数值风洞模拟。得到了台北101大楼周围的风流场及作用于其上的风荷载时程数据。建立了大楼的3维有限元模型,对其进行了摸态分析和基于大涡模拟风荷载时程作用下的瞬态动力分析。计算了风荷载作用下大楼的风致响应。并将计算结果与现场实测以及风洞试验的相应数据进行了对比,结果表明:计算得到的风致响应结果与现场实测以及风洞试验结果吻合较好。该数值模拟方法可为高层建筑结构抗风设计提供有效参考。     

基于向量式有限元的输电塔风致动力响应研究

该文以某大跨越格构式输电塔风致响应为例进行向量式有限元的应用分析,采用C++语言编写杆系结构向量式有限元的计算程序,获得输电塔的响应并与传统有限元结果进行比较,探讨阻尼处理方法和计算步长对计算结果的影响,最后针对输电塔进行风荷载作用下的倒塌分析。研究表明,两种方法算得的位移响应非常接近;向量式有限元法的计算效率比传统有限元高,该文算例中计算时间相差约20倍;计算步长对有限元计算结果有影响,建议计算时进行试算;向量式有限元可以用来求解输电塔的倒塌问题。     

下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型EI北大核心CSCD

风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载,现行规范风压分布模型均针对良态风气候,缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。首先,采用冲击射流模型和大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术模拟下击暴流三维非定常风场,分析了涡环运动、风速变化等风场特性;然后,以内蒙金山电厂228m世界最高冷却塔为例,揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布,以及升/阻力系数分布特征;最后,与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明:下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环,各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势;涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区,在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡;塔筒内、外表面时程风压系数脉动趋势明显,底部区域受涡环影响震荡显著;冷却塔升力系数基本为0,层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大,在塔底达到最大值;涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值,进而易引起结构的破坏。     

输电线路导线阵风响应系数研究

采用阵风荷载因子法推导了不同档数、影响线函数下输电线路导线阵风响应系数的计算公式,研究了湍流积分尺度、风速、档距、共振响应分量、分离系数和峰值因子等因素对导线阵风响应系数的影响规律,并将其与现行ASCE规范和中国规范的导线阵风响应系数进行了比较分析。分析结果表明,计算导线跨中位移和输电塔风致响应时,应分别考虑单档和相邻两档导线上的风场不完全相关性。影响线函数采用线性函数或正弦函数时,其差异对导线阵风响应的影响可以忽略。与风速和湍流积分尺度相比,档距对导线阵风响应系数的影响更为显著,档距由100 m增至1000 m时,导线阵风响应系数至少降低了20%。忽略导线共振响应分量影响,导线阵风响应系数会偏小5%以上。峰值因子对导线阵风响应的影响较为显著,峰值因子按照ASCE规范取3.6比按照DL/T 5551—2018规范取2.5计算得到的导线阵风响应系数高8.6%。