截球形气膜结构气弹模型风洞试验研究

为了研究截球形气膜结构的风致响应及风振系数，在B类地貌风场中进行了3种典型矢跨比截球形气膜结构的气弹模型风洞试验，考察内压、风速、有无拉索对膜面位移、应变的影响，分析截球形气膜结构的风致振动规律，提出截球形气膜的等效静力分析方法，给出考虑流固耦合效应的响应风振系数。研究表明：结构总位移极值出现在结构顶部及迎风面中心线约1/3矢高处，最大主应变发生在结构侧面中心线位置；结构平均变形呈顶部隆起、迎风面凹陷、侧面向外凸出的形状；风荷载作用下结构内压减小明显；结构顶部的横风向位移响应标准差、竖向位移响应标准差、顺风向位移响应标准差依次减小；无索结构总位移和最大主应力的风振系数均在1.1～1.4之间；施加拉索后，结构的竖向位移基本为0,顺风向位移及横风向位移极值分别减小为无索结构的50%和30%,总位移风振系数为1.6,最大主应力风振系数仍在1.1～1.4之间，拉索的应力风振系数约为1.6。     

考虑屋面板自振效应和流固耦合效应的大跨度空间结构风振系数

为了得到屋面板自振效应和流固耦合效应对大跨度空间结构风振系数的影响,首先对不同风速时程数值模拟方法的计算效率和计算精度进行比较,确定适合大跨度空间结构风速时程数值模拟的方法;分别针对考虑屋面板自振效应和流固耦合效应推导了风荷载计算公式;对天津奥林匹克中心体育场大跨度钢管桁架结构和某体育馆屋盖大跨度单层球面网壳结构进行风振系数计算分析。结果表明,考虑屋面板自振效应,结构风振系数增大;考虑流固耦合效应,结构风振系数减小,且风和结构的耦合起主要作用,风和屋面板耦合的影响很小,可忽略不计;同时考虑屋面板自振效应和流固耦合效应,结构风振系数分布规律基本不变,屋面板自振效应与流固耦合效应对结构风振系数的影响不能相互抵消,且对不同结构影响程度不同。     

大跨度球壳屋盖风致积雪数值模拟及雪荷载不均匀分布系数研究

采用风雪单向耦合方法及单方程雪相模型对大跨度球壳屋盖结构进行风致积雪分析。通过改变风速和矢跨比分别研究屋盖表面积雪和侵蚀沉积量随风速及矢跨比变化的关系。拟合球壳屋盖表面积雪侵蚀量随风速和矢跨比变化的近似公式,建议了球壳屋盖表面雪荷载不均匀分布系数计算式,并与现行建筑结构荷载规范采用的雪荷载不均匀分布系数进行对比。研究结果表明:球壳屋盖表面的积雪侵蚀量与风速呈抛物线关系,与矢跨比呈线性关系;计算得到的球壳屋盖表面的雪荷载不均匀分布系数与ISO国际标准草案规定较为接近。     

防风网对大跨气膜煤棚气动性能影响效应研究

为了明确防风网的布置形式对煤棚结构风荷载的影响,以某发电厂大跨气膜煤棚项目为工程背景,通过风洞试验研究了防风网透孔率为40%时在不同的高度和间距状态下对结构体型系数、脉动风荷载功率谱的影响,得到了不同遮挡效应下结构体型系数随风向角的变化规律.结果表明：在煤棚周围布置防风网后,结构表面体型系数绝对值有所减小;防风网高度相同时,结构体型系数随着布置间距增大而减小;防风网布置间距一定时,结构体型系数随高度增加呈减小趋势.布置防风网后结构表面测点的脉动风荷载功率谱峰值增大,谱峰宽度减小.风向角为90°时,防风网的遮挡效应最为显著,煤棚表面分区体型系数降低约65%.     

风—膜结构流固耦合效应的参数分析

膜结构是一种风敏感性结构,风-膜结构的流固耦合效应不容忽视.本文基于边界元理论,考虑风-膜结构的流固耦合效应,运用弱耦合分区求解策略,计算稳态情况下膜结构的位移、应力及风压分布.以张拉膜结构中最常见的马鞍型为例,变换风场平均风速(15m/s、20m/s、25m/s)和风向角(0°、45°、90°)以及结构矢跨比(1/6、1/8、1/12)、初始预张力(1.0kN/m、2.5kN/m、4.0kN/m),研究流场和结构的参数变化对流固耦合效应的影响,为膜结构抗风研究与工程实践提供参考.     

影响流固耦合效应强弱的参数分析

利用ANSYS软件对流固耦合问题进行了参数分析,介绍了流固耦合理论及数值模拟前期成果,基于固定其他影响因素,通过改变影响结构流固耦合效应的风速和风向角,得到了结构的风致振动特性和流固耦合效应的影响规律,对结构—风荷载流固耦合效应的研究有一定参考价值。     

大跨结构屋盖风致响应状态Newmark法

本文运用状态空间Newmark法,推导了大跨屋盖结构在时域内的随机风致响应和风振系数的计算方法。通过对一大跨平面空间网架结构的建模分析,计算得到了屋盖的随机风致动力响应时程,研究了屋盖的荷载风振系数和位移风振系数,分析比较了表面两种风振系数的分布特性和变化规律,研究结果可以作为大跨度网架屋盖风荷载设计的一种参考。     

平面拱形桁架等效静风荷载研究

对矢跨比分别为1/4、1/6、1/8的3个拱形屋面进行了同步测压风洞试验,分析风荷载和结构参数对平面拱形桁架风振响应和等效静风荷载的影响规律。风洞试验结果表明, 0°风向时,高矢跨比屋面的最大负压幅值出现在屋顶,而低矢跨比的出现在迎风前缘。从方便工程应用的角度,采用简化振型函数表达针对结构多个位移和杆件应力响应的多目标等效静风荷载。在工程常用范围内,分析结构矢跨比、跨度、屋面质量、设计风速和风向等参数对中部和端部平面拱形桁架多目标等效静风荷载的影响,得到可用于指导该类结构抗风设计的等效静风荷载风压系数建议值,且经校核,在该等效静风荷载作用下的结构响应与实际动力响应极值吻合较好。     

基于气动弹性模型的曼型干式煤气柜风致响应风洞试验研究

为了对煤气柜进行风致响应分析,根据风洞试验相似准则,设计制作了曼型干式煤气柜气动弹性模型,并对煤气柜模型动力特性进行试测。在此基础上,详细分析了煤气柜在不同工况下的风致响应。结果表明:煤气柜气动弹性模型能够准确模拟原型结构动力特性;活塞位置对煤气柜位移响应的影响显著,位移响应最大值发生在活塞处于低位时,迎风面柜体的2/3高度处;试验风速对活塞邻近测点位移响应的影响有限,对与活塞相距较远测点位移响应的影响明显;活塞的存在对柜体风振系数起到抑制作用,但总体而言煤气柜风振系数沿子午向从上至下逐渐增大。结合试验结果给出了煤气柜风振系数计算式。     

雷暴冲击风激励下大跨张弦桁架的振动响应分析

本文针对大跨张弦梁桁架在雷暴冲击风激励下的振动响应进行研究,为实际工程结构的抗风设计提供依据。采用混合随机模型对雷暴冲击风强风荷载进行数值模拟,其中平均风采用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟,脉动风采用基于Kaimal目标谱的自回归AR模型模拟。以某火车站大跨张弦桁架雨棚结构建立基准分析模型,利用时域分析方法研究不同雷暴冲击风场参数(最大风速半径,风暴移动速度,风向角)对张弦桁架位移、加速度和拉索索力等结构风振响应的影响。结果表明:在风荷载时程两个峰值位置,桁架位移达到峰值,加速度波动尤为剧烈,拉索轴力显著减小,其中,90°为拉索最不利风向角。针对雷暴冲击风中平均风速和脉动风速响应均随时间变化的特性,研究了大跨张弦桁架结构的整体风振系数计算方法,结果表明:张弦桁架除支座外各点位置对节点整体位移风振系数的影响较小,可采取统一的结构整体位移风振系数并引入安全系数对结构进行设计。     

风荷载作用下薄壁弯箱梁自行车桥受力性能研究

笔者以厦门市薄壁连续弯箱梁高架自行车桥为例,考虑弯扭耦合效应,利用有限元分析软件,建立了该连续梁桥典型桥跨第21联的3维有限元分析模型,并充分考虑高度变化系数、脉动系数等影响因素,模拟分析了横向风荷载作用下该联连续桥跨结构的变形、内力和位移。结果表明:该联各跨跨中最大竖向位移不超过0.4 mm,背风侧比迎风侧位移小,截面底部比顶部位移大;曲线段桥墩弯矩的弯扭耦合效应明显;直线段桥梁跨中横向应力分布呈对称状,曲线段则表现出明显的非对称分布特点。对类似自行车高架桥设计和抗风性能分析有一定的参考价值。     

考虑流固耦合效应的风荷载数值仿真计算

使用ANSYS软件,通过改变影响结构流固耦合效应的风速和风向角等主要外界因素,对风荷载下的低层建筑结构进行不同湍流模型的数值模拟,输出计算结果,并与实测数据进行比较,得到风速和风向角对其结构的风致振动特性和流固耦合效应的具体影响规律。     

大跨度屋盖结构站房风洞试验研究

以某大跨度屋盖结构火车站风洞实验研究为例,分析大跨度三跨双坡曲面屋盖的风荷载特性,并利用刚性模型风洞试验得到的脉动压力数据进行风致振动分析,试验结果表明:在屋面边缘及屋脊附近的上吸风荷载绝对值要比屋面内部区域值大,屋面波谷区域风荷载值在-0.5~-1.0 kN/m~2范围内,悬挑位置及屋脊上吸风荷载值最大可达-5.0 kN/m~2;脉动风压系数一般在迎风屋檐附近比较大,可达0.6。研究同时表明大跨屋盖的风荷载取值受建筑外形、周边干扰、结构特性、风向等因素影响明显,需要进行全面深入的分析研究。     

单层球面网壳结构风振响应分析及风振系数

利用线性自回归过滤器的模拟技术对考虑时间和空间相关性的风场进行计算机模拟,对施威德勒型、联方型和凯威特型三类单层球面网壳结构进行了水平风作用下的风致振动响应分析,分别考虑三种矢跨比1/8、1/5、1/4的影响.对风振响应的变化规律及其受矢跨比的影响进行了总结.计算了9种工况网壳结构的位移和内力风振系数.     

覆面鱼鳞化和气动干扰下的烟囱风荷载和风振响应

烟囱的风致效应是设计中不可忽略的控制因素之一。位于武汉市的某矩形截面烟囱(高约100 m)采用鱼鳞状覆面装饰,既可以起到装饰的效果,也可能会抑制其风荷载,此外,邻近的厂房(高约50 m)也会对烟囱产生显著的气动干扰效应。因此,以刚性模型测压风洞试验为手段,对其风荷载(体型系数)和风振响应(等效静力风荷载)进行研究。研究表明：烟囱覆面的鱼鳞状处理可以明显减小矩形烟囱的迎风面风荷载(体型系数)和横向漩涡脱落效应;临近厂房对烟囱的气动干扰效应非常明显：位于上游时使烟囱迎风面的正压变成负压,位于下游时使烟囱一侧侧风面的负压变成正压,位于一侧时使烟囱靠近的侧风面的负压值变大,甚至因受到厂房的分离流和漩涡脱落的影响使迎风面变成了负压;基于CQC-反演法的顺风向等效静力风荷载与GB 5009—2012《建筑结构荷载规范》的方法较接近,而横风向和扭转等效静力风荷载则差别较大。     

某典型细长索膜结构风振效应的数值模拟分析

基于计算流体动力学(CFD)和结构有限元方法,数值模拟分析桅杆支承式细长型索膜结构风振效应.运用谐波叠加法模拟生成风速时程,并与SSTk-ω湍流模型结合作为风场计算域入口条件,运用ADINA有限元软件,数值计算考虑风致流固耦合作用的某典型细长索膜结构关键响应,包括索膜结构节点的风致位移响应、速度响应、加速度响应等,分析不同风向角对索膜结构风致效应的影响,计算获得基于结构风致位移响应的风振系数.研究成果可为工程抗风设计提供技术依据.     

风速对空冷支架结构体系风振系数影响的试验研究

空气冷凝器支架结构体性质独特,80%的质量集中在支架结构上部,振动表现为前三阶振动耦合,现行GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》关于风荷载的计算对空冷支架体系这种独特的结构形式已不适用。结合某空冷支架结构制作气弹模型,通过风洞试验分析得出:结构的顺风向风振系数β随着风速的增大而减小。为确保此类结构的安全,提出取结构迎风面测点风振系数的平均值1.80进行风荷载计算。     

外伸板对高层建筑横风向风致响应影响研究

高层建筑风荷载与风致振动是高层建筑抗风设计中的两个控制性因素。已有研究表明,外伸板可以有效降低结构风荷载,但其对结构风致振动的影响并未得到系统研究。选取6种不同的外伸板布置方案,分别开展刚性模型测压试验与气弹模型测振试验,针对布局不同的外伸板对高层建筑横风向风致响应的影响开展对比分析。结果表明：当折减风速不大于11时,外伸长度为7.5%B(B为建筑迎风面宽度)的竖直外伸板可使建筑的横风向位移标准差最多减小26%,外伸长度为12.5%B、相邻两层外伸板间距为8%H(H为建筑高度)的水平外伸板,能够使建筑横风向位移标准差最多减小37%;而当折减风速大于13时,外伸板反而会增大建筑结构的横风向风致响应,从而对建筑结构安全产生不利影响。对于采用外伸板的降载减振设计,当折减风速低于6时,气弹效应对建筑结构横风向风致响应基本没有影响;当折减风速介于6～11之间时,气弹效应能够进一步抑制横风向风致响应;而当折减风速大于13时,气弹效应会引起明显的气动负阻尼,加剧横风向风致响应。     

基于风压系数简化模型的圆柱形充气膜结构有限元分析

为分析风荷载作用下圆柱形充气膜结构的受力性能,对风入射角、膜内外压之比、矢跨比等主要影响因素进行有限元分析。基于水平、竖向合力等效的原则,对该类充气膜结构风压系数试验资料进行分析,提出了几种常见情形下风压系数分布简化模型;利用该分布模型,通过模拟试验分析了上述因素对某工程结构控制位置处的位移和应力的影响。结果表明:借助风压系数简化模型的有限元分析结果与试验结果吻合较好;极限入射方向角为60°时,对气膜结构产生的位移、应力最大;内外压之比越小,风压作用越明显;充气膜结构越柔,对其产生的位移、应力越大;矢跨比越大,气膜结构上的最大位移和最大应力越大,同时最小应力也越小,导致结构越容易因局部膜材出现皱褶而发生失稳破坏。     

基于流固耦合的屋盖空间结构气弹模型数值风洞模拟

为研究烟台潮水机场主屋盖钢结构在风荷载作用下的真实风致响应并探索气弹模型与刚性模型体型系数计算结果的差异,开展了基于流固耦合技术以及ADINA软件的屋盖空间钢结构气弹模型数值风洞模拟。介绍了数值风场在屋盖结构附近的风场流线图;计算了气弹模型在数值风场中的变形云图与最大位移数据;基于流固耦合分析所得的结构风致响应研究了主屋盖风振系数取值;比较了气弹模型与刚性屋盖模型在屋盖表皮主要节点处体型系数计算数值的差异。研究表明:基于流固耦合的数值风洞模拟技术有助于更直接地把握结构真实风致响应规律;在主体结构刚度不同时,体型系数的计算取值将有一定的差异。