不同风向角下方柱气动特性的风洞试验研究

基于刚性模型测压风洞试验,分析了0～45°范围内不同风向角下方柱的气动特性,得到了方柱的平均风压分布、脉动风压分布、平均气动力、脉动气动力、旋涡脱落特性和驰振稳定性随风向角的变化规律.结果 表明:方柱的平均阻力系数和平均升力系数随着风向角的增大均先减小后增大,最后趋于平稳,在15°风向角附近取得最小值;方柱的脉动阻力系数基本不随风向角的变化而变化,脉动升力系数在风向角由5°增大到10°时急剧减小;方柱的斯托罗哈数随着风向角的增大呈小幅波动,在5°和15°风向角附近分别取得极小值和极大值;0～ 10°为方柱的驰振不稳定风向角范围.     

角度风作用下角钢输电塔头风荷载风洞试验研究

对±1 000 kV准东-华东特高压直流输电线路角钢塔的塔头模型进行了风洞试验,利用高频测力天平技术研究了塔头模型在角度风作用下的气动力特性。通过逐个拆除横担的方法（间接测量法）,分别获得了塔头左右两个横担的气动力系数、角度风系数和荷载分配系数。结果表明：角度风作用下横担阻力系数的最不利风向角为10°,升力系数最不利风向角为30°;塔头左右两个横担的角度风系数在0°～75°风向角范围内比较接近,但在75°～90°风向角下处于下游横担的角度风系数明显小于处于上游横担的角度风系数;荷载分配系数不宜直接通过将角度风系数按风向角分解得到,横向升力的影响不可忽略;根据试验结果给出了角度风系数的拟合公式,可为实际工程设计提供依据。     

气动外形对高层建筑风荷载的影响研究

针对我国现行建筑结构荷载规范规定的削角和凹角两种角沿修正形式,进行了7种截面形式高层建筑模型的风洞测压试验。定义角沿修正比为单个角沿沿主轴方向投影长度与全截面在同一方向投影长度之比,分析了角沿修正比对建筑风荷载的影响。试验结果表明:截面采用角沿修正是减小矩形截面建筑顺风向和横风向风荷载的有效方式;截面采用角沿修正比为10%的凹角修正时,建筑顺风向风力系数平均值和均方根值降低最多;截面采用角沿修正比为20%的凹角修正时,横风向风力系数均方根值降低最多;从频域来看,角沿修正对顺风向风力功率谱影响不大,而随着角沿修正比的增大,横风向风力功率谱谱峰对应的折算频率将向高频部分移动。     

亚临界雷诺数下线形布置三圆柱的平均气动力特性

为了给线形布置三圆柱结构的平均风荷载取值提供参考，通过刚性模型测压风洞试验研究了线形布置三圆柱在不同风向角和间距比下的平均气动力特性，并与单圆柱的结果进行对比分析。试验雷诺数为6.4×10⁴,风向角α和间距比L/D(相邻圆柱中心距与圆柱直径之比)的范围分别为0°～90°和1.2～4.0。研究结果表明：线形布置三圆柱的平均气动力特性可按间距比大致分为极小间距比(1.2≤L/D<1.4)、小间距比(1.4≤L/D<2.5)、中等间距比(2.5≤L/D<3.5)和大间距比(3.5≤L/D≤4.0)四类；三圆柱的平均阻力系数在极小间距比和小间距比时主要表现为减小效应，中等间距比时在α<60°时表现为减小效应，在α>60°时表现为一定的放大效应，大间距比时下游两圆柱在α≤30°时表现为减小效应；三圆柱的平均升力系数在一定风向角范围内表现为非零值，该风向角范围与间距比密切相关。     

基于代理模型的方形凹角截面超高层建筑气动外形优化

采用CFD数值模拟和基于代理模型的优化方法,研究方形凹角截面超高层建筑在多参数设计空间内的平面外形气动优化问题。首先,选取凹角率、凹角角度和凹角个数作为设计参数并考虑风向角的影响,基于最优拉丁超立方设计和非定常RANS方法获得初始样本点的气动力系数;其次,基于遗传算法(GA)和广义回归神经网络(GRNN)方法构建能准确预测设计参数与气动力系数之间复杂关系的代理模型;再次,以最小气动力系数为目标,利用GA-GRNN代理模型及其更新策略和非支配排序遗传算法在整个设计空间内寻优,确定全风向角下方形凹角截面的最优气动外形;最后,探讨凹角修正对截面气动性能的影响机理。结果表明,基于GA-GRNN代理模型的优化方法在气动外形优化方面具有较高的预测精度和计算效率;全风向角下的最优气动外形截面的凹角率为18.5%、凹角角度为70.4°、凹角个数为5,相比方形截面,该截面可使平均阻力系数和均方根升力系数最多分别减小53.4%和70.5%。该方法可为建筑结构气动外形优化及相关研究提供重要参考。     

连拱式大跨悬挑屋盖平均风荷载特性

文章通过数值风洞试验,对连拱式悬挑屋盖平均风荷载特性进行了研究。首先分析了不同风向角对连拱式悬挑屋盖的影响并依据升力与弯矩系数确立了0°为最不利风向角。在此基础上研究了屋盖倾角、看台后部通风率、上游看台的干扰对悬挑屋盖平均风压分布的影响,并且建立了考虑以上三种因素影响的平均风荷载模型表达式。     

预制舱变电站建筑屋面角区风荷载的数值模拟对比

对一预制舱变电站项目低矮建筑群中的综合舱建立了屋面角区无构件、附加新型三维曲面构件及传统女儿墙构件三种工况的数值风洞模型,采用SST k-ω模型模拟计算两个典型风向角下综合舱屋面角区的平均风压系数,并与风洞试验结果进行对比分析。结果表明：0°风向下,曲面构件与女儿墙构件均能有效减小屋面角区的平均风压,且效果相当;30°斜风来流风向下,曲面构件和女儿墙构件分别能将屋面角区几个风敏感测点处的平均风压系数均值减小为无构件工况下的67%和72%,表明曲面构件相比女儿墙构件,对优化屋面角区的最不利风荷载相对效果更好;虽然不同工况下屋面角区平均风压系数的数值模拟结果略小,但整体上和风洞试验规律一致,表明数值风洞方法对研究这类问题具有较好的指导作用。     

复杂塔冠对双塔高层建筑风压特性影响的试验研究

利用同步测压风洞试验方法,研究了3种典型风向角下圆角三角形截面双塔高层建筑顶部的花瓣形塔冠对建筑表面风压分布特性和风致响应的影响。基于试验数据,对建筑平均风压和极值风压等值线、整体体型系数、风荷载功率谱密度曲线以及基底合力(矩)进行了分析和比较。结果显示,复杂塔冠在整体上抬高了建筑顶部的风致绕流,使得部分风向角下建筑顶部附近的风压出现增大趋势;塔冠的存在同时使各楼层阻力和升力系数增大,且越靠近顶部增幅越明显;当风向沿着双塔形心连线方向时,由上游塔楼漩涡脱落形成的尾流激振现象十分显著,从而使得该风向角下的峰值加速度和横风向等效静力风荷载均达到最大,而塔冠的存在可能改变横风向风荷载的频谱特性,对于文中研究的双塔高层建筑,塔冠使得涡漩脱落频率略向低频转移,故使相应的峰值加速度和等效静力风荷载有所降低。     

上海浦东足球场风洞试验和风振响应分析北大核心CSCD

上海浦东足球场为跨度211m的轮辐式张弦结构体系,对其屋盖风荷载进行了研究。首先,通过1/300缩尺比的同步多点刚性模型测压风洞试验获得了屋盖上下表面的风平均内压和风压系数;其次,由风洞试验结果分析得到24个风向角下100年重现期对应的屋盖表面的风峰值外压;最后,结合结构的动力特性以及风洞试验结果计算了结构的风振响应和等效静力风荷载。结果表明:屋盖平均内压分布均匀并且随风向角变化不大;在迎风面外边缘可能出现最大的峰值外压;屋盖整体结构沿竖向的平均气动力和等效静力风荷载随风向角的变化有相似的变化趋势。     

上海浦东足球场风洞试验和风振响应分析

上海浦东足球场为跨度211m的轮辐式张弦结构体系,对其屋盖风荷载进行了研究。首先,通过1/300缩尺比的同步多点刚性模型测压风洞试验获得了屋盖上下表面的风平均内压和风压系数;其次,由风洞试验结果分析得到24个风向角下100年重现期对应的屋盖表面的风峰值外压;最后,结合结构的动力特性以及风洞试验结果计算了结构的风振响应和等效静力风荷载。结果表明:屋盖平均内压分布均匀并且随风向角变化不大;在迎风面外边缘可能出现最大的峰值外压;屋盖整体结构沿竖向的平均气动力和等效静力风荷载随风向角的变化有相似的变化趋势。     

高层建筑风致扭转荷载的干扰效应研究

在相邻建筑物的干扰下,受扰高层建筑的风荷载与其在孤立状态下相比会有较大的变化。本文采用动态测力天平技术,通过模型风洞试验研究了方形截面高层建筑在周边另一个同样建筑的气动干扰下,其平均、脉动和峰值扭转风荷载的干扰效应,分析了建筑物间距、风场和风向角等参数的影响。研究表明,高层建筑扭转荷载的干扰效应很显著,B类风场0°风向角下,峰值扭矩干扰因子IFp可达2.1,45°风向角下更可高达3.5。最后通过分析受扰模型的基底扭矩谱讨论了上游建筑旋涡脱落的影响。     

马鞍形索网屋盖的风荷载特性分析

为研究马鞍形索网屋盖在不同风向角下的风荷载特性,文章基于ANSYS CFX,引入SST k-ω湍流模型,并通过控制近壁区边界层网格确保近壁区流动仿真的可靠性。基于稳态算法,计算研究0～180°风向角下的结构表面风压系数分布特性,分析讨论了风向角变化对典型位置处风压系数的影响。研究表明,风压系数呈现较强的规律性,变化曲线未出现明显的震荡;结构在受近90°风向角的来流时,其风压分布与变化程度较为剧烈;看台前部处在高于90°的风向角下时,风压产生突变,可能需要通过风洞实验等方法进一步证实。     

附加构件对预制舱变电站建筑屋面角区风荷载影响的风洞试验

对一预制舱变电站项目低矮建筑群中的综合舱进行了屋面角区无构件、附加新型三维曲面构件及传统女儿墙构件3种工况的风洞测压对比试验;选取其中0°,90°,30°三个典型风向角下综合舱屋面角区的峰值风压系数进行分析。结果表明：无附加构件时,3个风向角下综合舱屋面角区局部的峰值负压均较大,其中30°风向角下个别测点峰值负压系数极值可达-12.0,对围护结构风荷载设计最为不利;曲面构件及女儿墙构件均能不同程度减小屋面角区的风荷载,其中在30°风向角下,两者分别能将屋面角区几个风敏感测点处峰值负压系数的平均值减小为无构件工况下的46%和55%,表明本文设计的三维曲面附加构件效果相对较好,能更有效优化这一类低矮建筑屋面角区局部不利风荷载。     

带凹角矩形截面高层建筑风荷载体型系数研究

采用CFD技术,对典型带凹角矩形截面高层建筑在群体建筑干扰环境下的平均风荷载进行数值模拟研究。首先对CAARC标准模型进行了数值模拟,以验证本文计算方法及参数设置等的合理性。然后基于两个风向角下的数值模拟结果,分析了该建筑物主塔楼表面上各区域体型系数的分布特征,并与我国荷载规范和文献中风洞试验给出的值进行了比较;同时,还计算了顺风向风荷载。研究发现,迎风侧凹角处的体型系数会出现较大的负值,与规范取值差别较大,这也将使得计算出的结构顺风向风荷载明显降低,造成该结果的主要原因是在迎风侧凹角处产生了较强烈的分离流和漩涡。除了气动外形以外,周边建筑的干扰也会对体型系数分布造成不可忽视的影响。     

架空钢结构连廊风荷载体型系数数值模拟研究

使用数值模拟方法对某市民服务中心工程架空钢结构连廊的风荷载体型系数在0°、30°、45°和60°风向角下连廊迎风墙面、背风墙面、上表面和下表面的体型系数进行了研究。结果表明:(1)在0°、30°、45°、60°风向角下,对于连廊的迎风墙面,风压以正压为主,而在背风墙面、上表面和下表面,风压均全部表现为负压。(2)连廊迎风墙面、背风墙面、上表面和下表面风压均随着风向角的增大而减小,最不利工况均出现在0°风向角时。根据数值模拟结果对连廊的背风墙面、上表面和下表面分区域给出了体型系数建议值,工程设计中可参考采用。     

不同圆角率下矩形高层建筑风荷载特性

通过刚性模型风洞测压试验,对4种不同圆角率（即圆角半径与模型短边迎风宽度之比分别为0、5%、10%和20%）的矩形截面高层建筑表面风荷载特性进行研究。对比了不同圆角率下建筑表面的风压分布与相关特性：圆角处理使得建筑迎风面边缘倒圆角处出现较大平均风压、极值风吸力和脉动风压;在侧风面上,平均与脉动风压梯度变化范围随圆角率的增大而逐渐减小,且横向相关性明显增强。分析了建筑顺风向与横风向的整体风力,圆角处理通过促进再附着从而减小尾流宽度,可降低高层建筑的顺风向阻力和倾覆弯矩,降幅随着圆角半径的增大而提升,同时,横风向升力和倾覆弯矩也将有所下降。     

浅析高层建筑的横风效应

高层建筑的横风向荷载及响应问题非常复杂,来流紊流、尾流和气动反馈的激励与其息息相关,风荷载是高层建筑所承受的主要侧向荷载之一。在沿海地带和非地震区,风荷载又常常成为结构设计的控制荷载,而高层建筑结构设计中的重要部分是包括内力、风荷载、位移、加速度等结构抗风分析。目前,高层建筑横风向风效应研究的内容主要包括以下三个方面:确定横风向气动力、识别横风向气动的阻尼和计算横风向等效静力风荷载的方法,同时确定高层建筑横风向风效应的主要手段有风洞试验、数据拟合和参数识别技术。本文主要讲了横风向气动力的确定、横风向气动阻尼的识别以及横风向等效静力风荷载的计算方法三个方面的内容。     

输电塔塔头平均风荷载的CFD模拟

为了得到典型输电塔塔头的风荷载系数,为抗风分析提供依据,采用CFD方法对其不同风向角时的平均风荷栽进行模拟,并进行对比分析.结果表明:风向角为0°时,输电塔塔头、横担等的顺风向风荷载系数CY与方形格构塔身的顺风向风荷栽系数CY基本相等;风向角为90°时,上游部分风荷载Cx明显比下游部分大,有显著的遮挡效应;当风向与线路...     

动力敏感性结构风荷载全阶概率分析方法

高层建筑主体结构设计风荷载受来流风速的方向性影响较为明显,传统风荷载估算方法偏于保守。为此,提出一种考虑风向的风荷载全阶概率分析方法,基于可靠度理论将单风向的风荷载概率分布表达成风荷载效应系数极值和来流风速极值的概率分布函数。为了计入结构动力敏感性的影响,基于风洞试验获得的结构气动力数据,通过对结构动力响应分析,将风荷载效应系数极值的概率分布参数表达成来流风速的函数,进而结合各个风向的风荷载概率分布数据,给出了动力敏感性结构具有一定保证率的风荷载。最后,将所提方法的计算结果与蒙特卡洛模拟方法和传统方法的计算结果进行了详细对比。结果表明,本文方法计算结果与蒙特卡洛方法模拟结果吻合较好,传统的最不利荷载法和风向折减方法计算结果过于保守。     

圆角化方形截面高层建筑风荷载特性试验

对圆角率为25%的正方形高层建筑刚性模型进行了测压试验,并对其风荷载特性进行了研究;分析了三分力系数和基底力矩系数随风向角的变化规律,给出了阻力系数平均值、根方差值和升力系数根方差值拟合结果;分析了最不利风向角下的风荷载功率谱,并采用经验公式进行拟合;分析了体型系数并与规范中正方形体型系数进行了对比。结果表明:对正方形建筑角部进行圆角化处理能明显降低建筑风荷载,且消除了功率谱曲线谱峰尖而窄的单峰现象,从本质上改变风荷载特性,有利于主体结构的抗风设计;角部区域负压较大,对幕墙抗风设计不利。