用高频底座力天平研究广州西塔的风效应

广州西塔总高度432m,是目前华南地区的最高建筑,风荷载是该超高层建筑的控制荷载.采用高频底座力天平方法对该建筑的模型进行详细的风洞试验,根据试验结果计算了该结构的风振响应和基底荷载,分析了流场湍流度、现有周边主要建筑结构和待建的东塔对西塔风振响应的影响.结果表明:湍流度对静风荷载影响甚少,但动力风荷载尤其是其背景部分以及结构顶部的加速度则随湍流度的增大而增大;东塔对西塔的干扰影响体现在加速度上,它可以使西塔的结构顶部加速度增加127%.文中对结构模态阻尼比和峰值因子的取值对结构风振响应的影响也进行了讨论.     

复杂高耸结构三维风振响应时程分析

河南省广播电视发射塔是一座结构复杂的多功能钢结构电视塔,其风荷载和风振响应均存在明显的三维效应.本文在HFFB试验的基础上,对河南省电视塔的三维风荷载进行了研究,对比分析了不同方向风荷载的特点以及风向对风荷载的影响,在此基础上提出了结构不同高度处的三维风荷载时程的计算方法,最后采用时程分析的方法研究了该结构的三维风振响应.     

高海拔输电线路风荷载特性及铁塔杆件内力分析

基于高海拔地区山地和平原两类地貌1.5年的实测脉动风风速数据,确定了两类地貌风剖面指数、湍流强度的均值和98%保证概率值,分析了高海拔风场特性参数对输电线路风压高度变化系数、杆塔风振系数和导地线风振系数的影响规律,高海拔地区风剖面指数不应高于A类场地风剖面指数0.12。确定了高海拔与标准B类地貌下杆塔和导地线风荷载的差异,通过结构受力分析得到了高海拔地区杆塔应力及分布特征,两类地貌风场下杆塔最大应力比较B类地貌均有所增加,且山地地貌风场更为不利,杆件最大应力比达到了1.14。研究结果可为高海拔地区输电线路的抗风设计和运行维护提供参考依据。     

输电塔风振响应研究

本文基于Matlab采用Davenport风速谱对大气边界层的脉动风速进行了模拟,并通过一具体的工程实例,采用Ansys分析研究了不同风场湍流度和结构阻尼比对输电铁塔风振响应的影响,同时计算了结构的风振系数。计算结果表明,风场湍流度和结构阻尼比对输电塔的风振响应有不同程度的影响,计算时应考虑两者的综合效应;按我国规范计算的结构风振系数小于美日规范。     

不同断面宽度群体高层建筑的动力干扰效应(第1部分 顺风向响应)

基于高频底座力天平技术,研究了不同宽度比的两个和三个建筑物间的顺风向动力干扰效应。文中采用了神经网络、统计和谱分析等方法对干扰特性和机理进行了分析。结果显示,当受扰建筑位于上游施扰建筑物的尾流边界时,会产生较大的动力响应;并且两个施扰建筑物的联合干扰作用会比单个施扰建筑物的干扰作用强,在B类地貌下两个施扰建筑物测出的干扰因子(IF)会比单个施扰建筑的增加79%。位于上游的施扰建筑所脱落的旋涡会使受扰建筑产生涡激共振响应并且产生数倍于非共振情况的IF值,尤其对于小宽度的施扰建筑,在较小的折算风速时就会产生涡激共振问题。粗糙化地貌的高湍流度会对上游施扰建筑尾流的旋涡形成产生一定的抑制作用,在D类地貌下的IF值要远小于B类地貌情况,但在D类地貌下观察到IF值仍有2.2。     

小截面建筑干扰下的高层建筑气动力及风致响应研究

上游来流经小截面施扰建筑可产生频率较高的漩涡,在较低的风速下会使受扰建筑发生涡激共振而受到较大的干扰作用。为此,通过同步测压风洞试验和风振响应计算,详细分析上游施扰建筑与下游受扰主建筑的截面宽度比为0.4时的受扰建筑基底气动弯矩、基底峰值弯矩响应以及结构顶部峰值加速度的干扰效应。结果表明：在B类和C类地貌风场下受扰建筑基底平均和脉动气动弯矩均表现为遮挡效应和弱放大效应,最大干扰系数仅为1.05;顺风向、横风向基底峰值弯矩响应和顶部峰值加速度的干扰效应都较基底平均和脉动气动弯矩的强;结构顶部峰值加速度的干扰效应明显强于基底峰值弯矩响应,其中在B类和C类地貌风场下的横风向峰值加速度均在串列位置(2b, 0)附近处呈现强放大效应,最大包络干扰系数分别为4.7和3.03。进一步对尾流涡激共振的干扰机理研究表明,基底峰值弯矩响应和结构顶部峰值加速度响应的放大效应干扰机理是一致的。对于受小截面施扰建筑影响的情况,仅分析气动力的干扰效应是不够的,必须考虑不同折算风速下的荷载响应包络干扰效应。     

Interference effects on aerodynamic and wind-induced responses for an upstream interfering building with small section size

上游来流经小截面施扰建筑可产生频率较高的漩涡，在较低的风速下会使受扰建筑发生涡激共振而受到较大的干扰作用。为此，通过同步测压风洞试验和风振响应计算，详细分析上游施扰建筑与下游受扰主建筑的截面宽度比为0.4时的受扰建筑基底气动弯矩、基底峰值弯矩响应以及结构顶部峰值加速度的干扰效应。结果表明：在B类和C类地貌风场下受扰建筑基底平均和脉动气动弯矩均表现为遮挡效应和弱放大效应，最大干扰系数仅为1.05；顺风向、横风向基底峰值弯矩响应和顶部峰值加速度的干扰效应都较基底平均和脉动气动弯矩的强；结构顶部峰值加速度的干扰效应明显强于基底峰值弯矩响应，其中在B类和C类地貌风场下的横风向峰值加速度均在串列位置(2b, 0)附近处呈现强放大效应，最大包络干扰系数分别为4.7和3.03。进一步对尾流涡激共振的干扰机理研究表明，基底峰值弯矩响应和结构顶部峰值加速度响应的放大效应干扰机理是一致的。对于受小截面施扰建筑影响的情况，仅分析气动力的干扰效应是不够的，必须考虑不同折算风速下的荷载响应包络干扰效应。     

开阔地貌台风风场现场实测与风洞试验应用研究

基于100m高测风塔上风速仪的现场实测数据,获得了开阔地貌台风风场的平均风速剖面与湍流度剖面模型。在大气边界层风洞中准确模拟了台风风场和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)规定的B类风场,并通过一个大跨刚性模型测压试验,详细分析与对比了两类风场条件下大跨屋面风荷载分布规律特征。研究结果表明:在开阔场地条件下,台风近地边界层平均风速沿高度分布符合对数律,亦满足指数律,风剖面幂指数介于规范规定的A类风场与B类风场之间,平均湍流度比B类风场规定值大1倍;台风风场作用下,开阔地貌大跨结构屋面风荷载受湍流度的影响远高于受平均风速剖面的影响,体型系数随湍流度的增大而增大,屋面风荷载亦随之增大。     

大跨度气膜煤棚风致响应及风振系数试验研究

大跨度气膜煤棚结构对风荷载较为敏感且流固耦合效应明显,而其风致灾害机理仍不明确。为此,在B类地貌风场中进行了3种典型矢跨比的大跨度气膜结构气弹模型风洞试验,通过数字图像相关技术测量了不同矢跨比、风向角、内压、风速及是否加索下的膜面位移、应变,并测量了不同拉索的应变,分析了结构的风致响应规律,给出了考虑流固耦合效应的的响应风振系数。研究结果表明：风荷载作用下,结构顶部向上隆起,迎风面及背风面凹陷明显,侧面向外变形较小;结构的迎风面及顶部的平均位移较大;增大初始内压、减小矢跨比或施加拉索,结构平均位移明显减小;随着风速增大结构内压减小明显。考虑流固耦合效应的大跨度气膜煤棚位移分区风振系数在1.2～1.3之间,最大主应力分区风振系数在1.1～1.4之间,拉索应力风振系数取1.5。     

变电站构架避雷针风振响应分析

为明确变电站构架避雷针结构的风振响应特点以及风振系数取值,以一座单跨和三跨构架避雷针结构为例,在结构表面脉动风场模拟的基础上,进行了多风向和多场地类型的风振响应时程计算和风振系数分析。研究发现,构架避雷针结构的平面内外刚度相当,双向基频也基本一致,但由于平面外将承受较大的横梁荷载,故平面外风向是其最不利风向。尽管单跨和三跨结构的基频基本一致,但前者的共振效应较后者明显偏大,说明不能完全根据基频判断结构风振效应的大小,还应考虑各自模态的特点。根据结构设计原则和各响应的风振效应特点,应以弯矩而非传统的位移作为风振系数评价指标,由此所得结构风振系数在A类和B类场地均在2.0以上,已超过现行设计规程取值。研究结果为结构设计和规程修订提供了参考。     

任意排列两方形断面高层建筑风致干扰机理研究

风致干扰效应是高层建筑群抗风设计中的常见难点问题之一。采用刚性模型测压试验,研究了均匀层流和两种大气边界层风场条件下任意排列两方形断面高层建筑的风致干扰效应,通过平均和脉动基底弯矩系数的干扰因子、风力系数、风压系数分布以及风荷载功率谱的研究,解释了其风致干扰效应的机理。结果表明,任意排列的两方形断面高层建筑风致干扰中,至少存在横风向静力干扰、顺风向静力干扰和横风向动力干扰三个值得注意的干扰区域。 窄道形成的加速效应使受扰结构上形成指向施扰建筑横风向平均吸力和阻塞形成的受扰建筑的横风向平均推力;遮挡效应使得受扰建筑承受指向位于上游的施扰建筑的顺风向风力;漩涡叠加增强位于尾流区受扰建筑上的横风向脉动荷载。不同风场的试验结果表明,提高来流的紊流度有助于减弱上述干扰效应。     

Across‐wind dynamic response of high‐rise building under wind action with interference effects from one and two tall buildings

Systematic studies on the across‐wind dynamic interference effects on two and three tall buildings are presented in this paper. It is found that surrounding and upstream interfering building(s) can significantly affect the across‐wind load on the interfered principal building. Generally speaking, two interfering buildings can cause more adverse dynamic effects on the principal building than a single one does. The results show that the maximum interference factor (IF) among three buildings increases 80% over that between two buildings in terrain category B which has been defined in Chinese load code for design of building structures; a noticeable difference of 29% of IF is also observed in terrain category D. Vortex shedding from the upstream buildings can lead to vortex‐induced resonance, resulting in excessive across‐wind loads on the downstream building. Although interference effects in terrain category D are much smaller than those in exposure category B, the maximum IF is found to be 1·83 in the case of three buildings with the same size in terrain category D and 2·27 in other configurations. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究

中国在建第一高楼上海中心大厦（ 632 m ）采用了直径为 1 m 、桩端埋深 88 m 的大直径超长灌注桩,有别于金茂大厦（ 420 m ）、上海环球金融中心（ 492 m ）另两栋超高层建筑所采用的钢管桩。通过现场试桩验证成桩可行性及承载力取值,试桩载荷试验加载至极限,采用分布式光纤量测桩身应变,同时为研究上海软土地区大直径超长灌注桩承载特性及荷载传递机理提供了有价值的数据。试验结果表明：试桩破坏前,Q – s 曲线近似为线性,破坏时,桩体发生刺入变形; 桩侧桩端联合后注浆桩与桩端后注浆桩在侧摩阻力分布及发挥性状方面存在显著差异; 黏性土中桩侧摩阻力充分发挥所需桩土相对位移小于 5 mm ,砂性土中小于 10 mm ;桩土相对位移超过极限位移后,埋深较浅的黏性土中由于桩土相对位移大出现明显的软化现象;与规范值相比,有效桩长范围内浅部土层中桩侧摩阻力小于规范取值下限,深部土层中桩侧摩阻力达规范取值上限的 2 倍以上;试桩端阻比较小,表现出摩擦型桩特性;桩身压缩占桩顶沉降 95% 左右,桩顶沉降主要由桩身压缩产生。试桩试验为上海软土地区 600 m 超高层建筑首次采用灌注桩提供指导和技术支持。     

基于风洞试验的双塔楼超高层建筑风荷载与风致响应

当超高层建筑的高度和间距都比较接近的时候,相互的干扰效应对结构的表面风荷载与结构的风致响应都会产生较大影响。基于刚性模型表面测压风洞试验,得到了双塔楼超高层建筑表面各测点的风压时程。在此基础上,通过数据处理,得到结构的三维动力风荷载模型,进而分别采用频域法进行结构动力响应分析。最后,通过分析结构表面风荷载与风致响应,研究了塔楼之间的干扰对结构风荷载的影响以及对结构风致响应的影响,结果表明:当双塔连线与来流方向平行时,三维风荷载和风致响应都会明显增大,干扰效应影响十分明显。     

不同断面宽度群体高层建筑的动力干扰效应(第2部分 横风向响应)

采用本文第1部分所介绍的试验技术和软件分析工具,研究了不同宽度比(Br)的两个和三个建筑物间的横风向动力干扰效应。和顺风向响应分析一样,处于斜列的上游施扰建筑的尾流同样是引起受扰建筑横风向响应增大的主要原因,但试验结果同时也显示,当施扰建筑和受扰建筑处于并列和串列时,也会使受扰结构的横风向响应显著加大。在B、D两类地貌下,和受扰建筑大小一样的两个施扰建筑的干扰因子(IF)会比单个施扰建筑情况分别高出80%和25%。小宽度的上游建筑在低风速时就会产生涡激共振而产生较大的IF值,尤其要指出的是位于(3.1b,0)上的Br=0.5的施扰建筑物在B类地貌下和较低的风速下会产生高达7.09的IF值。粗糙化地貌的高湍流度会对上游施扰建筑尾流的旋涡形成产生一定的抑制作用,故在D类地貌下的IF值要远小于B类地貌情况,但在D类地貌下观察到的IF值仍有1.83。     

Full-scale measurements of wind effects on the Jin Mao building

The Jin Mao Building located in Pudong New Area, Shanghai, which has a height of 420.5 m and 88 floors, is currently the tallest building in Mainland China. This paper presents some selected results obtained from the full-scale measurements of wind effects on the Jin Mao Building during the passage of Typhoon Rananim in August, 2004. The field data including acceleration responses, wind speed and wind direction were simultaneously and continuously recorded during Typhoon Rananim. Detailed analysis of the field data was conducted to investigate wind effects on the super tall building. The characteristics of typhoon-generated wind and wind-induced responses of the 88-storey building are presented and discussed. Dynamic properties of the building are determined based on the field measurements, and comparison with those calculated from the finite element model of the building is made. The amplitude-dependent characteristics of damping that were obtained using the random decrement technique on the basis of the field measurements are investigated. Furthermore, wind tunnel experiment is conducted to study wind effects on the Jin Mao Building through force balance model test, and the full-scale measurements are compared with the wind tunnel test results for verification of wind tunnel test techniques. Finally, the serviceability of the super tall building under typhoon conditions is discussed.     

用高频动态天平方法研究金茂大厦的动力风荷载和风振响应

上海金茂大厦的总高度为４２０．５ｍ,风荷载是这一超高层建筑的控制荷载。采用目前国际上应用最广泛的高频动态天平方法对这一超高层建筑的模型进行了风洞试验,根据试验结果计算分析了该塔楼在风作用下的动力响应和等效风荷载,并将主要结果和其他有关试验的响应结果进行了对比。     

山地风场特性及其对输电线路风偏响应的影响

山地风场的复杂性和显著的三维特性是困扰山区输电线路抗风设计的关键问题。该研究采用CFD数值模拟与风洞试验相结合的方法研究典型单山脉地形和双山脉峡谷型地形的三维平均风场和脉动风场特征。由于风洞试验测点数及试验风速的限制，输电线路沿线各点的三维平均风场基于CFD数值模拟得到。由风洞试验获取山脉地形的湍流度、湍流积分尺度、沿线路方向的衰减系数等脉动风场参数，在此基础上采用POD法重构生成输电线路沿线各点的三维脉动风速时程，并分析比较跨越峡谷、山脊的输电线路沿线风场特征。建立连续三跨输电线路有限元模型，采用时域法研究山地风场特性对输电线路风偏响应的影响。研究结果表明：山顶、峡谷处风速显著增大，且气流爬坡将导致局部位置产生上升气流；由于近地风场加速效应的影响，沿山脊布置的输电线路全档风偏响应增幅较大，跨峡谷输电线路其爬坡段风偏响应增幅较大；上升气流主要使导线竖向风偏位移增大；山地地貌下考虑脉动风速的影响，绝缘子串风偏角风振系数宜取1.2~1.3。该研究为完善山区输电线路的抗风偏设计提供借鉴。     

超高层建筑的能源管理与节能措施

超高层建筑能耗量巨大,节能降耗形势严峻,因此,如何降低超高层建筑在使用过程中的能耗量,是当今社会需要面临的一个重要问题。以金茂大厦为例,通过分析金茂大厦能耗使用情况,结合笔者在金茂大厦多年的工作经历,借助金茂大厦的能源管理,分析超高层建筑在后期使用中能耗的分布情况,以及超高层建筑在运营期实施的一些节能降耗措施。