建筑物周围风致静压场的分布及振动特性研究

对均匀流及湍流中风洞内有和无建筑物时的静压状况进行了研究,针对目前无法精确测量静压的情况,提出了一种无量纲化方法,给出了静压场的分布规律,运用幅值域及频域方法详细分析了建筑物周围各区域的流场特性,之后给出了静压场主要方向的分布函数型式,并推断了静压场的静力及动力边界。研究结果显示:在风洞中进行风压测试时,有可能激发风洞气柱自振模态并对测试结果产生误导;建筑物迎风区脉动主要取决于来流脉动;背风区脉动则与湍流来流脉动较为相像,但能引起更多非高斯特性;地面粗糙度由小变大时,建筑物侧风区脉动由小振幅周期振动向大振幅随机振动转变;地面粗糙度越大,静压场的静力作用越小而动力作用越大。所提静压场分布函数可对风工程实测参考静压的测试及建筑群体的风致干扰问题提供参考。     

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%.     

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.     

ALE方法模拟爆炸载荷作用下球壳反直观行为

本文利用任意拉格朗日与欧拉（ALE）方法,模拟了球壳在爆炸载荷作用下的动力反直观行为,得到了球壳中点位移时程曲线以及最终变形模式等动力响应。在研究中,考虑了材料的应变率效应,并对球壳的矢高和厚度对其反直观行为的影响进行了参数分析。结果表明,只有炸药距球壳距离在特定范围内,球壳才能发生反直观行为;当炸药当量一定时,球壳发生反直观行为的爆心距区域段随球壳矢高增加而减少,矢跨比大于一定值后,将不会发生反直观行为     

气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振影响的试验研究

跨音速颤振试验通常在稳定的理想流场中进行,不考虑实际非稳定流场的气动扰流对颤振特性的影响。在飞机T型尾翼跨音速颤振试验中,通过设置一种气动扰流装置对风洞流场实施干扰以研究气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振特性的影响。试验结果表明,气动扰流可以将飞机T型尾翼的颤振耦合模态从平尾弯扭耦合型改变为垂尾弯扭耦合型;可显著降低飞机T型尾翼的颤振动压,翼面外气动扰流较翼面内气动扰流对飞机T尾颤振特性的影响作用大。其原因在于施加的气动扰流所诱导产生的跨音速激波作用在垂尾翼面上改变了垂尾的非定常气动力,引起气动刚度和气动阻尼发生改变,由于平尾的气动阻尼相对较大,可以预计,一旦气动扰流引起垂尾的气动阻尼迅速减小到其临界颤振阻尼,则会引起垂尾弯扭耦合颤振型先于平尾弯扭耦合颤振型发生,从而表现出T尾颤振动压的降低。在颤振模型风洞试验中,当风洞试验结果与期望不一致时,需要研究气动扰流的影响。     

群体高层建筑风荷载干扰效应的数值研究

采用可实现的k-ε湍流模型,对处于B类地貌风场中由4栋复杂体型高层建筑组成的建筑群进行了静力风荷载和风场的数值模拟,计算得出了群楼周围的流场分布和建筑表面各测点的风压,与风洞试验结果比较表明:数值模拟方法具有较好的精度,可用于两个以上的复杂体型高层建筑群楼的静力干扰研究。着重讨论了复杂体型高层建筑物之间的静力干扰效应,结果表明:串列布置时,上游建筑对下游建筑的迎风面和侧风面都有影响;而并列布置时,静力干扰作用只发生在相邻建筑物的侧风面,对相邻建筑物的迎风面影响很小;静力干扰效应随高度有显著的变化,尤其对高低错落的建筑群,表现为明显的三维效应。     

“四肢伸展型”大跨屋盖风致响应分析

本文基于刚性模型风洞测压试验结果,对深圳机场T3航站楼这一“四肢伸展型”大跨屋盖结构采用平稳激励下随机振动模态叠加法（CQC法）进行计算,分析了结构风致响应,并讨论了等效静力风荷载的分布特性。计算结果表明,“四肢伸展型”大跨屋盖各部分之间的气动干扰效应非常强烈且相当复杂,将增大整体结构上的风荷载;抗风设计时,不仅要注意屋盖边缘悬臂处的位移,还要关注结构中部的节点位移;风致响应以静力响应为主,但动力响应中,共振响应一般大于背景响应。以上分析可为类似大跨屋盖结构的抗风设计提供一定的参考。     

高层建筑风致动力干扰效应机理的试验研究

在风洞中用高频动态天平研究了两个高层建筑间的风致干扰效应，通过分析上游拖扰模型的尾流和动态天平试验中受扰模型的基底弯矩谱，得到了上游建筑的旋涡脱落，上游建筑对受扰建筑自身涡脱特性的影响以及上游建筑尾流中紊流的增强这三种基因是建筑物风致动力干扰效应的机理，最后分析了风场对动力干扰效应的影响。     

基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。     

三维空间曲面结构风荷载的数值模拟

本文运用计算流体动力学技术,基于FLUENT 流体动力学数值模拟平台,采用雷诺平均法和大涡模拟技术,对球壳、柱面、悬链面、菱形马鞍面及椭圆双曲抛物面五类结构进行了定常、非定常流场的模拟计算。使用自回归模型的线性滤波法生成了脉动风速的时间序列,该脉动风速的时间序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱和空间相关性要求,进而将其代入到实际计算的边界条件当中。将五类空间曲面结构表面风压的模拟计算结果与风洞试验结果定量比较：稳态计算得到的平均风压数据与风洞试验结果吻合理想,非稳态计算得到的脉动风压数据与试验结果差别稍大,其中正高斯曲面模拟精度高于负高斯曲面。     

干扰条件下煤棚结构风致干扰特性研究

邻近煤棚及内部煤堆的干扰导致干煤棚结构的风致响应特性非常复杂.基于刚性模型风洞试验的结果,采用平稳激励下随机振动的模态叠加法(CQC法)计算了干煤棚结构的风致响应.研究了有(无)干扰条件下干煤棚的风致响应特性.首先分析了无干扰状态下煤棚结构的风致响应,指出当风向与正方向偏向30°～45°时峰值响应出现最大绝对值.接着定义了位移峰值干扰因子,研究了不同风向时,在外界干扰及不同风场影响下干扰效应的特点,指出了干扰效应比较显著的情况.同时发现尽管存在干扰很大的情况,但对于起控制性的工况,外界干扰的存在仅仅使最大峰值响应相对无干扰时略为增大.     

野营折叠帐篷群体风致干扰效应研究

为研究野营折叠帐篷群体风致干扰效应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用FLUENT软件对野营折叠帐篷群体风致干扰效应数值模拟风场的阻塞率进行研究,通过与风洞试验数据的对比分析,确定其参数取值。依据野营折叠帐篷的安装和通行距离要求,确定了帐篷之间的横向间距和纵向间距。以风向角、帐篷的间距为变量参数,分别对单个帐篷、单列6行帐篷及双列6行帐篷共75种工况进行数值模拟研究,得出了出现放大效应和遮挡效应的条件。以最大干扰因子作为放大因子,在单个帐篷体型系数的基础上,提出了适用于野营折叠帐篷群体结构抗风设计的体型系数。分析表明:野营折叠帐篷群体风致干扰效应是不可忽略的,设计及使用时应引起足够的重视。     

Crack Closure in Spherical Shells

This article presents an analytical and numerical study of the influence of crack face closure on the stress intensity factor of a crack in a spherical shell subjected to membrane force and bending moment. The formulation developed by Delale and Erdogan based on linearised shallow shell theories is extended to account for crack surface closure in cracked spherical shells, assuming a line contact at the compressive edge of the crack face. It is found that, due to the curvature effects, the closure behaviour of cracks in spherical shell differs significantly from that in flat plates. Depending on the nature of the membrane force and bending moment, crack closure may occur over the entire crack length or only some segments. In the special case of full length crack closure, the coupled integral equations reduce to a single integral equation, leading to a simpler solution. The theoretical results are compared against finite element results of cracked shells compressed between two rigid plates, indicating that the shallow shell theory is valid for a shallowness parameter up to 1/5. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

单层网壳结构风振响应的模态耦合效应分析

基于网壳结栖频谱分布密集、空间相关性强的自身特性，其风致动力响应不仅要考虑多阶模态的贡献，通常还要考虑模态耦合效应。因此，对网壳结构风振响应的模态耦合效应进行研究很有必要。根据模态广义位移协方差矩阵的特性，对Kiewitt6—6型单层球面网壳和三向网格单层柱面网壳结构的模态耦合效应进行了系统的参数分析，在此基础上，给出了网壳结构风振响应的模态耦合效应程度判据。     

大跨干煤棚网壳风振时程分析和等效静风荷载研究

以某热电厂大跨干煤棚网壳工程项目为背景,对开敞干煤棚网壳结构进行了风洞测压试验。基于风洞测压试验所得的脉动风荷载时程数据,开展了大跨干煤棚网壳风振时程分析。分析了不同风向角下是否堆煤对该开敞干煤棚网壳结构风振响应的影响。研究了基于时程计算结果的大跨屋盖结构等效静风荷载计算方法,分析比较了几种常用的风振系数计算公式及其与峰值因子的关系。研究结果表明：考虑Weibull分布峰值因子的局部轴力风振系数能够用于确定合理有效的等效静力风荷载,实现大跨干煤棚网壳结构风振响应的静力等效,且便于工程应用。     

Fourier analysis of thick cross-ply Levy type clamped doubly-curved panels

A hitherto unavailable Levy type analytical solution to the problem of deformation of a finite-dimensional general cross-ply thick doubly-curved panel of rectangular plan-form, modeled using a higher order shear deformation theory (HSDT), is presented. A solution methodology, based on a boundary-discontinuous generalized double Fourier series approach is used to solve a system of five highly coupled linear partial differential equations, generated by the HSDT-based laminated shell analysis, with the C4-type simply supported boundary condition prescribed on two opposite edges, while the remaining two edges are subjected to the SS3-type constraint. The numerical accuracy of the solution is ascertained by studying the convergence characteristics of the deflection and moment of a cross-ply spherical panel, and also by comparison with the available FSDT (first-order shear deformation theory) based analytical solution. Additionally, numerical results pertaining to flat symmetric and antisymmetric cross-ply plates with the same boundary conditions have also been reproduced. Hitherto unavailable important numerical results presented include sensitivity of the predicted response quantities of interest to shell geometry (cylindrical and spherical), lamination, lamina material property, and thickness effects, as well as their interactions. Comparison with their SS2 counterparts demonstrates the effect of end clamping on the deflections and moments of thin to thick singly- and doubly-curved cross-ply panels.     

热环境中的功能梯度扁球壳非线性稳定性分析

基于经典壳理论和von Karman几何非线性理论,导出了功能梯度圆底扁球壳的位移型几何非线性控制方程及简支边界条件,推导过程考虑了均匀变温场及均布外侧压力。用打靶法计算了由控制方程和边界条件提出的两点边值问题,得到了壳体轴对称变形的数值结果。考察了壳体几何参数、材料横向梯度特性、组份材料体积分数指数和弹性模量以及均匀变温场对壳体屈曲平衡路径、上/下临界荷载和平衡构形的影响。数值结果表明:随组分材料体积分数指数的增加和弹性模量的减小,壳体上临界荷载均会显著减小;体积分数指数对壳体下临界荷载影响规律较复杂;均匀升温使壳体上/下临界荷载显著增加/减小。材料横向梯度特性对简支边功能梯度圆底扁球壳屈曲平衡路径和后屈曲稳态构形有显著影响。该文末给出了便于工程设计的两个数表和一些数值曲线。     

基于配筋率包络指标的冷却塔群塔风致干扰准则

风荷载条件冷却塔群塔干扰效应为结构设计关键控制因素。为考虑群塔条件绕流形态改变引起的复杂三维风压分布形式及数值大小变化对结构内力及配筋的影响,现行国内外水工行业规范采用单一的群塔比例系数放大无干扰圆柱扰流简化的二维风压分布。为评价其精度、合理性和经济性,该项研究以某超大型冷却塔六塔典型布置为例,基于风洞试验、结构有限元分析和结构设计配筋方案,选择干扰效应表现明显的代表性受扰塔作为研究对象,分析了塔筒不同高度处的平均风压分布规律并与单塔结果作对比;计算了其在16个风向角20种设计荷载组合下的塔筒子午向外侧、子午向内侧、环向外侧、环向内侧理论配筋量并将其包络线与单塔结果作对比,提出基于配筋包络的沿塔筒高度变化的分项群塔比例系数用于工程实践。研究表明:基于水工荷载规范建议的单一群塔系数难于涵盖干扰效应导致的复杂三维风压分布变化,推荐沿塔高变化的分项比例系数可以兼顾结构设计过程的便捷、经济和合理性。     

任意排列三个高层建筑间顺风向动力干扰效应的试验研究

分析了5种不同高度比的两个任意排列的施扰建筑物对受扰建筑的顺风向动力干扰影响,结果显示两个施扰建筑的协同作用会产生远高于单个施扰建筑的干扰效应。采用人工神经网络、统计方法对不同参数配置的包络干扰因子(EIF)分布进行分析,发现不同高度比配置以及不同地貌类型下的EIF分布存在较为明显的相关特征,并由此得到了可以反映不同参数对EIF分布影响的定量关系,它大大地简化了考虑多参数变化干扰效应研究结果的繁杂程度,使结构受扰后的荷载估计计算更趋于简洁合理。根据对于试验数据的归纳分析结果,初步提出了一些可供规范修改时参考的建议。