输电塔-线体系完全气弹模型风洞试验研究

按照基本缩尺律,设计、制作出模拟输电塔-线体系的一塔两跨线完全气弹模型,并通过大气边界层风洞试验,测试了各种风速下输电塔在挂线和不挂线工况下的位移与加速度响应,观测了输电塔-线体系的极限风荷载和风毁模式,同时通过测量导地线线端应变和绝缘子应变,得到导地线传递给输电塔的静、动力风荷载。研究了塔线耦联对输电塔风振响应的影响,分析了单塔与输电塔-线体系气弹模型风振响应随风速的变化规律和频谱特点,得到了若干对输电塔抗风设计有参考价值的结论。     

基于大涡模拟的三维高层建筑结构气弹响应数值模拟

以宽高比为1∶6的方形截面高层建筑为研究对象,采用弱耦合分区交错算法,流体域采用大涡模拟方法,进行了紊流边界层风场内三维高层建筑结构多自由度模型的气弹数值模拟,计算中考虑了来流紊流,以及结构的顺、横风向响应。将结构静止时大涡模拟结果与刚性模型测压风洞试验进行比较,验证了该方法在准确预测结构风荷载方面的可行性。通过与气弹模型风洞试验结果的比较表明,本文数值分析方法可用于求解风与结构的相互作用,且具有较高的精度。进行了高折减风速下的气弹数值模拟,研究了结构顶部顺、横风向位移响应随折减风速的变化规律。结果表明：结构风振气弹响应主要为来流紊流引起的顺风向抖振和旋涡脱落引起的横风向涡激振动;折减风速较小时,结构顺、横风向位移振幅相当,且位移响应均相对较小;随着折减风速的增加,结构位移响应增大,横风向涡激振动逐渐占据主导地位,并经历了从“拍”到“涡激共振”的转化。     

输电塔架与输电塔-线耦联体系风振响应风洞试验研究

为研究高压输电塔-线耦联体系与输电塔架的风振动力响应特点,以某典型500kV高压输电线路结构为原型,设计制作了单塔与塔-线体系的完全气弹模型,进行了多个风向角、多级风速下的单塔和塔-线体系在紊流风场中的完全气弹模型风洞试验。试验结果表明:在紊流风场中,输电塔结构的顺风向响应和横风向响应处于同一数量级,塔-线体系与单塔相比,其风致敏感性增强,塔-线模型中输电塔的振动较单塔振动复杂,塔顶位移响应较单塔增加幅度较大,强风时塔-线体系的耦合振动现象较为明显,其振动响应表现出非线性系统特有的动力现象,振动过程中系统自振特性不断变化,风致振动激起了线性系统未有的振动频率。输电塔-线体系的结构设计需合理考虑输电塔与输电线的耦合振动对结构动力特性的影响。     

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。     

深圳京基金融中心横风向气动阻尼试验研究

针对439 m的深圳京基金融中心（KFT）工程,采用气动弹性模型技术研究其横风向气动阻尼特性。根据工程地址的100 a重现期风速、缩尺比例以及前期刚体模型同步测压所得到结构风敏感风向（东西向）的广义力功率谱密度特征确定气弹模型试验的风速范围,通过风洞试验获取不同风速下气动弹性模型敏感风向的顶部加速度响应数据,应用随机减量技术计算分析横风向气动阻尼随折算风速的变化规律,试验考虑结构模态阻尼对气动阻尼的影响。结果表明：在折算风速为4~14的范围内,结构气动阻尼值均大于0且随风速的增大而增大,上游地王大厦(DWT)的干扰效应对气动阻尼未产生不利影响,KFT的基本频率和DWT脱落在尾流中的漩涡频率一致的100 a重现期风速时的气动阻尼比为1.25%,表明前期采用刚性模型试验对KFT进行抗风设计时,不考虑气动阻尼影响计算得到的结构风致荷载和风致响应偏于保守和安全。     

典型截面超高层建筑风洞试验与荷载规范计算的等效静力风荷载比较分析

对椭圆形截面和矩形截面的两栋超高层建筑进行了风洞试验,获得了作用在结构上的气动力。在此基础上计算得到了用于结构设计的顺风向、横风向的等效静力风荷载及风振位移和加速度响应。基于《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)给出的方法计算了两栋高层建筑的等效静力风荷载,与风洞试验的结果进行了对比,并进一步讨论了振型的阶数对等效静力风荷载、风振位移和加速度响应的影响。     

千米级摩天大楼气弹模型制作方法与风致响应研究

某千米级摩天大楼是由类正三角形布置的外围三个椭圆形塔楼和中心一个圆形塔楼组成的巨型组合结构,其平动频率和扭转频率比较接近,因此结构风致扭转振动非常显著。为准确确定该大楼的风致响应和设计风荷载,基于相似理论确定了气弹模型参数,采用等效结构方法设计制作了该大楼的气弹模型,对其进行锤击试验,识别得到模型的前3阶自振频率、振型和阻尼比,并与理想模型进行比较,验证了气弹模型的准确性。对气弹模型进行风洞试验,得到了不同风向角下100年一遇风速作用下的结构顶点位移极值响应和10年一遇风速作用下的结构顶点加速度极值响应,分析可得结构顶点角部的最大合成位移极值和加速度极值分别为1 461 mm(90°)和0.127 m/s~2(330°),均远小于JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》的相应限值,可为该类结构抗风设计提供参考。     

钢结构高层住宅的风振模型与风振特性研究

为探讨高层钢结构风振计算模型的合理性和风振响应特性,对某钢结构高层住宅进行了风洞试验,得到了建筑表面的风荷载时程;建立面向风振分析的弹性楼板精细模型、刚性楼板精细模型和简化层刚片模型,将测得的风荷载时程分别施加于三种模型,按随机振动理论计算得到了各模型在不同风向角下的顺风向、横风向和扭转向风振响应统计值,并与相关规范方法结果进行比较。结果显示:结构的峰值位移响应虽由顺风向控制,但加速度响应由横风向控制,扭转向加速度接近于顺风向;基于刚性楼板假定的风振分析所带来的偏差并不大,但采用简化层刚片模型及规范方法求得的扭转向位移可能偏不安全。     

基于风洞试验的对称截面高层建筑三维等效静力风荷载研究

基于刚性模型表面测压风洞试验建立高层建筑三维风荷载模型,进而运用振型加速度法求解风振响应动力方程,得到了包含拟静力项和惯性力项的弹性力响应解,并推导了对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向风致随机内力响应。在此基础上提出了基于内力响应等效的可考虑高阶振型贡献的对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向等效静力风荷载计算方法。结合某一对称截面高层建筑工程实例,对采用上述方法计算得到的结构三维等效静力风荷载进行分析并与我国规范方法顺风向等效静力风荷载计算结果进行比较。结果表明,高层建筑结构抗风设计应该考虑三维等效静力风荷载,且二阶振型对高层建筑等效静力风荷载的贡献不可忽视。     

均匀风场中矩形单体高层建筑风致响应的阻塞效应

在闭口回流式风洞TJ-2中分别对阻塞度为4.1%,6.1%,8.4%,10.1%的单体高层建筑刚性模型进行了测压试验,根据风洞试验结果,选取3种典型结构进行响应计算,以研究阻塞效应对不同结构风致响应的影响。对结构顶部位移和加速度、基底剪力、等效静力风荷载进行了细致分析。结果表明:各结构顺风向顶部位移和基底剪力平均值的阻塞效应较为接近,但顺风向、横风向顶部位移、加速度和基底剪力均方根的阻塞效应较为显著,且差别较大。随着阻塞度的增大,结构质量越轻、刚度越柔,横风向顶部位移、加速度和基底剪力的均方根的阻塞效应均有所降低。各结构顺风向等效静力风荷载峰值在顶部和底部处的阻塞效应较为明显。结构质量越轻,刚度越柔,建筑顶部附近的顺风向等效静力风荷载峰值的阻塞效应增强,而横风向等效静力风荷载峰值的阻塞效应减弱。     

基于时域的超高层建筑横风向风振模拟及分析

对于某些超高层建筑,其横风向风振响应甚至超过顺风向而成为结构设计的控制性因素。为研究横风向风振响应的时程特性及变化规律,基于横风向脉动力谱,考虑风力的竖向相干性,通过谐波合成法模拟横风力时程,在时域内求解分析某超高层钢筋混凝土建筑横风向的风振响应。分析时考虑地貌、来流风速以及结构基频的变化,探讨各因素对风振响应的影响规律,为超高层建筑的抗风设计提供参考依据。     

三边形桅杆风荷载谱模型试验研究

对三边形格构式桅杆进行了均匀流和两种紊流下的高频测力天平风洞试验,得到了顺风向、横风向和扭转向的气动力系数以及脉动风荷载谱。采用基于风速谱的数学模型对顺风向脉动风荷载谱进行拟合,验证了该经验公式在不同流场下的适用性。根据试验所得横风向和扭转向脉动风荷载功率谱曲线的特点,建立由紊流激励和旋涡脱落激励两部分组成的谱函数数学模型,最小二乘法拟合结果与风洞试验结果吻合良好。横风向脉动风荷载谱以紊流激励为主,紊流强度15%时旋涡脱落激励贡献仅占10%,扭转向脉动风荷载谱中旋涡脱落激励贡献明显增大,达到40%。     

Across-wind loads of typical tall buildings

Previous studies have indicated that the across-wind dynamic responses of super-tall buildings are usually larger than the along-wind ones. With the increase of heights, the across-wind dynamic response of super-tall buildings has been a problem of great concern. In this paper, 15 typical tall building models are tested with high-frequency force balance technique in a wind tunnel to obtain the first-mode generalized across-wind dynamic forces. New formulas for the power spectra of the across-wind dynamic forces, the coefficients of base moment and shear force are then derived. Parametric analyses of the effects of factors on the across-wind loads of the buildings are performed. Besides, a SDOF aeroelastic model of a square tall building with an aspect ratio of 6 is selected from the above buildings and is tested to investigate its across-wind dynamic response and aerodynamic damping characteristics. The power spectrum of the across-wind force of the square building is employed to compute its across-wind dynamic responses with and without considering the effect of the aerodynamic damping. The computed responses are then compared with the corresponding responses from the aeroelastic model test to verify the present formulas of the across-wind loads of buildings.     

高层矩形建筑横风向风力特性试验研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转方向的风荷载,整理了横风向风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数,分析了流场绕流的特点,总结了横风向风力对扭转的贡献。得到如下结论:选取分离点作为参考点时,横风向水平相关性随厚宽比增加变化较大,通过确定其零点位置可以定量确定再附点位置;横风向风力竖向相关性受所选基点位置影响程度较小;竖向相干性随厚宽比增大而降低;模型厚宽比大于1.5时,结构扭矩谱几乎全部由横风向贡献。     

基于极值相关性的超高层建筑风荷载组合研究

为研究不同长宽比超高层建筑三维风荷载组合,通过高频测力天平风洞试验得到了5种长宽比的矩形超高层建筑基底剪力、弯矩和扭矩时程。基于试验数据和计算结果,分析了三维风荷载效应的分布及其极值相关性。在此基础上,对比分析了不同长宽比的超高层建筑顺风向与横风向、顺风向与扭转向以及横风向与扭转向之间的风荷载效应极值分布规律和统计参数。最后,采用概率统计方法评估了不同长宽比对结构三维风荷载组合系数的影响,并给出了一组基于极值相关性分析的结构三维风荷载组合系数推荐值。结果表明：对于超高层建筑,虽然不同方向风荷载效应之间相关系数可能很低,但其三维风荷载效应极值相关性不可忽略;以横风向或扭转向为主方向进行组合时,其余方向同步比值存在明显的非高斯分布特性;对于不同长宽比超高层建筑,其极值相关性的差异会导致组合系数存在差别,在确定风荷载组合方法时,应考虑长宽比的影响。     

大型户外单立柱三面广告牌风荷载的试验研究

近年来户外大型广告牌发展迅速,但其强风下的风致损坏也时有发生。作为一类典型的风易损性结构,现有的大型单立柱多面广告牌的风荷载计算方法亟需进一步完善。文中以典型的三面广告牌结构作为试验对象,通过面板的测压试验,分析上部面板结构的水平和扭转风力系数随风向角变化规律,针对最不利工况,给出面板水平风力及扭矩荷载的取值;提出顺风向和扭矩风荷载谱的建议公式;进一步,通过整体结构的气弹性模型的响应测力试验,研究三面柔性广告牌的基底风振响应随风向角变化规律和特征。综合静力刚性测压和动力气弹测力两阶段试验结果,给出双面广告牌顺风向和扭转风振响应的理论计算方法。该研究为完善大型广告牌结构的抗风设计,提供了风洞试压的基础数据和风荷载计算的理论方法。     

高耸塔架横风向动力风效应

在现行的荷载规范、高耸结构设计规范以及能源部颁发的《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（ＳＤＧＪ９４－９０）中,对格构式塔架的横风向风振力均未作考虑。作者通过对气动弹性模型风洞试验和国外现场实测资料的分析,论证格构式塔架具有几乎与顺风向等同的横风向风振力,以期在设计中引起足够的重视,并且根据试验结果提出了横风向风振力的简化计算公式。