复杂体型高层建筑表面风压及周围风环境的数值模拟

采用离散化的数值模拟方法对一幢复杂体型高层建筑及其裙房的表面风压与周围风环境进行了模拟计算,并在边界层风洞中进行了模型试验测定。数值模拟基于Reynolds时均方程,分别采用了两种湍流封闭模型:标准k?ε模型和重整化群k?ε模型。通过将两种模型的风压计算结果与风洞试验结果进行比较,获得了该类建筑物表面风压的分布特性,并对建筑周围的风环境作了分析和评价,为结构设计和建筑覆面设计提供了依据。     

基于概率的高层建筑地震需求模型与风险评估EI北大核心CSCD

提出了基于贝叶斯理论的地震风险评估方法,综合考虑了地震危险性模型、输入地震动记录、结构参数和需求模型的不确定性,并以云南大理地区1970年-2017年间的地震数据为研究基础进行了详细讨论。在传统基于概率地震危险性分析方法的基础上,提出了基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法,通过贝叶斯更新准则,确定了地震概率模型中未知参数的后验概率分布;通过贝叶斯理论建立了基于概率的地震需求模型,并在易损性中考虑了需求模型认知不确定性的影响;以42层钢框架-RC核心筒建筑为例,开展了地震作用下的风险评估。研究表明:基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法,能够获得更为合理的危险性模型;忽略需求模型中参数不确定性的影响,将错误估计结构的地震易损性;不同加载工况将对高层建筑的地震风险产生显著影响。提出的概率风险评估方法,提供了可以考虑固有不确定性和认知不确定性的有效途径,有助于推动高性能结构地震韧性评价和设计理论的发展。     

一种通用高层建筑模型烟囱效应的数值模拟分析

超高层建筑的烟囱效应问题,是由室内外环境和建筑设计等多种因素引起的一种室内外非受控空气渗透现象。强烈的烟囱效应可能导致电梯营运故障、电梯井道气动噪声及空调能源浪费等问题,当前对于该问题的研究进度远滞后于建设速度。在对10余栋超高层建筑烟囱效应实测研究的基础上,提炼总结其共同建筑设计特征,基于结构风工程中标准高层建筑模型,设计了一种分析室内外空气渗透作用的高层建筑烟囱效应通用高层建筑模型,采用多区域网络模型数值模拟方法进行数值仿真,分析了围护结构气密性等级、首层门厅设计、建筑内部空间分割、外部环境等主要影响因素对电梯门压差分布的影响规律,得出如下结论:相较于短程电梯,通高电梯的电梯门受烟囱效应影响程度最大;除室外环境和电梯井道高度外,建筑幕墙气密性等级、建筑内部隔断设计等因素也影响电梯压差分布;提高幕墙围护结构的密封等级,能有效地削弱烟囱效应的作用强度,降低各层电梯门的压差;首层厅门的设计和状态对烟囱效应影响显著,其开闭状态对首层电梯门压差影响较大;在建筑首层或顶层电梯厅设置前室门后,电梯门压差明显降低;烟囱效应还受室外风场作用的影响,相较于热压作用,风速和风向对建筑烟囱效应压差的影响相对复杂,不同风向和风速的作用规律不同,需要结合实际工程的风气象条件进行具体研究。基于通用高层建筑模型烟囱效应的详细参数分析得出的一般规律,对实际超高层建筑的烟囱效应特性分析以及强烟囱效应的缓解措施具有一定的参考价值。     

Failure probability of laminated architectural glazing due to combined loading of wind and debris impact

Building façades are vulnerable to wind and wind-borne debris during extreme weather conditions like hurricanes. Laminated glazing is widely used as window glazing material to ensure the integrity of the building interiors. Wind-borne debris has been classified as small-hard and large soft missiles representing small gravel to large wooden bars that constitute the debris impacting the glazing during severe storms. Failure of laminated window glazing due to combined effect of wind and debris is studied. Stress analysis is done using finite element code ABAQUS. This is used in conjunction with a mechanics based statistical model to predict the cumulative probability of inner glass ply breakage in laminated glazing. A parametric study involving failure probability of inner glass ply for different geometry of laminated glazing is also performed.     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

超高层建筑外表面复杂装饰条的风荷载特性研究

为展现建筑外形的多变性,超高层建筑外表面布置的装饰条尺寸越来越大,布置形式越来越灵活多变,其抗风安全性变得越来越突出。但装饰结构由于其体量小数量多而导致风洞试验难于直接测试其风荷载,因此该文研究利用数值风洞技术分析装饰结构的风荷载问题。以上海前滩一超高层为工程背景,该建筑外围四个面共布置72根装饰条,其中外围装饰条220 m高度以下均匀布置,220 m高度以上空间曲线交错布置。通过建立包括装饰条以及周边建筑的空间几何模型,求解不同风向角下的流场分布,从而获取了装饰条上的作用风荷载。通过统计分析不同风向角下不同高度区域装饰条的法向和切向风荷载系数分布特点,得出装饰条所受风荷载表现为明显的建筑拐角区域大而建筑平顺区域小的分布规律,并分析了其原因。给出装饰条的风荷载计算可以按照建筑外形划分为拐角区域、平顺区域以及过渡区域分别加以考虑,以及各个区域风荷载系数的控制取值,该结果可供类似工程项目设计提供参考。最后选取整体建筑表面的一些典型位置,对比了该些位置处风压的风洞试验结果与数值模拟结果,验证了数值模拟的可靠性。     

龙卷风动态冲击高层建筑风荷载数值模拟

龙卷风具有较强的破坏力,是抗风减灾工程重要的防范对象之一。近年来,随着地球环境的恶化,龙卷风袭击大型城市的灾害时有发生,针对高层建筑的研究开始受到重视。目前对龙卷风动态冲击高层结构的研究还较少。因此,该文建立了动态运动的龙卷风风场模型,模拟了龙卷风动态冲击高层建筑结构的非定常过程,初步分析了龙卷风冲击高层建筑结构的风荷载特征及规律。结果表明:1） 该文采用的龙卷风模型及计算方法能可靠地模拟龙卷风的基本特征和荷载规律。2） 龙卷风动态冲击高层建筑,其荷载效应与建筑尺度有关。建筑尺度较小时,冲击荷载呈双峰特征,冲击效应和时变效应相对较小。相反,冲击荷载呈多峰特征,时变性强,冲击效应明显。3） 龙卷风在冲击较大尺度建筑时,主涡会发生破裂,形成多个漩涡。多漩涡及建筑尾涡相互作用和耦合是导致更大冲击效应的重要力学机制。这种力学现象在国内外龙卷风研究中尚未发现类似报道。     

基于分离涡方法的台北101大厦流固耦合风致响应分析

以台北101大楼为研究对象,应用一种新的湍流脉动流场产生方法(DSRFG)模拟了台北101大厦周围风场的湍流入口边界条件,采用分离涡方法对该建筑进行数值风洞模拟。根据大厦外形特征,建立了几何模型,用于大厦风荷载的数值模拟;基于大厦振动监测系统得到的结构模态、自振频率等数据,建立了大厦的结构模型,用于气弹响应分析。将计算结果与现场实测以及风洞测力试验的相应数据进行了对比,以验证数值风洞的有效性。对是否考虑流固耦合的大厦数值模型的等效风荷载及风致响应进行对比分析,并探讨了流固耦合效应对大厦周围风流场的影响。对该对象的研究结果表明,在顺风向上,建筑物的风致响应不易受流固耦合效应影响,而在横风向上,考虑了双向流固耦合的有限元模型,其等效静风荷载及加速度与位移响应均小于未考虑流固耦合的有限元模型。在流场上,流固耦合效应减小了建筑两侧的涡量,但会产生较大的脱落涡旋,可能会对下游建筑风环境造成不利影响。     

附属物对高层建筑局部风压的影响规律研究

探究了表面水平隔板对高层建筑局部风压的影响。对4种具有不同形式表附属物的高层建筑进行了刚性模型测压试验,并与无附属物的高层建筑测压结果进行对比。通过各立面上的平均风压与脉动风压系数以及极值风压系数的对比分析,结果表明:表面附属物对迎风面的正风压系数影响很小,但能够大幅削减侧风面上的负风压系数,尤其是负极值风压系数;且这种削减效果随附属物水平间距的减小而增强,建筑侧风面迎风向上部角区的极值风压最大削减幅度可达37%。侧风面脉动风压概率密度分布及非高斯特性研究表明:表面附属物能够减小较大负压的概率密度函数的偏度与峰度,从而削弱其非高斯特性,这种作用随附属物水平间距的减小而增强,表明附属物能够有效抑制来流在侧风面的分离。     

龙卷风冲击高层建筑气动力效应数值模拟

龙卷风是一种大型气旋流动,具有很强的破坏力,是抗风减灾工程中重点防范对象之一。现有龙卷风研究多集中于低矮建筑或输电线塔等结构,对作用于城市高层建筑结构的龙卷风流动特征及气动力响应还认识不清。该文采用大涡模拟开展了龙卷风数值风场模拟,与文献提供的龙卷风风洞实验结果进行了校核,获得了实验室尺度下龙卷风冲击高层建筑的风荷载特征和规律。进一步针对全尺寸条件下F2级龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场开展模拟,分析其流场特点和气动载荷响应特征,揭示了龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场差异和气动荷载产生机理。     

局部外形特征对高层建筑立面上围护结构风荷载的影响

基于一外形复杂的高层建筑刚性模型表面压力测量风洞试验,对高层建筑立面上测点的最不利风压系数进行了研究,分析了局部外形特征对高层建筑立面上围护结构风荷载的影响。试验结果表明,最不利正风压系数不受建筑立面局部外形特征的影响,可以基于来流湍流特征用准定常理论近似预测。最不利负风压系数与尾流分离有关,受建筑局部外形特征的影响较大,平直立面上的小,弧形立面上的大。这些结论为高层建筑围护结构的设计提供了参考。     

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的分析方法

高层建筑横风向风致响应和等效静力风荷载是风工程和结构工程领域关注的问题。基于既有高层建筑横风向气动力和气动阻尼研究成果,推导出一套高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的计算方法。该方法考虑了广义气动力的振型修正、气动阻尼及背景分量对风致响应的影响。通过算例与日本AIJ(2004)推荐的横风向荷载的计算方法进行了比较,显示了本计算方法的便捷性和结果的准确性,并分析了振型修正、气动阻尼和背景分量等因素对计算结果的影响。     

Design of a mega-sub-controlled building system under stochastic wind loads

Vibration control of high-rise buildings under wind loads with application of the mega-sub-control method is studied in this paper. A building with a megasub-configuration consists of two major structural components - a megastructure as the main structural frame and several sub-structures for residential and/or commercial usage. The authors have previously proposed a ‘megasub-control method’ in which the sub-structures are designed to serve as vibration control dampers. The control objective is to suppress certain critical building responses such as inter-story drifts of the mega-structure for the purpose of structural safety and acceleration response of the sub-structures for the purpose of protecting contents and improving human comfort. The feasibility of this method has been explored by the authors in previous publications. In this study, the procedure of optimally designing dynamic parameters of a megasub-controlled building under stochastic wind loads is developed, together with two possible structural configurations which provide a mega-sub-control mechanism. The mega-structure of a mega-sub-building is modeled as a cantilever beam to retain the dominant bending mode characteristics of highrise buildings, and the sub-structure as a shear building to retain the shear mode. The fluctuating wind speed is modeled as a non-white random process in both time and space domains. The power spectral density (PSD) of critical building responses is obtained using the random vibration theory. The mean square value (MSV) of those responses, as functions of the dynamic parameters including the stiffness and damping ratio of the sub-structures, are evaluated from their PSD by numerical integration in the frequency domain. The optimal values of the dynamic parameters are determined by minimizing the MSV of certain critical building responses. An example building is used to demonstrate the design procedure and the numerical simulation of the response quantities in the time domain is carried out to verify the MSV of the building responses obtained from the random vibration theory in the frequency domain. The results show that the proposed design procedure is suitable to apply to a mega-sub-building with different sub-structural configurations. The MSV obtained from the random vibration theory in the frequency domain and from the numerical simulation in the time domain exhibit an excellent agreement. It is also found that the megasub-control method is robust in the sense that slight change in the dynamic parameters affects the building's performance very little. With the design procedure developed, and the corresponding favorable building response demonstrated, this paper has enhanced the feasibility of application of the mega-sub-control method to actual high-rise buildings for wind vibration suppression.     

基于超越阈值概率的行人风环境数值评估

大尺度的建筑物和密集的建筑群都会对其周边的风环境造成较大的影响,并可能引起行人风环境问题。首先阐述了行人风环境评估的超越阈值概率方法,提出了综合考虑平均风和阵风影响的行人风环境评估标准;其次,结合某半开敞式的大跨空间建筑,统计了该地区风速气象观测资料并估计了概率参数;再次,使用计算流体力学数值风洞技术,获得了8个风向下的风场分布;最后,给出了场地全风向超越不舒适风速阈值的概率分布图,评价了该建筑的行人风环境。结果表明:该文所述方法能够给出复杂建筑的行人不舒适度和危险度详实评估结果。     

Earthquake risk assessment of building structures

During the past two decades, probabilistic risk analysis tools have been applied to assess the performance of new and existing building structural systems. Structural design and evaluation of buildings and other facilities with regard to their ability to withstand the effects of earthquakes requires special considerations that are not normally a part of such evaluations for other occupancy, service and environmental loads. This paper reviews some of these special considerations, specifically as they pertain to probability-based codified design and reliability-based condition assessment of existing buildings. Difficulties experienced in implementing probability-based limit states design criteria for earthquake are summarized. Comparisons of predicted and observed building damage highlight the limitations of using current deterministic approaches for post-earthquake building condition assessment. The importance of inherent randomness and modeling uncertainty in forecasting building performance is examined through a building fragility assessment of a steel frame with welded connections that was damaged during the Northridge Earthquake of 1994. The prospects for future improvements in earthquake-resistant design procedures based on a more rational probability-based treatment of uncertainty are examined.     

高层结构风振性能水准的二级模糊综合评价研究

针对风振作用下高层结构的性能状态,引入模糊综合评价理论,研究了高层结构风振性能水准的评价因子,给出了上部结构、外部环境和地基与基础三类评价因子划分的等级标准,建立了高层结构风振性能水准预测的层次评价体系,提出了高层结构风振性能水准的二级模糊综合评价模型,并基于Matlab语言编制了结构风振性能模糊概率预测的计算程序。将所提模糊综合评价模型用于广州某四个高层结构风振性能水准的预测评价中,计算结果表明模糊综合评价模型可充分考虑影响结构风振性能水准的各种不确定信息,能根据权重系数的大小对所有评价因子的影响均衡兼顾,进而实现对高层结构的风振性能状态进行很好的预测;二级模糊综合评价模型能更加合理地考虑各评价因子的权重系数,计算结果优于一级模糊综合评价。研究结果可为工程结构抗风设计和加固改造提供参考指导。     

超高层建筑等效静力风荷载的反演法

该文根据刚性模型测压风洞试验结果,给出了确定等效静力风荷载的反演法,其中,位移等效静力风荷载是在已知最终位移的基础上,运用虚拟广义坐标的概念,根据线性最小二乘法进行反推,而内力等效静力风荷载则在最终截面内力已知的基础上,根据悬臂梁静力平衡法进行反推。值得注意的是,计算等效静力风荷载所需的最终响应是根据完全二次型组合方法(CQC)求出的,不再分成背景分量和共振分量,而且还可以考虑多振型的耦合。以陆家嘴X3-2 地块办公楼为例进行刚性模型测压风洞试验,根据反演法计算出位移等效静力风荷载和内力等效静力风荷载,然后由静力法求出最终响应,通过与CQC法直接计算的结果对比来说明其有效性。     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。     

西藏高原低能耗建筑设计关键技术研究与应用

针对西藏高原地区城乡居住建筑环境质量差、常规能源缺乏的现状,通过对城乡居住建筑的大规模实地勘察、对建筑物理环境和能耗等指标的详细测算以及对城镇居住建筑和传统民居基本模式的综合分析,提出了适合西藏高原自然气候条件和社会经济背景的低能耗建筑设计的基本理论、方法及其关键技术问题。研发了低能耗建筑设计基本气象参数数据,创作出以太阳能综合利用为核心技术、适合当地民族文化和社会经济发展状况的城镇节能居住建筑体系和新型乡村生态民居建筑并建成示范工程,在满足基本热舒适条件下,同时保证了居住建筑的采暖和空调的超低能耗。编制了西藏地区建筑节能设计相关标准和图集,推动了当地建筑节能行业的整体进步。研究成果对于西部其他地区亦具有借鉴意义。