深圳京基金融中心气动抗风措施试验研究

深圳京基金融中心高439m,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模型进行了风洞试验,考察了利用其顶部设备和避难层进行开敞形成不同的风走廊(气动措施)对结构风荷载和风致响应的影响。试验结果表明：在重现期100a敏感风向作用下结构漩涡脱落频率明显低于结构基阶固有频率;气动措施可显著抑制和削弱脱落漩涡的强度,当没有受到明显干扰影响时,气动措施显示出良好的抗风效果。不同气动措施可使重现期100a结构基底弯矩减少8.2%~21.2%,使重现期10a峰值加速度减少5.3%~16.0%;受到来自于地王大厦的干扰效应的影响,在所关注重现期风速范围内的结构风振响应为上游地王大厦的尾流所控制,影响了气动措施的控制效果,但在发生涡激共振的临界风速时气动控制措施效果显著。     

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。     

偏转风场下方形截面超高层建筑风致响应与气弹效应研究

超高层建筑具有轻质高柔的特点,强风作用下其气弹效应明显;且水平风向角沿高度偏转,导致超高层建筑的风荷载和风致响应与不考虑风向偏转时有明显不同。为此,完成了风向偏转角为25°的偏转风场及其无偏等效风场下一方形截面千米级超高层建筑的气弹模型试验,基于试验所得的模型顶点加速度时程,结合Hilbert-Huang变换方法和改进的随机减量法识别了气动阻尼比,对比分析了风向角、折减风速和有无风向偏转对气动阻尼比、极值加速度、涡激共振临界风速和锁定区的影响规律,探究了偏转风作用下千米级超高层建筑的风致响应、气弹效应和涡激振动等特性。研究结果表明：风向角对气动阻尼比和极值加速度影响较大,会显著改变其变化规律和涡激共振临界风速;基于频域分析所得的涡激共振临界风速小于由气动阻尼比或极值加速度确定的涡激共振临界风速,表明后者所反映的涡激共振特性具有滞后性,将导致结构不安全;相比无偏等效风作用,偏转风作用下水平向气动阻尼比较大,结构的顶点极值加速度较小,角部极值加速度的最大降幅可达38.3%。     

并行曲面钢箱梁静态干扰及气动优化措施研究

为研究并行双幅曲面钢箱梁斜拉桥的涡激共振特性,文章以某跨江斜拉桥为研究背景,设计节段模型并开展风洞试验,研究了并行双幅曲面钢箱梁斜拉桥的涡振形态及特性,详细分析了不同水平导流板、结构阻尼比等优化措施对其涡振性能的影响.结果表明:单幅和双幅曲面钢箱梁的涡振形态均以竖向涡振为主;双幅桥面之间存在的气动干扰效应不可忽视,使得...     

雪荷载作用下传统蒙古包结构受力机理分析

蒙古包的竖向荷载主要来自雪荷载。在参考蒙古包原型尺寸的基础上,利用建模软件SOLID WORKS及ABAQUS构建了蒙古包结构骨架模型,研究了传统蒙古包结构在里围绳作用下,结构各部件在满布雪荷载和半分布雪荷载时的受力机理与受力形态。研究结果表明,传统蒙古包结构在雪荷载作用下,套脑起到了乌尼的支座效果,在向下位移过程中与乌尼相互支撑,达到平衡状态;乌尼呈现出简支梁均布荷载作用下受弯的特点;哈那均匀地分散了上部结构传递的荷载;里围绳可阻止哈那上部外张,起到了维护结构整体性的重要作用。     

正六边形超高层建筑横风向气弹效应研究

为研究正六边形超高层建筑横风向风致响应和气动阻尼比,开展了一系列多自由度气弹模型风洞试验。测量模型顶部风致位移和加速度响应,基于随机减量法识别了横风向气动阻尼比。结果表明,在顶角迎风时,正六边形超高层建筑易于出现大幅涡振现象,在立面迎风时没有出现涡振现象。顶角迎风时,横风向气动阻尼比随折算风速增大呈现出“先增大到最大正值、再迅速转为最小负值,再平稳回升到零值附近”完整过程。而立面迎风时,横风向气动阻尼比与折算风速近似呈线性关系。最后,建立横风向气动阻尼比的经验评估公式。相关研究可为正六边形超高层建筑的抗风设计和规范完善提供参考。     

楔形超高层建筑风效应的大涡模拟研究

风荷载往往是超高层建筑结构安全性和舒适性的控制性荷载。本文通过大涡模拟技术并结合作者建议的一种新的湍流入口生成方法(NSRFG方法),对四种不同锥度的楔形建筑模型进行了风效应的数值模拟对比研究,以比较不同锥度对结构风荷载和风振响应的影响,及检验本文数值模拟方法的适用性。数值模拟结果表明,虽然不同锥度的建筑模型平均风压和脉动风压分布规律相似,但在结构响应方面,结构横风向峰值基底弯矩响应随模型锥度增大显著减少,表明采用适当锥度的体形可以有效地减小结构横风向气动荷载。本文数值模拟结果和风洞试验结果整体规律相符,表明结合改进的入流湍流生成技术的大涡模拟具有一定的精度,可以给超高层建筑气动外形优化研究提供有价值的参考。     

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明：斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显;当风向角为75°～90°时,超高桥塔将在风速为35～50 m·s^-1的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小;基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。     

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。     

全风向角下二维切角方形桥塔气动措施数值模拟

采用SST K-ω湍流模型,对二维切角方形桥塔气动措施进行了全风向角下的CFD数值模拟研究,雷诺数为5×10~4。分析了添加气动措施对桥塔气动力系数、横风向气动力频谱、斯托罗哈数的影响,并与试验结果进行了对比,二者吻合较好。研究结果表明,风向角α≤25°,升力系数呈下降趋势,添加翼板会显著增大桥塔升力系数;α25°,升力系数呈上升趋势,添加气动措施对桥塔升力系数没有影响。添加气动措施后桥塔阻力系数会增大,最小阻力系数出现在5°～10°风向角范围内。不同风向角下的模型涡脱方式不同,包含的涡脱频率也不同,漩涡脱落不一定是单纯的正弦现象。添加气动措施会减小模型St数,最大St数出现在5°～15°风向角之间。     

3栋典型超高层建筑气动荷载特性及风振控制措施

广州西塔(GWT)、深圳京基100(KK100)和天津高银117大楼(TJ117)是位于不同地域和外形特征不同的超高层建筑,其建筑高度分别为432.00、441.80 m和596.25 m,风荷载和居住者的舒适性是影响这3栋建筑结构设计的重要因素。采用模型的风洞试验方法分析对比这3栋超高层建筑的气动荷载特性,采用局部空气动力学措施(LAS)对其风振响应和风致荷载进行控制,并和采用调质阻尼器(TMD)方法的控制效果进行比较。结果表明：TJ117具有最佳的气动外形,GWT相比最差是由于其在敏感风向斯托罗哈数最高导致在100 a重现期风速处于涡激共振状态,从而使得采用LAS在GWT上的减振效果最好,且在控制风致荷载上LAS的控制效果甚至要略好于TMD方法,LAS对于GWT的10 a重现期加速度的控制在无干扰情况下可以接近TMD的控制效果,即使受到东塔干扰作用,其控制效果仍可达到TMD控制效果的40.5%,相比TMD实施所需的高成本,LAS是一种较为经济易行的方法。     

基于分离涡方法的超高层建筑风荷载研究

本文以CAARC标准高层建筑模型作为研究对象,采用standard k-ε、RNG、Realizable、大涡模拟及分离涡模型,由新的湍流脉动流场产生方法DSRFG模拟风场的湍流边界条件,在定常与非定常风场下分别计算分析建筑周围的风压分布规律,探讨了不同湍流模型对超高层建筑风场及风压分布的影响。将模拟计算结果与风洞试验数据进行对比,验证了计算结果的可靠性。结果表明:RANS模型能够模拟出结构周围流场的一般特性,但对流场的湍流特性模拟效果不佳。大涡模拟模型与分离涡模型能够较好地模拟出流场的湍流分布及结构背风处涡旋的分离脱落情况。在脉动风压系数的分布中,分离涡模型相比大涡模拟模型计算精度更高。     

侧风作用下静动态车-桥系统气动特性数值模拟研究

我国现阶段正处于轨道交通建设的高峰时期,线路中桥梁占有相当大的比重,车辆在桥梁上运行时构成车-桥系统共同承受侧向风的作用,车辆和桥梁间存在着显著的相互气动影响。基于数值模拟方法,对侧向风作用下车-桥体系的空气绕流场进行静动态模拟分析,将静态数值模拟气动力系数与风洞试验结果进行对比,基于动态气动统流特性,提出将桥面上方流场分为6个特征区域,并进一步分析风速和车速对车-桥系统气动特性的影响。分析表明,体系绕流状态具有三维特性,气动力随着车速和风速变化显著。研究结论对车-桥系统绕流及静动态气动荷载的确定具有一定的参考价值。     

强风作用楔形超高层建筑的局部气动抗风措施研究

在边界层风洞中对4栋缩尺比为1∶600、高546 m的等截面、沿高度渐缩和切角的正方形平面高层建筑模型,以及对这些建筑的3个不同高度设备层角区进行敞开处理(局部气动措施)后的瞬态风压分布进行同步测压试验。对结构表面脉动风压场的分布特性、气动荷载沿高度分布、频域相干性、基底气动弯矩功率谱密度以及基底弯矩响应等进行详细分析比较。结果显示:局部气动措施可以显著消减横风向漩涡脱落频率附近的气动弯矩功率谱密度值,且对于平面切角后气动弯矩谱和漩涡脱落有关的残余能量部分同样有较为显著的消减效果,所采取的局部气动措施宜选在脉动风压场分布较强的结构中上部位置,建议选在0.6~0.8倍结构高度之间。风振计算结果显示在3个设备层角区均敞开的情况下可以分别使4栋建筑的100年重现期的横风向风致峰值基底弯矩减少25.7%、21.0%、24.9%和15.5%,且在结构实际自振周期与有限元分析得到的自振周期之比在0.60~1.35范围内时,所采取措施对建筑结构风致荷载消减效果在10%~32%之间。     

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。     

周边高层建筑对大跨度曲面屋盖的气动干扰

结合无锡新区科技交流中心的风洞试验,分析了有无周边建筑两种情况下的风压分布,并对梅花形屋盖的花蕊、花瓣凹弧面和花瓣凸弧面3个典型部位的风荷载体型系数进行了研究,获得周边高层建筑对大跨度曲面屋盖气动干扰的相关结论:虽然受扰建筑的最不利风向角和风压发生很大变化,但是最危险部位始终处于檐口附近,而且是负风压为主;在"兜风效应"的作用下,受扰建筑的风压会急剧增大;在"阻挡效应"的作用下,受扰建筑的风压存在由负压向正压变化的趋势;屋盖凹弧面的槽向与风向角一致时,存在涡流作用与"兜风效应"叠加的现象,受"吸"破坏力极大,在曲面屋盖设计中应予以重视。     

超高层建筑气动弹性效应双向受迫振动风洞试验研究

通过双向受迫振动风洞试验对高347m的长沙世茂广场模型的气动弹性效应进行研究,模拟结构平面两个轴向的一阶振动,同步测量了振动模型上的表面风压和模型顶部位移。在对振动模型横风向和顺风向的气动弹性力分析基础上,识别了该模型气动阻尼比和气动刚度比,计算并分析了气动弹性效应对结构风致响应和等效风荷载的影响。分析结果表明,在100年重现期风速作用下,该模型气动阻尼比为正值,气动刚度为负,气动刚度相对于结构刚度较小,对结构自振频率影响不大。考虑气动弹性参数后,顶部最大位移响应可减小5%,最高居住层最大加速度响应可减小10%,由等效风荷载计算得到的基底总剪力和基底总弯矩减小1.1%左右。分析表明,双向受迫振动风洞试验是一种有效且有实用前景的超高建筑气动弹性参数识别方法。     

高层建筑顺风向响应规范计算及试验研究

作为对高层建筑起控制作用的风致振动,顺风向响应在抗风设计中尤为重要。多国风荷载规范均给出了典型的矩形断面形式的高层建筑顺风向响应计算方法,但不同的计算方法导致结果存在偏差。以某矩形高层建筑为例,基于风洞试验比较研究中国、美国及加拿大规范计算方法。研究表明:因平均风速定义的差异,中国风振系数取值要高于美国的阵风影响系数;相比频域法的计算结果,中国规范中采用的惯性风荷载法计算结果偏大;在相同风荷载作用下,中国和加拿大规范方法得到的顺风向最大位移响应值偏大,结构设计偏于保守。美国规范的计算结果相对偏小,相对偏于不安全;相比于加拿大阵风荷载因子法,中国惯性风荷载法风致响应偏小。     

分体式双箱梁涡振气动控制措施数值模拟

分体式钢箱梁可较大幅度提高颤振临界风速,但较容易引起桥梁涡振,以国内某大跨悬索桥涡激共振为背景,对分体式双箱梁分别增设风障、导流板和纵向格栅后的涡振响应进行纯数值模拟,对比分析了导流板和纵向格栅在一阶正对称竖弯、一阶反对称扭转和七阶竖弯模态,风攻角范围为+3°～-3°情况下的涡振控制效果,基于上述气动措施的流场特性,对其涡振减振机理进行了研究。研究结果表明,风障可以有效降低竖弯涡振振幅,但对扭转涡振振幅具有放大作用;导流板的涡振控制效果与风攻角和风速有关;纵向格栅对正、负风攻角下的竖弯和扭转涡振均有很好的控制效果。