高层建筑脉动风压谱特性研究

结合长安万科中心写字楼刚体模型测压风洞试验,对高层建筑模型脉动风压谱特性进行了研究,发现迎风面脉动风压谱的试验结果与基于准定常假定获得的脉动风压谱吻合较好,侧风面脉动风压谱的试验结果则可以利用Ohkuma模型谱进行拟合。     

矩形高层建筑脉动风压概率特性与峰值因子

在边界层风洞中完成了一系列矩形截面高层建筑1∶500刚性模型的同步测压试验。根据试验结果研究了高层建筑表面脉动风压的概率特性。结果表明:高层建筑迎风面脉动风压的概率特性可采用高斯分布来描述,但侧风面、背风面均表现出不同程度的非高斯性,侧风面气流分离所形成的剪切层的厚度越大,非高斯性越明显;基于目标概率法,提出了便于工程应用的峰值因子的取值方法,随着保证率的增大,按该方法计算得到的峰值因子的增大速度比正态分布峰值因子的增大速度快;对矩形截面高层建筑,以99.38%作为目标概率,极大值峰值因子取2.7;极小值峰值因子在立面中间区域取3.3,边缘区域取3.9。     

基于分离涡方法的TTU标准低矮建筑风压特性研究

本文以TTU标准低矮建筑模型为研究对象,分别采用Standard k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε以及分离涡模型对低矮建筑周边风场进行数值模拟.为较好满足大气边界层的自保持性要求,对RANS模型底部和顶部边界条件进行修正,确保建筑物与大气相互作用时来流条件基本保持不变,并由新的湍流脉动流场生成方法D...     

矩形高层建筑表面风压特性研究

通过刚性模型风洞测压试验,对短边迎风和长边迎风时的矩形截面高层建筑表面风压特性及作用机理进行研究。对比了不同风向角下建筑表面风压分布及相关特性:短边迎风时,锥形涡是建筑侧面风压脉动的主要诱因,侧面脉动风压较大值出现在底边缘附近的瓣状区域内,该区域内风压互相关性显著;长边迎风时,旋涡脱落是导致建筑侧面风压脉动的主要因素,侧面吸力较大值集中在迎风前缘附近,且风压横向互相关性突出。基于风压时程的高阶矩,探讨了建筑表面风压非高斯脉动特性:短边迎风时,风压非高斯区位于迎风面角部、锥形涡作用区及尾流作用区;长边迎风时,非高斯区位于侧面迎风前缘附近的分离区。分析了建筑侧面脉动风压谱和风压相干性,结果表明:短边迎风时,建筑侧面风压脉动能量主要集中在低频段,风压强相干区域仅存在于迎风前缘附近;长边迎风时,旋涡脱落使得建筑侧面脉动风压谱和风压横向相干函数均在折减频率0.1处出现峰值,加之该频率所对应相位角接近0°,使得建筑侧面出现强烈且同步的风压脉动;短边迎风和长边迎风时锥形涡及旋涡脱落在建筑两侧诱导产生的风压脉动均为反相位,对结构抗风较为不利。     

锥状涡作用下大跨度平屋盖表面脉动风压谱模型研究

锥状涡是大跨度平屋盖表面在斜风向来流作用下形成的一种特征湍流形式,相对于来流垂直于檐口时所形成的柱状涡而言,锥状涡的作用形态更为复杂,破坏性更强。基于风洞测压试验,对锥状涡作用下平屋盖表面不同位置处的脉动风压谱特性进行研究,探讨脉动风压谱形状与分离、再附、漩涡脱落等流动现象之间的联系,归纳出四类典型的脉动风压谱形式;在此基础上,提出由来流湍流影响项和特征湍流影响项组成的脉动风压谱多项式模型,并通过引入权重系数来反映不同湍流影响项的贡献。研究结果表明,通过权重系数的分布可以划分流场影响区域,具有一定的物理意义。同时考察脉动风压的空间相关性,研究表明,在锥形涡作用使得屋盖表面脉动风压相关性强于来流脉动风速,相干函数用指数衰减函数表示,衰减系数可取2.5。最后,通过风振响应分析结果来比较风压谱模型对风振响应结果的影响,结果表明,拟定常假设低估了结构的脉动响应,而基于文中的简化风压谱模型得到的风振响应结果与风洞试验结果吻合较好。研究为进一步建立统一的屋盖脉动风压谱模型奠定了基础。     

矩形高层建筑表面风压脉动的非高斯特性研究

通过刚性模型风洞测压试验,对长边迎风和短边迎风时,矩形高层建筑表面风压脉动的非高斯特性进行研究。基于所测得风压时程的三阶矩和四阶矩,划分了建筑表面风压脉动的高斯区和非高斯区。结果表明,在迎风面,非高斯区主要位于迎风边缘及角部。在侧风面,长边迎风时,非高斯区主要集中在迎风前缘附近;短边迎风时,非高斯区位于靠近背风边缘的旋涡再附区。采用Hermite级数法、全概率迭代法及Sadek-Simiu法分别计算了非高斯区内风压时程的峰值因子。结果表明,全概率迭代法和Sadek-Simiu法计算所得非高斯区内的峰值因子较为接近,数值介于3.7~5.7之间;Hermite级数法所给出的峰值因子偏于保守,数值介于3.5~7.0之间。在风压极值的保证率方面,Hermite级数法、全概率迭代法和Sadek-Simiu法所对应的风压极值保证率均值分别为99.99%、99.94%和99.87%。相较于Hermite级数法和全概率迭代法,根据Sadek-Simiu法计算所得的非高斯区风压极值可确保围护结构设计安全。     

高层建筑标准模型脉动风荷载阻塞效应试验研究

在均匀低湍流度风场和均匀高湍流度风场中对阻塞比分别为1.7%、3.1%、4.5%、6.3%、8.6%和10.9%的高层建筑标准模型进行了多点同步测压试验,研究了不同风场下阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响。结果表明:在均匀低湍流度风场中,当模型阻塞比不大于4.5%时,阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响很小;当模型阻塞比大于4.5%时,随着阻塞比的增大,层脉动风力系数和基底脉动力矩系数均明显增大,横风向最为显著。在均匀高湍流度风场中,湍流度的增加增大了层脉动风力系数和基底脉动力矩系数,抑制了阻塞效应对层脉动阻力系数和顺风向基底脉动弯矩系数的影响,削弱了阻塞效应对层脉动升力、扭矩系数和横风向基底脉动弯矩系数、扭转向基底脉动扭矩系数的影响。基于试验结果,提出了高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的阻塞效应修正公式,可为相关试验结果的修正提供参考。     

基于POD方法的高层建筑表面脉动风压场分解与重构

对于风敏感建筑,其表面风压、风力场重构与预测在主体结构风致响应计算和围护结构风荷载设计时具有重要作用。为此,基于刚性模型测压风洞试验,采用本征正交分解(proper orthogonal decompositions, POD)方法,研究了方形截面高层建筑表面风压场在开阔和城市两种地貌下的作用机理及风压、风力重构与风压预测过程。通过分析主坐标和原始广义力的频谱特性并对比二者相关特性,定量分析了前三阶特征模态分别与顺、横风向广义风力的确定性联系。研究表明：在重构风压、风力时,可以采用低阶主坐标重构时程的均方值占试验时程均方值的占比确定参与重构的模态;重构所得点风压、层间风力和广义风力达到同样精度时参与模态数不断降低,且重构所得顺、横风向广义风力仅需单一主导模态参与;采用部分测点脉动风压对驻点高度典型风压进行预测,与测压试验时程、均方根和功率谱对比发现,预测精度较高。     

大跨屋盖结构风压脉动的非高斯特性

借助刚性模型风洞动态同步测压试验,对大跨度平屋盖表面脉动风压的非高斯统计特性进行了系统研究。首先,根据测点风压时程及其概率密度分布,对具有非高斯分布特性的屋盖风压局部区域做出判断;然后,通过风压的时空间相关性,结合中心极限定理讨论局部呈现非高斯特性的原因;最后,基于测点风压的第三、四阶矩统计量对风压的非高斯特性进行描述,给出划分高斯非高斯区域的标准,并在此基础上对平屋盖进行了分区,通过区域划分揭示了不同区域的脉动风压形成机理,也体现出一些大跨屋盖结构不同于低矮房屋的流场特性。通过上述工作,增进了对大跨度屋盖表面风压分布特性的认识,为进一步探讨屋盖结构的抗风设计方法奠定了理论基础。     

高层建筑屋面风压分布的数值模拟

对高层建筑屋面的风压分布进行了分析,模拟了0°和45°两个风向角下屋面平均风压分布,得出了迎风的屋面产生了极大的负风压,其他区域风压相对较小,45°风向角为高层建筑屋面风压的较不利风向角的结论。     

Study on suitable method to simulate fluctuating wind pressurecharacteristics of standard high-rise building model based on LES

为提高钝体建筑结构绕流模拟结果的精度，基于两种大涡模拟(large eddy simulation, LES)入口湍流生成方法，分别为NSRFG（narrow band synthesis random flow generation）方法和CDRFG（consistent discretizing random flow generation）方法，进行CAARC(commonwealth advisory aeronautical research concil)高层建筑标准模型绕流的数值模拟比较研究。以风洞试验结果为参照，在对大气边界层湍流风场进行模拟验证的基础上，详细对比分析采用上述两种方法模拟得到的建筑表面平均和脉动风压系数、绕流场湍流结构、风压系数概率密度分布特性等的差异，并着重从脉动风压非高斯特性角度进行探讨，检验采用上述两种方法模拟钝体建筑结构绕流的适用性和准确性。结果显示：在受来流直接作用的建筑迎风面，采用两种方法模拟的脉动风压基本都符合高斯特性；而在受分离流和尾流作用的侧风面和背风面，采用NSRFG方法能更好地反映建筑表面脉动风压的非高斯特性。极值风压分析表明，为了满足99.38%的保证率，CAARC标准模型迎风面极大与极小峰值因子需分别取为3.0和2.5，侧风面和背风面极大和极小峰值因子需分别取为2.5和4.0。     

某超高层建筑风洞测压试验

依据某超高层建筑,着重介绍了风洞试验的方法,描述了在考虑有、无环境建筑影响下,该高层建筑一些典型的表面风压特性以及一些测点风压随风向角的变化规律。结果表明:迎风面中上部风压系数较大,接近1.0;底部部分风压系数达到1.0;侧风面和背风面风压系数大多为负值,特别是靠近角落处由于涡旋脱落,其值可达到-2。环境建筑对该高层建筑表面风压的影响较大,特别在建筑中下部。为其进行结构设计提出一些参考。     

设有外镂空装饰结构的扭转体型高层建筑风荷载研究

对设有外镂空装饰结构的扭转体型高层建筑的风荷载采用风洞试验方法进行研究,分析扭转体型高层建筑风压和风荷载合力的分布特征,研究装饰结构对主体结构风压分布的影响、装饰结构自身内外表面的风压分布特点,比较有无装饰结构的扭转体型高层建筑风荷载合力。结果表明：扭转体型对主体结构的局部风压和扭矩产生较大的影响,但对主体结构X向和Y向风荷载合力的影响不大;装饰结构对主体结构迎风面和背风面的风压影响较小,但能明显减小主体结构侧风面风压的平均值和脉动效应,使得主体结构的极值负压得到降低,有利于围护结构的抗风设计;装饰结构上同一位置内外表面的平均风压非常接近,合成的净压值很小;装饰结构对于主体结构的平均风荷载影响较小,但降低了主体结构风荷载的脉动效应,对主体结构的抗风有利。     

基于大涡模拟的火灾数值模拟网格划分优化方法

摘 要：网格划分是火灾数值模拟的重要环节,对模拟结果的精度以及模拟时间有很大影响。针对火灾数值模拟中的网格划分问题,提出了一种基于大涡模拟的网格划分优化方法。根据大涡模拟的原理,给出了滤波尺度的计算方法,并根据滤波尺度和网格比系数对火场中不同区域的网格尺寸进行优化处理。将优化方法应用于高层建筑火灾的数值模拟,运用FDS软件分别针对优化前网格、优化后网格以及精细网格进行数值模拟,对不同网格划分下的温度、氧气和二氧化碳体积分数进行比对。结果表明：网格优化后,模拟结果与精细网格之间相关系数的均值为0.987,保证了模拟精度;同时,模拟运行时间降低为精细网格的16%,有效提升了火灾模拟的计算效率。     

开洞矩形截面超高层建筑局部风压风洞试验研究

基于一栋立面上有多个开洞的矩形截面超高层建筑的刚性模型表面压力测量风洞试验结果,分析了矩形截面超高层建筑在长边立面上不同开洞工况下建筑各表面平均风压系数和最不利风压系数的变化规律。试验结果表明:当建筑长边迎风时,开洞使得背风面洞口附近的平均风压系数绝对值增大,但迎风面上的平均风压系数变化很小;当建筑短边迎风时,开洞对洞口附近的平均风压系数和最不利正风压系数均只有微弱影响,但对其最不利负风压系数却有很大影响,特别是中部开洞,将使其周围的最不利负风压系数增大一倍以上;开洞对短边立面上的最不利风压系数不产生明显的影响。为有结构开洞的高层建筑洞口附近的围护结构设计提供了参考数据。     

基于时域法的高层建筑顺风向风振舒适度研究

采用谐波合成法及快速傅里叶变换技术（FFT）模拟出高层建筑顺风向脉动风场,借助ETABS软件在时域内对建筑风振舒适度进行了研究分析,为类似工程的研究提供了参考依据.     

CAARC高层建筑标准模型层风荷载谱数学模型研究

用风洞试验方法在B、D两种地貌下研究了CAARC高层建筑标准模型在不同高度处的顺风向和横风向风荷载的功率谱特性和相干特性。结果显示:不同高度的无因次风荷载功率谱密度具有较好的一致性;在顺风向,不同高度风荷载间的相干特性显示出指数式的衰减规律;在横风向,风荷载在漩涡脱落频率附近有很强的相关性,相干函数值接近于1。根据风荷载沿结构高度变化的特征,进一步采用拟合方法确定了各层风荷载的功率谱密度和层间荷载相干函数的经验公式,建立了层风荷载谱数学模型,并给出了以此为基础计算标准模型风振响应的计算流程。将按照本文模型计算得到的广义力功率谱与高频底座力天平试验的结果作比较,结果吻合较好,证明了本文所提出模型的正确性。     

高层建筑水平悬挑遮阳板风荷载的风洞试验研究

高层建筑悬挑遮阳板等小尺寸构件直接承受风荷载作用,在强风作用下的安全性备受关注。相对于建筑的整体尺寸,悬挑遮阳板很小,难以在缩尺模型上直接模拟,因此在实际工程的风洞试验研究中常常被简化或者忽略。研究中利用3D打印技术制作了精细化的有悬挑遮阳板的高层建筑风洞试验模型,并在打印遮阳板模型时直接预留测压管道,分析了水平悬挑遮阳板的风压分布规律及遮阳板对建筑立面风压的影响,并对基于建筑立面风压的悬挑遮阳板风压估计方法的估算误差进行了评估。研究结果表明：高层建筑水平悬挑遮阳板的最不利净风压的最大值出现在顶层遮阳板处;水平悬挑遮阳板的存在能较大程度地削弱建筑立面上的最不利负风压;悬挑遮阳板最不利风压可利用其上下两侧附近建筑立面测点的风压差近似估计,但对于建筑立面边缘附近的悬挑遮阳板端部以及建筑底部附近的最底层悬挑遮阳板上的最不利风压,这种方法的估算误差较大。     

某超高层建筑的脉动风荷载模拟及风振分析

结合总高438.6 m的某超高层建筑,采用现在广泛流行的线性滤波法中的AR自回归模型,模拟了该结构具有随机性、时间相关性、空间相关性的28条顺风向脉动风荷载时程样本,并对结构进行了风振响应分析。     

稳态冲击射流作用下平地及坡地高层建筑的风荷载特性

现行规范的设计风荷载以普通大气边界层风场为主,其平均风剖面为指数型或对数型。下击暴流风场的典型风剖面与普通边界层风场差异很大。基于稳态冲击射流试验和数值模拟分析,考虑平地与坡地两种地形以及坡地坡度的影响,研究冲击射流风场中的高层建筑物表面风压分布特性与风荷载情况。风洞试验和数值模拟结果表明：冲击射流风场中建筑表面风压分布不同于大气边界层风场,迎风面最大风压出现在建筑下部;坡地上建筑物迎风面风压小于同等情况下平地上建筑物迎风面风压,而在侧面和背风面则呈现出相反的规律。对不同坡度坡地上的模型分析结果表明,随着坡地坡度的增大,建筑迎风面风压逐渐减小。