良态风作用下索膜结构风压特性现场实测研究

采用超声风速仪和风压传感器对良态风下的上海世博会世博轴索膜结构的风场及风压进行现场实测,对结构所处风场特性及膜结构表面风压特性进行研究。研究结果表明:三方向脉动风速均基本符合高斯分布;湍流度及阵风因子与平均风速基本符合对数型函数关系,随着平均风速的增大而减小;湍流积分尺度随平均风速的增大而增大;实测风速谱低频段和中频段实测谱与Simiu谱较为接近;风压概率密度分布有一定的非高斯性;与顺风向脉动风速功率谱相比,各测点脉动风压低频段功率谱密度相近,中频、高频段功率谱密度有一定差别;随着平均风速的增大,风压系数的离散性逐渐减小,风速较小时风压系数偏大;得到352.4°风向角下风压系数与体型系数。     

近地台风风场特性及低矮房屋风荷载现场实测研究

通过研制的可移动平坡屋面实验房风压及台风风场现场实测系统,研究近地台风风场特性和低矮房屋表面风荷载分布规律。基于实验房获取到的10余次近地台风风速和风压实测数据,对近地台风风场湍流特征参数如湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度及脉动风速功率谱等,按来流不同方位地貌状况进行分类研究;同时分析了斜向强风最不利工况下,屋面角部区域风压分布特征。分析结果表明: A、B、C类地貌条件下,台风顺风向湍流强度均值分别为0.13, 0.21, 0.32;阵风因子同湍流强度正相关,湍流积分尺度随湍流强度增加而减少;与季风相比,台风眼壁区域的顺风向脉动风速功率谱密度值略大于季风的实测值,而横风向脉动风速功率谱密度值显著大于季风的实测值;在低频和惯性子区范围,台风眼壁区域的顺风向脉动风速von Karman和Harris谱拟合值与实测值吻合较好;在斜向风作用下迎风屋檐角部边缘测点区域具有较高峰值负压和脉动风压,峰值负压系数达-13.5。     

矩形高层建筑结构横向风振反应的分析计算

本文根据结构随机振动理论,考虑到国外有关规范中根据风洞试验数据提出的横风向脉动风压谱与足尺观测数据有差异的现象[1],根据已经得出的横向湍流脉动风压谱密度函数[2],提出了一个湍流脉动风压作用下结构横风向风振反应的计算方法供参考。采用本文中提出的风振反应计算方法可能不至于漏失结构在非共振风速时较大的风振反应值,从而不至于低估设计基准期内最大风速下的横风向风振加速度反应值。用本文提出的方法针对一个具体的工程实例计算了风振反应值,并与采用国外规范中现行方法的计算结果作了对比。计算结果表明,在出现设计基准期内最大风速时,结构湍流脉动风压诱发的横风向风振可能大于由国外现行规范中公式计算的风振反应值。     

大跨屋盖风荷载特性的风洞试验研究

本文结合深圳市高交会展馆续建工程屋盖的试验研究,分析了位于高湍流区域的大跨低矮屋盖的平均风压及脉动风压分布特性,通过屋盖测点脉动风压随风向变化的三维功率谱密度函数,分析了结构的漩涡脱落特征。所得的这些结果对于结构的抗风设计有较为重要的指导意义。     

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。     

大跨度柱面网壳结构风荷载特性风洞试验研究

为研究大跨度柱面网壳结构受特征湍流影响的风荷载特性,在大气边界层风洞中对一大跨度柱面网壳干煤棚结构进行刚性模型同步测压试验,获得了结构表面测点在36个风向角下的测压数据。根据测试结果分析了结构的平均、脉动风压分布特性,脉动风荷载谱以及测点间脉动风荷载的相关性等。结果表明：结构在不同风向角下,特征湍流的影响情况不同,平均风压和脉动风压最大值出现的位置和范围存在较大差别;结构迎风位置测点脉动风荷载无量纲功率谱数值较大,且频谱成分复杂,随着气流向尾流区域发展,无量纲功率谱谱峰宽度及对应的无量纲频率具有增大的趋势,且高频段的衰减速度变缓;测点间脉动风荷载相关性随着频率及测点间空间距离的增加而减小,当频率达到30 Hz时,其相干函数值快速衰减,可以近似认为不相关。     

风力机叶片周边瞬态风场的混合数值模拟

本文根据已有的三维瞬态风场混合数值模拟方法,首先利用k-ε湍流模型对风力发电机叶片周边的时均湍流场进行CFD数值模拟,用ESDU推荐的方法计算了叶片附近的Reynolds应力张量,并修正叶片周边风场的脉动风功率谱密度函数。基于随机流场生成方法逐点模拟了叶片周边的三维脉动风速场,为今后进行叶片脉动荷载的求解奠定了基础。     

变截面刚度与质量分布高层结构风振动力反应分析计算.

采用Rayleigh-Ritz能量法确定非均匀质量与截面刚度悬臂杆的第一阶自振频率与振型,并根据Davenport脉动风速谱得出了顺风向脉动风压谱密度函数.得出了类似的高层与高耸结构顺风向风振动力反应的计算方法.计算结果表明,变截面刚度与质量分布的高层结构或高耸结构在顺风向脉动风压作用下,结构的风振反应以共振响应为主,背景响应只占次要的部分;计算风振系数或进行结构振动控制设计时,应该考虑质量分布函数与截面刚度分布函数变化的影响.     

深圳平安国际金融大厦风致响应大涡模拟分析

运用一种新的湍流脉动流场产生方法模拟了三种风场的湍流边界条件,采用一种新的大涡模拟的亚格子模型,基于Linux系统下软件平台Fluent 6.3的并行计算技术,对深圳平安国际金融大厦进行了全尺寸、高雷诺数（高达10×10⁸量级）的数值风洞模拟。计算了三种风场下建筑表面平均、脉动风压及风荷载时程数据。利用惯性风荷载（IWL）法得到三种风场下深圳平安金融大厦的基底等效静风荷载以及结构顶部峰值加速度响应。分析了不同的湍流来流对结构风压系数、风荷载及加速度响应的影响。分析结果表明：三种来流风场条件下,深圳平安金融大厦周围风场相差较大,来流的湍流强度越高,建筑物前方的脉动风速越高;顺风向等效风荷载主要受平均风速控制,横风向等效风荷载主要受脉动风控制;湍流强度越大,横风向等效风荷载越大;中国规范建议的湍流流场下,深圳平安金融大厦10年重现期顺风向、横风向峰值加速度响应满足居住者舒适度要求。     

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。     

有关高层建筑结构风振荷载的比较分析

本文根据作者收集到的有关资料与研究成果,发现国外有关规范中根据风洞试验数据给出的横风向脉动风压谱与原型观测数据有一定的差异,文中通过对作用在结构上脉动风荷载进行对比分析,对横风向风振响应计算方法提出了一些改进意见,从而达到不低估设计基准期内最大风速的横风向风振反应值的效果。由于超高层的横风向振动可能大于顺风向振动,文中建议在风振反应分析中,应同时考虑顺、横两个方向引起的作用力。     

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%。     

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。     

基于完全气弹模型风洞试验输电塔风荷载识别

按照基本缩尺律,设计、制作了输电塔完全气弹模型,并通过大气边界层风洞试验,测试了多种风速、风向条件下输电塔的位移与加速度响应。通过加速度响应功率谱识别出结构的固有频率,并采用Hilbert-Huang变换结合随机减量法识别出包含结构阻尼和气动阻尼的结构总阻尼。利用虚拟激励法建立了由测点位移响应来识别结构顺风向、横风向风荷载的方法。由识别出的风荷载谱曲线,利用非线性最小二乘法拟合得到输电塔顺风向、横风向风荷载经验公式。研究结果表明：风洞试验设计、制作的输电塔气弹模型,测试得到的模型第1阶自振频率与有限元计算结果吻合较好;横风向荷载谱形态与顺风向的相比有较大的区别,其能量分布在一个更宽的频带上,其峰值频率是顺风向的3～4倍。     

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。     

Wind load identification using wind tunnel test data by inverse analysis

The method for modal wind load identification from across-wind load responses using Kalman filter is presented and verified using the wind tunnel test data. The Kalman filter is utilized for the inverse identification from limited measured responses and the closed-form of Kalman filter gain in modal space is derived for different types of measured response solving the Riccati equation. The wind induced responses used for the verification are measured responses from an aeroelastic wind tunnel test of a rectangular shaped concrete chimney. The displacement responses of the top part of the model are measured and used for the wind load identification, but the acceleration responses obtained by numerical differentiation of displacement are also used in order to evaluate the effect of response type on the identification result. It is found from the identification results that the proposed method identifies the modal across-wind load from measured responses with quite accuracy and the acceleration response yields more accurate wind load identification than displacement response.     

日立电梯试验塔结构抗风设计

通过对日立电梯试验塔风洞试验结果的分析,表明试验塔原设计方案容易引起结构横风向共振,结构横风向的最大基底剪力以及基底弯矩的响应值可以达到顺风向的3倍左右。在结构设计中通过对建筑外形以及结构动力特性等方面的调整,使结构横风向的最大基底剪力以及基底弯矩的响应值减小至与顺风向基本相当,并在实际工程设计中予以采用。表明横风向作用在该类结构抗风设计中的起着不可忽视的作用,并针对这一特点提出了在结构设计中可以应用的加强措施。     

超高层建筑风荷载的试验研究

超高层建筑的风致振动是结构设计的主要控制因素之一。但目前对横风向风荷载的研究远不能满足工程应用和规范制定的需要。本文应用高频动态测力天平技术,对常见的１３种典型断面的超高层建筑模型进行了不同风场条件下的风洞试验,研究了其风荷载,特别是横风向风荷载。结果表明,外形和风场对风荷载有很大的影响,而长细比对无量纲风荷载的影响甚微。本文最后给出的一阶横风向广义风力系数谱的拟合公式,可供规范修订参考。     

高层建筑风荷载相干性研究

利用高层建筑刚性模型测压风洞试验结果,对顺风向风荷载竖向、水平相干性,迎背风面相干性以及横风向、扭转方向风荷载相干性的主要特征进行研究。利用算例说明了迎背风面相干性以及横-扭风荷载相干函数对于风振响应的影响。从计算结果来看,迎背风面全相干假定将使顺风向风振响应计算结果偏于保守;当结构刚心和质心偏离时,假定横扭风荷载相干性等于零会低估横风向和扭转方向风振响应。