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。     

某高度257 m公寓建筑的风效应及气动抗风措施

采用高频底座测力天平技术,对位于华南沿海城市的一建筑综合体的两栋超高层建筑(主塔和副塔,其高度分别为300 m和257 m)进行了风洞试验,考察了在副塔立面不同位置角区实施不同局部修改(包括凹角、切角和阳台不封闭)时相临主塔和上游高215 m的酒店对副塔横风向效应的影响。结果显示,副塔单体情况下,50 a横风向峰值基底弯矩和10 a重现期最大峰值加速度分别达到10.08 GN·m和0.50 m/s²,综合体的建筑布局可使副塔的峰值基底弯矩和最大峰值加速度分别减少64%和54%,但上游的酒店可使副塔最大峰值加速度增加16%;只考虑综合体时,推荐的上部凹角和下部阳台不封闭方案可使副塔的最大横风向峰值基底弯矩和最大峰值加速度分别减少20%和15%;考虑所有周边建筑的干扰效应时,推荐方案可使10 a重现期的最大峰值加速度减少12%,且在1～10 a重现期风速作用下的平均减振效果为11%。     

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。     

大型冷却塔结构抗风研究综述与展望

大型冷却塔是典型的风敏感结构,其抗风安全性直接关系到国家电力系统运行的可靠性。本文介绍了国内外大型冷却塔的建设现状,综述了大型冷却塔风洞试验、表面风荷载、风振响应、等效静力风荷载和风致振动控制等几个方面的研究进展;在此基础上并结合国外主要冷却塔设计规范指出我国大型冷却塔抗风设计相关规范条款的不足,建议需要进一步研究的若干新问题。从而可为在建或拟建的火(核)电超大型冷却塔工程提供一定的理论基础和设计指导,同时为超大型冷却塔的风致振动控制设计与实现提供重要的参考。     

大跨度金属屋面风荷载特性和抗风承载力研究进展

近年频发大跨度金属屋面风灾事故,使得此类结构的风灾问题备受关注。造成风灾的原因有很多,主要包括屋面风荷载被低估,未考虑脉动风所引起的屋面疲劳效应,风敏感性气动外形引起的高负压和必要控制措施的缺失,屋面抗风设计及施工缺陷等。从屋盖风荷载分布、金属屋面抗风承载力、风致疲劳性能和抗风设计方法4个方面总结和评述了国内外的研究进展。根据已有研究存在的问题、风灾调查以及2017年超强台风“天鸽”作用下金属屋面工程实例,建议进一步开展对大跨度屋面风压分布特征、金属屋面抗风承载力与风致疲劳性能的理论和数值分析方法以及提高屋面抗风性能的构造措施和空气动力学措施等方面的系统研究。     

超高层建筑结构抗风性能研究

针对按规范公式计算得到的超高层建筑结构风致振动不尽合理的问题,以西安环球贸易中心超高层建筑为工程背景,首先通过风洞试验测得各楼层的风荷载,再利用ANSYS参数化设计语言编制了能够精确求解超高层建筑风振系数及等效静风荷载的程序,进而对超高层建筑的抗风性能进行研究。结果表明:当风向角接近90°时,结构中部出现了极值位移风振系数,且其迎风面顺风向的变形和内力都达到了最大值,横风向的变形和内力则最小;当风向角为20°~70°时,位移风振系数随着楼层的增高而增加,其峰值出现在顶层;随着风向角的变化,结构扭转加速度峰值在各区间都是先减小后增大,特别是风向角呈45°左右时,结构扭转变形和基底扭矩达到了最大值;提出的将风洞试验与有限元分析相结合的新方法可为同类工程的抗风设计提供参考。     

深圳京基金融中心横风向风振控制试验研究

在边界层风洞试验中应用气弹模型技术对深圳京基金融中心（KFT）进行风振控制试验,通过在KFT顶层设计安装悬臂式调谐质量阻尼器(TMD)对结构横风向风振响应进行控制,研究了不同TMD参数对控制效果的影响,并将试验结果和基于刚性模型的高频压力积分(HFPI)计算结果进行比较。结果表明：使用TMD能有效抑制KFT的风致振动响应,当TMD频率接近结构1阶自振频率时,减振效果最佳,且由于结构阻尼的存在,最佳TMD频率略小于结构自振频率;TMD阻尼比为3.86%和1.67%时,结构顶层加速度响应分别减小20%和15%,而TMD阻尼比不大于0.07%时则可能对结构风致振动响应的控制不起作用。     

弧形超高层建筑的抗风设计研究

进行了弧形超高层建筑的模型风洞试验,获得了风荷载体型系数、基础等效静风荷载及结构顶部风致加速度响应,并将其与规范相关值进行了对比,所得结果为其他建筑的抗风设计和风洞试验提供技术参考。     

上海中心大厦结构抗风设计

上海中心大厦为超高层建筑,建筑立面呈三维曲面和旋转形态,合理的抗风设计对结构的安全性、适用性和经济性具有重要意义。通过对上海中心大厦的风气候、建筑外形空气动力学优化以及风洞试验研究,获得了体型系数、斯托罗哈数和地貌类别等计算参数,分析了上海中心大厦风致振动、舒适度以及调谐质量阻尼器对风振舒适度的影响。研究结果表明：采用Vickery风场模型预测得到的梯度风速比采用Georgiou模型预测得到的梯度风速有所增加;风荷载下的结构响应大于多遇地震作用下的结构响应,但小于基本烈度地震作用下的结构响应,合成位移角满足1/500限值的要求。图13表11参14     

广州西塔风效应研究

广州西塔高432m,是目前华南地区的最高建筑,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。采用同步多压力扫描系统(SM-PSS)对其进行多点同步瞬态测压试验,并结合完全二次型组合(CQC)方法和扩展的荷载响应相关(ELRC)方法对其进行风振响应分析和等效静风荷载(ESWL)计算。分析了不同风剖面取值方式、结构模态阻尼比、峰值因子等参数对西塔风致响应的影响,同时也分析了待建的东塔对西塔的干扰效应。结果显示:采用不同风速分布模型计算得到的风荷载可能会产生38%的差异;由于横风向效应,结构在控制性风向的风致响应、荷载和结构模态阻尼比的均方根成反比;待建东塔的干扰影响会使西塔的100年重现期基底弯矩、50年重现期结构位移和10年重现期峰值加速度分别增加9%,37%和75%。     

某高层建筑结构风致响应干扰效应研究

结合某高层建筑风洞模型试验,详细分析了不同工况下结构的风致响应,对干扰效应进行了深入研究。结果表明:基底弯矩的干扰效应主要表现为遮挡效应,遮挡使峰值弯矩减小,但是干扰位于侧风向或者下风向时,有可能使结构的峰值弯矩增大。受扰后,基底弯矩背景分量的变化规律与平均分量较为类似,共振分量的变化规律不明显。峰值加速度受扰后的变化也没有规律性。     

有大型中庭空间的超高层建筑风荷载试验研究

某超高层建筑高228m,在建筑中部设置大型中庭空间用于建筑的自然通风和采光等。对该建筑进行了风洞模型试验,根据试验结果分析了中庭内风压分布的特点、相关性及概率特征,并对比了有无中庭情况下结构的整体风荷载。结果表明:中庭内风压分布均匀,相关性高,其概率特征可按高斯分布进行处理,中庭的存在对结构整体风荷载没有影响。根据试验结果,并结合规范的分析,给出了中庭内风压的局部体型系数和阵风系数。     

高层建筑的等效设计风荷载与风振响应研究

基于某典型高层建筑详细的风洞试验结果,计算分析了该结构的基础等效静风荷载及结构顶部峰值加速度响应,与前期的风洞试验结果相对比,评估了不同风洞试验条件和周边建筑对试验结果的影响,获得的结果可以用于此结构的抗风设计以及居住者舒适度评估。     

新型超高层结构体系的抗风设计研究

在大气边界层风洞进行了“珠江城”商务写字楼大比例尺（1：150）模型风洞实验,通过对风洞实验数据分析,获得了基础等效静风荷载及结构顶部风致加速度响应,并将其结果与其他较小比例尺的两个风洞实验结果相对比,分析了模型几何缩尺比、周边建筑及平均风剖面对实验结果的影响。     

不同断面宽度群体高层建筑的动力干扰效应(第1部分顺风向响应)

基于高频底座力天平技术,研究了不同宽度比的两个和三个建筑物间的顺风向动力干扰效应。文中采用了神经网络、统计和谱分析等方法对干扰特性和机理进行了分析。结果显示,当受扰建筑位于上游施扰建筑物的尾流边界时,会产生较大的动力响应;并且两个施扰建筑物的联合干扰作用会比单个施扰建筑物的干扰作用强,在B类地貌下两个施扰建筑物测出的干扰因子(IF)会比单个施扰建筑的增加79%。位于上游的施扰建筑所脱落的旋涡会使受扰建筑产生涡激共振响应并且产生数倍于非共振情况的IF值,尤其对于小宽度的施扰建筑,在较小的折算风速时就会产生涡激共振问题。粗糙化地貌的高湍流度会对上游施扰建筑尾流的旋涡形成产生一定的抑制作用,在D类地貌下的IF值要远小于B类地貌情况,但在D类地貌下观察到IF值仍有2.2。     

超高层建筑间的干扰效应:建筑外形的影响及干扰因子分布的相关特征

采用高频底座力天平方法,研究了不同断面形状的施扰建筑对一正方形断面受扰建筑的静力和动力干扰影响,分析了正方形断面施扰建筑和正方形切角断面施扰建筑的干扰效应的相关性。结果显示:施扰建筑结构断面的特征尺寸对其所产生的干扰响应起着关键性的作用,当施扰建筑的特征尺度相同时,切角和正方形截面施扰建筑的包络干扰因子(EIF)分布存在明显的相关性,并由此得到了一类特征尺寸相同的不同断面施扰建筑对包络干扰因子分布影响的回归关系(相关系数大于0.91,回归余差小于0.08),较大程度地简化了干扰响应研究结果的繁杂程度,简化了受扰建筑的荷载取值过程。     

任意排列双柱体的风致干扰效应

研究了5种不同宽度和5种不同高度比的两个正方形截面柱体间在不同地貌类型下的静力和动力干扰效应。结果显示,不同宽度比的施扰物体的动态干扰效应存在较大的差异,且宽度比受扰物体小的施扰物体在较低折算风速下会诱发涡激共振问题而产生较为严重的动力干扰效应,这个结果也澄清了已有文献的一些错误的结论。回归分析发现不同配置间干扰因子所存在的相关性并得到可以描述不同因素对干扰效应影响的定量关系,这些结果在很大程度上简化了干扰效应研究结果描述的繁杂性,同时使结构在受扰后的风荷载取值更趋于简洁和合理。文中根据对于试验数据的归纳分析结果,提出了一些可供规范修改时参考的建议。     

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。