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%。     

高层建筑风致扭转荷载的干扰效应研究

在相邻建筑物的干扰下,受扰高层建筑的风荷载与其在孤立状态下相比会有较大的变化。本文采用动态测力天平技术,通过模型风洞试验研究了方形截面高层建筑在周边另一个同样建筑的气动干扰下,其平均、脉动和峰值扭转风荷载的干扰效应,分析了建筑物间距、风场和风向角等参数的影响。研究表明,高层建筑扭转荷载的干扰效应很显著,B类风场0°风向角下,峰值扭矩干扰因子IFp可达2.1,45°风向角下更可高达3.5。最后通过分析受扰模型的基底扭矩谱讨论了上游建筑旋涡脱落的影响。     

典型超高层建筑风荷载频域特性研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行了测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转风荷载,对风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数进行了细致分析。得出以下结论:方形建筑阻力系数谱的峰值频率基本上与来流纵向风谱保持一致,升力系数谱的频带随着地面粗糙度的增大而变宽,能量减小,扭矩系数功率谱的能量随紊流度的增加而增加;矩形建筑长边迎风时,升力和扭矩系数谱均表现出很强的旋涡脱落特征,斯特罗哈数约为0.11,短边迎风时,升力和扭矩系数谱的频带明显变宽,峰值频率降低;升力和扭矩系数的相关性比较强,而阻力系数和升力系数、扭矩系数之间的相关性则相对小些;在旋涡脱落频率附近,升力系数和扭矩系数的相干性都明显增强。     

任意排列两方形断面高层建筑风致干扰机理研究

风致干扰效应是高层建筑群抗风设计中的常见难点问题之一。采用刚性模型测压试验,研究了均匀层流和两种大气边界层风场条件下任意排列两方形断面高层建筑的风致干扰效应,通过平均和脉动基底弯矩系数的干扰因子、风力系数、风压系数分布以及风荷载功率谱的研究,解释了其风致干扰效应的机理。结果表明,任意排列的两方形断面高层建筑风致干扰中,至少存在横风向静力干扰、顺风向静力干扰和横风向动力干扰三个值得注意的干扰区域。 窄道形成的加速效应使受扰结构上形成指向施扰建筑横风向平均吸力和阻塞形成的受扰建筑的横风向平均推力;遮挡效应使得受扰建筑承受指向位于上游的施扰建筑的顺风向风力;漩涡叠加增强位于尾流区受扰建筑上的横风向脉动荷载。不同风场的试验结果表明,提高来流的紊流度有助于减弱上述干扰效应。     

锥形超高层建筑脉动风荷载特性

采用同步测压技术,进行了具有不同锥率的超高层建筑刚性模型风洞试验,对该类建筑物的脉动风荷载特性进行了研究。结果表明：超高层建筑采用锥形轮廓后,延长了来流在建筑物侧风面漩涡脱落的卓越频率,横风向升力系数功率谱谱峰小幅下降,有利于缓解风荷载作用下建筑物横风向风荷载及其风致效应,这对横向风风致效应起控制性作用的超高层建筑十分重要。对比分析表明：随着建筑物锥率的增加,横风向升力系数归一化功率谱谱峰下降,功率谱带宽增大,升力系数根方差减小。但是,超高层建筑锥率的变化对顺风向阻力及扭转向扭矩影响较小。锥形超高层建筑的相关系数、相干函数的变化规律与普通棱柱形超高层建筑基本一致,但其升力以及升力与扭矩之间的相关性有所减弱,相干系数小幅增加。     

矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩的基本特征

利用刚性模型的同步测压风洞试验,研究了矩形截面超高层建筑脉动扭矩的基本特征。研究内容包括扭矩系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性以及横风向脉动风力-扭矩相干函数,另外还考察了厚宽比和风场类别这两个参数对脉动扭矩的影响。研究结果表明,脉动扭矩系数随高度增加递减,随厚宽比增加而增加;脉动扭矩谱具有两个谱峰,谱峰形状随厚宽比改变发生很大变化;相对横风向风力,扭矩的竖向相关系数随距离衰减更快;脉动扭矩与横风向风力具有较强的相关性。     

大高宽比方形截面高层建筑的横风向风荷载及风致响应研究

基于一栋高层建筑的刚性模型表面压力测量风洞试验数据,分析了高宽比较大且截面为方形的高层建筑横风向风效应的共同特征。得到如下结论:高层建筑横截面为方形时,其横风向风荷载主要由规则性旋涡脱落导致的尾流激励构成,为窄带随机激励;当高层建筑的高宽比较大时,基阶固有频率相对较低;当高层建筑兼具方形截面和大高宽比这两个特征时,其基阶固有频率可能接近其尾流的旋涡脱落频率,从而发生剧烈的横风向涡激共振。建筑结构截面的小幅增大可使这种剧烈的横风向涡激共振得到有效控制。上部外形的适当处理,也可能有效降低高层建筑的横风向等效风荷载。低矮群楼的出现将在一定程度上影响高层建筑的风荷载。     

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。     

气动外形对高层建筑风荷载的影响研究

针对我国现行建筑结构荷载规范规定的削角和凹角两种角沿修正形式,进行了7种截面形式高层建筑模型的风洞测压试验。定义角沿修正比为单个角沿沿主轴方向投影长度与全截面在同一方向投影长度之比,分析了角沿修正比对建筑风荷载的影响。试验结果表明:截面采用角沿修正是减小矩形截面建筑顺风向和横风向风荷载的有效方式;截面采用角沿修正比为10%的凹角修正时,建筑顺风向风力系数平均值和均方根值降低最多;截面采用角沿修正比为20%的凹角修正时,横风向风力系数均方根值降低最多;从频域来看,角沿修正对顺风向风力功率谱影响不大,而随着角沿修正比的增大,横风向风力功率谱谱峰对应的折算频率将向高频部分移动。     

基于大涡模拟的三维高层建筑结构气弹响应数值模拟

以宽高比为1∶6的方形截面高层建筑为研究对象,采用弱耦合分区交错算法,流体域采用大涡模拟方法,进行了紊流边界层风场内三维高层建筑结构多自由度模型的气弹数值模拟,计算中考虑了来流紊流,以及结构的顺、横风向响应。将结构静止时大涡模拟结果与刚性模型测压风洞试验进行比较,验证了该方法在准确预测结构风荷载方面的可行性。通过与气弹模型风洞试验结果的比较表明,本文数值分析方法可用于求解风与结构的相互作用,且具有较高的精度。进行了高折减风速下的气弹数值模拟,研究了结构顶部顺、横风向位移响应随折减风速的变化规律。结果表明：结构风振气弹响应主要为来流紊流引起的顺风向抖振和旋涡脱落引起的横风向涡激振动;折减风速较小时,结构顺、横风向位移振幅相当,且位移响应均相对较小;随着折减风速的增加,结构位移响应增大,横风向涡激振动逐渐占据主导地位,并经历了从“拍”到“涡激共振”的转化。     

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。     

典型超高层建筑风荷载幅值特性研究

本文对10个典型的超高层建筑刚性模型进行了测量表面风压的风洞试验,获得了各测量层的阻力、升力和扭矩系数的平均值和根方差。讨论了各测量层风荷载系数随风向角的变化规律,以及高宽比和断面长宽比对方形及矩形建筑风荷载的影响。结果表明,倒角方形、Y形和三角形建筑的风荷载均小于方形与矩形建筑;方形建筑高宽比的增大导致升力系数的根方差明显增大;矩形建筑断面长宽比的增大则使阻力系数的平均值、根方差减少,而升力系数的根方差增大;D类和B类风场中的平均气动力系数相近,而D类风场中脉动气动力系数的根方差大于B类风场。     

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。     

方形结构风荷载Jensen数效应研究

为了解试验模拟的地表粗糙度偏差对方形结构风荷载的影响,在风洞中模拟不同缩尺比的A、B两类粗糙度指数风场,研究Jensen数分别为1 200、6 000时结构风荷载的Jensen数效应。结果表明:Jensen数变化对平均风荷载影响很小,对脉动风荷载影响较大; Jensen数由6 000减小到1 200时,顺风向、横风向、扭矩脉动风荷载增大幅度约为200%～250%; Jensen数减小会使风荷载功率谱低频段能量呈小幅增大趋势,高频段能量呈小幅减小趋势; 当来流与方形结构的直线边存在一定夹角时,Jensen数变化对各类型风荷载相关性影响变小; Jensen数增大会使各层间顺风向、横风向与扭矩风荷载相关性减小; Jensen数由1 200增大为6 000时,对扭矩风荷载相关性影响最大,降幅为63%,横风向风荷载相关性最大降幅为40%,顺风向风荷载相关性最大降幅为15%; 增大Jensen数会使顺风向风荷载相干函数与Davenport指数衰减形式吻合的频率范围增大,高频部分的竖向相干函数减小; 横风向风荷载与扭矩风荷载竖向相干函数更符合Davenport指数衰减形式。     

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。     

高层建筑的横风向激励特性和计算模型的研究

将高层建筑的横风向激励分解为横风向紊流和涡激力激励。根据10个典型高层建筑模型的风洞试验结果,分别研究了两种激励的特性和计算模型,给出典型建筑的横风向紊流激励力系数、涡激力系数和相应的形状系数。特别着重研究涡激力功率谱函数和相干函数,总结出的结果可加深对高层建筑横风向荷载特性的认识,所建立的典型高层建筑的横风向荷载计算模型可用于实际工程。     

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。     

台风“苏力”近地风场脉动特性实测研究

利用设置在福建省霞浦县牙城镇的观测点,成功测得了2013年超强台风“苏力”的近地脉动风场数据,在此基础上对台风的湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和功率谱进行了分析。研究结果表明：湍流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小,当平均风速大于10 m/s时,数值趋于稳定;台风风场的横风向、竖直向湍流强度分量显著增强,顺风向、横风向、竖直向湍流强度分量比值达到1∶0.8∶0.55;台风风场的湍流积分尺度离散性较大,与平均风速、湍流强度无明显相关性,实测的台风脉动风功率谱与von Karman谱比较接近。     

长宽比2∶1矩形截面高层建筑全风向气动阻尼试验研究

由于高层建筑阻尼小、频率低,易在风荷载作用下发生明显的气动弹性效应,出现不可忽略的气动负阻尼比。为此,考虑高层建筑的一阶线性弯曲模态,制作了长宽比2∶1的矩形截面高层建筑的单自由度气动弹性模型,模型比例1/600。进行了全风向下气弹模型风洞试验,每个风向测量了10个试验风速下的建筑顶部加速度响应,并采用随机减量方法,对矩形截面高层建筑气动阻尼比进行识别。研究结果表明:对于长宽比2∶1的矩形截面高层建筑,强轴方向的风致加速度响应远大于弱轴方向;两个主轴方向的顺风向气动阻尼比均为正值,但强轴方向的横风向气动阻尼比为负值,无量纲临界风速约为5.5;仅采用横风向气动阻尼比结果,可以很好地反映全风向的气动阻尼特性。     

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。