基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

强台风下带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性大涡模拟方法适用性研究

该文基于相关现场实测和风洞试验结果,对强台风下带挑檐低矮双坡房屋气动荷载特性进行了大涡模拟(Large-eddy simulation, LES)研究。研究了台风脉动风场人工合成方法、近壁区网格划分策略及壁面边界条件等模拟参数对带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性影响,定量分析利用大涡模拟预测强台风下低矮房屋屋面风压特性的可靠性,并基于大涡模拟全流场信息分析了低矮房屋周边钝体绕流瞬态特征。研究结果表明:基于CDRFG(Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法可以准确模拟具有高湍流度特性的台风风场,并通过先验的网格划分策略可以实现来流湍流自保持性。大涡模拟能够得到与现场实测及风洞试验较一致的平均和脉动风压系数,且极值风压系数在30%误差范围的可靠度达85%以上。迎风挑檐会导致屋面前缘流动分离提前发生,但对迎风前缘屋面风压分布规律影响较小。挑檐下缘形成的分离泡产生较大脉动吸力,挑檐局部净风压系数未显著增大。该文有助于进一步提升强台风下低矮房屋风荷载模拟的有效性,更加深入的掌握低矮房屋的风致破坏机理,为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

残余应力对H型钢楔形梁相关屈曲的影响

以有限元分析软件ANSYS为工作平台,基于非线性板壳有限元理论,采用壳单元对轻型门式刚架中H型钢楔形薄壁梁进行考虑双重非线性的全过程分析,从而对其相关屈曲性能进行深入的研究。通过变化构件腹板厚度、长度、翼缘宽度、楔率等几何参数,从荷载-位移曲线、承载力、变形的发展等方面入手,分析了残余应力对变截面H型钢梁的相关屈曲性能的影响,获得到了一些有价值的结论。     

梁柱盖板连接的滞回性能研究

盖板加强式梁柱刚性连接节点是使塑性铰外移以提高节点塑性变形的一种改进形式。为了研究梁柱盖板连接的滞回性能,在考虑材料、几何和接触状态非线性基础上,采用三维实体单元对梁柱盖板连接进行了循环加载有限元模拟。设计了4组共12个试件,研究了节点域厚度、梁高、盖板长度及轴压比等参数对盖板连接滞回性能的影响。有限元分析结果表明:大部分节点表现出良好的延性,梁端位移超过80mm;节点域厚度越厚,连接的承载力和刚度越高;梁高越大,连接的延性越差,可能会发生强梁弱柱破坏;盖板长度对节点性能没有显著影响;轴压比越大,节点的强度、刚度和延性会显著降低。     

国家体育场在多点激励作用下的地震反应分析

地震地面运动是一复杂的时-空过程,严格来说所有结构的地震反应分析均应考虑地震动空间变异性的影响,尤其是当结构规模和平面尺寸较大时,这种差动效应就更加明显,由此引起的结构反应与一致激励相比有所不同.本文基于相位差谱生成非平稳空间地震动场后,进行了国家体育场在多点激励下的地震反应分析,并将计算结果与一致激励的结果进行了对比.结果显示:水平地震作用下多点激励作用方向上的位移反应多小于一致激励的,多点激励作用下非激励方向的位移大于一致激励的;竖向地震作用下的变形在多点激励时较大.基底剪力和基底弯矩在多点激励作用下的反应较一致激励的小.     

薄膜结构的风致动力效应初探

由于自重轻、刚度小、距度大且具有对风荷载的敏感性，薄膜结构可能会在风荷载作用下发生破坏，其风致动力效应是从事薄膜结构研究和工程实践人员关心的问题。本文主要总结和介绍了国外在相关研究领域的进展和成果，包括薄膜结构自振特性测试结果，薄膜结构风致动力效应风洞实验结果，以及关于薄膜结构颤振失稳的讨论。     

张拉薄膜结构动力特性研究

分析了张拉薄膜结构动力特性的基本特点,研究了膜面预应力、矢跨比、跨度、边索预应力、膜面索以及支承体系对结构动力特性的影响.结果表明,薄膜结构频率密集,连续成丛分布并且有多个频率重迭;刚性边界跨度较小的薄膜结构的频率较高;跨度较大且比较平坦的大面积薄膜曲面的频率较低,并且分布非常密集;考虑支承体系的张拉索膜结构的频率比未考虑的偏低,振型发生改变;膜面索对自振频率影响不显著,但会使结构的振型发生较大的变化.     

改进的复形法与索承网壳结构的索力优化

根据索承网壳结构受力特点 ,从适合工程应用的角度出发 ,提出双控目标函数满意度法 ,建立索力优化的数学模型 ,采用改进的复形法研究了选定截面情况下的索力优化 ,并附有算例 ,对其结构设计以及工程应用有一定参考价值。该法可供索拱结构、张弦梁结构等空间杂交索结构体系的索力优化借鉴。     

竖向外伸肋板对高层建筑气动力特性影响的试验研究

为研究建筑外表面竖向外伸肋板对高层建筑气动力的影响,试验中采用了1个未设置肋板的参考模型和4个不同肋板布置形式的研究模型,通过模型测压风洞试验,获得了不同风向角下各模型的表面风压,进而对比分析了各模型的基底弯矩系数和层风力系数。试验结果表明：在所有试验模型中,外伸宽度d(d=7.5%D,D为模型长度)较小且靠近建筑边缘(b=15%B,b为肋板与模型边缘距离,B为模型宽度)的竖向肋板可以有效降低横风向脉动层风力系数,最大降幅为40.17%;竖向肋板可以有效降低基底弯矩系数的极值,顺风向和横风向的基底弯矩系数极值最大降幅分别为28.64%和39.02%。通过对比横风向气动基底弯矩功率谱密度发现,无肋板参考模型与加肋板模型的功率谱密度接近,说明竖向肋板的作用并非改变横风向脉动风荷载的能量分布,而是降低其强度;通过研究基底弯矩的相平面轨迹发现,当竖向肋板外伸宽度较小时,顺风向和横风向基底弯矩相关性随着竖向肋板外伸宽度的增大而增强。总体上,通过合理的竖向肋板布置能够取得较为显著的气动优化效果。     

地震地面运动作用下结构反应的分析模型

比较了地震地面运动作用下结构反应分析的位移输入模型和加速度输入模型,并对利用这两种模型进行时程分析的数值计算方法进行了讨论。数值计算结果表明,若采用相同的数值积分方法和积分步长,位移输入模型可获得比加速度输入模型更高的计算精度。没有得到某些文献中的结果,即直接利用地面运动位移作为激励会带来更多的误差,欲得到较好的计算精度需采用更小的激励步长和积分时间步长。位移输入模型不仅形式简单、计算方便,而且是分析地震地面运动作用下多点支承结构反应的有效模型。