高层建筑标准模型风洞测压和测力试验研究

CAARC高层建筑标准模型是国际上通用的风工程标准模型之一,用来检验各个模拟自然风的风洞试验结果,以确保风洞试验测量数据的可信度。本研究使用缩尺比为1：300的CAARC模型,在同济大学TJ-2建筑风洞中进行了B类和D类地面粗糙度风场下的刚性测压试验和高频动态天平试验。在刚性测压试验中测量了建筑模型表面在不同风速和风向角下的平均风压系数,并与国外风洞机构的试验数据进行了对比分析。在高频动态天平试验中,不同风向角下的结构气动力系数和顶点位移被给出,并同样与国外风洞机构进行了对比。风洞试验结果表明：TJ-2风洞能较好地模拟大气边界层风场,且风场品质较好;试验技术可靠,所测得的试验数据具有较高的精度。     

结构多点随机地震响应分析及拟静位移计算

给出了大跨度结构多点随机地震响应虚拟激励算法的若干实施细节，并讨论了将拟静位移项用自振振型和广义坐标来表达的做法。表明将拟静位移用自振振型和广义坐标来表达时，可能导致结构位移和内力响应非常大的误差，在实际应用时应予重视。     

复杂高耸结构风振响应研究

本文提出了基于高频动态测力天平试验的风振响应的频域分析方法,采用该方法可以用来求解复杂高耸结构的三维耦联风振响应,并给出了利用高频动态测力天平试验来确定广义模态力谱的计算方法.该方法利用高频动态测力天平试验得到的基底剪力自谱、基底弯矩自谱以及基底剪力与弯矩的互谱与脉动风荷载的自谱密度的相互关系并通过引入振型修正系数来求得广义模态力谱,求解结构的三维耦联风振响应.然后,采用本文方法对在建的河南省广播电视发射塔的风振响应进行了研究,结果表明横风向的位移和加速度响应的均方根值要大于顺风向,因此在计算中必须考虑横风向风振的影响.最后本文对计算振型数目和模态耦联项对结构风振响应的影响进行了分析.本文的方法对于求解复杂高耸结构的风振响应具有重要的借鉴意义.     

输电塔-线体系脉动风振耦合分析

为了研究脉动风引起的结构风致响应,以一塔二线输电塔-线体系为对象,模拟了不同风向角下风荷载导致的结构时程响应．以Davenport风速谱为验算目标来模拟脉动风场,在平均风速的基础上施加脉动风动力时程荷载,分析风向角分别为0°、90°和45°时输电塔-线体系的风振时程响应．依据三种工况下结构中的位移及内力分布情况,分析了主要构件的强度及稳定性,并与基于规范得到的结果进行比较．结果表明,当输电塔层数小于6时,按规范方法计算的强度应力均比按单向流固耦合(Fluid-Solid Interaction, FSI)方法计算的强度应力大;当层数大于6时,按规范方法计算的强度应力与按FSI方法计算的强度应力相当;在45°和90°风向角工况下,按规范方法计算的部分层数的强度应力略小于按FSI方法计算的强度应力．考虑到脉动风的随机性大,建议适当增加风振荷载系数,以确保输电塔-线结构体系的强度安全性．     

气动阻尼对高层建筑横风向风振响应的影响

引入横风力谱模型，分析了某高宽比为6 的方形截面高层建筑在不同地貌和风速条件下的横风向风振响应. 同时考虑正气动阻尼的影 响，获得该建筑在不同自振基频下的风振响应及气动阻尼影响的规律. 分析结果表 明，对于处于低粗糙度地貌并受较高风速作用的低频建筑物，当计算其横风向风振响应时，应适当考虑 正气动阻尼的影响，使计算结果更具真实性.     

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅰ)——随机响应特性

对多自由度带支撑Maxwell粘滞阻尼器减震结构的随机响应特性进行了系统研究。建立了结构一般运动方程;将运动方程按原结构振型展开,将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均It方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;根据SRSS组合方法,给出了耗能结构随机地震响应方差的一般解析式,从而建立了此类耗能结构随机响应特性分析的完备解析解法。     

平屋盖风压分布的数值模拟

基于Reynolds时均N-S方程和RSM模型对平屋面的风压分布进行了数值模拟,在此基础上系统研究了风向角、跨高比、地面粗糙度、风速等因素对屋面风压分布的影响,探讨了结构周围流场的绕流特性,最后根据屋面的结构形式及风压分布特点将屋面进行分区,给出了屋面在不同风向角下的分区风载体型系数以供工程设计参考。     

高层建筑横风向湍流脉动风压动力反应计算

根据湍流脉动压力的产生机理,从湍流理论的基本方程出发,根据Taylor关于湍流的"冻结"假定,导出了湍流脉动风压谱密度函数的解析计算公式.在分析过程中考虑了压力方程源项中全部"紊动-剪切"项的影响.若取用合适的湍流积分尺度,则由此公式得出的横风向脉动风压谱密度函数值与足尺观测数据相吻合,因此对以前的研究成果有一定的改进.由于在接近结构第一阶自振频率时,谱函数值仍处于较高的水平,因此根据湍流脉动风压谱密度函数计算得出的结构横风向风振动力反应位移值与加速度值均高于由日本规范等公式中规定的漩涡脱落扰力引起的反应值,而且推测随结构高度的增加这一影响也有增加的趋势.建议对此问题进行更深入的研究并在高层建筑结构设计时考虑这一差别的影响.     

体育场阶梯型悬挑屋盖风荷载数值模拟研究

基于CFD数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对某体育场阶梯型悬挑屋盖风压进行了模拟研究。分析了屋盖风压分布特性及风向对风压的影响;并且考虑周边建筑对风场的扰动影响,引入风压系数干扰因子IF量化分析了周边建筑对体育场屋盖风压分布的气动干扰效应。结果表明:此类阶梯型大跨屋盖主要受风吸力作用,屋盖檐口、角部区域的风压系数量值较大;0°和180°风向角下平均风压随测点位置变化趋势大致相同,风压在台阶转折处发生突变;屋盖各区域的风载体型系数对风向角的敏感程度存在较大差异;周边建筑对屋盖风压主要起遮挡效应,对屋盖某些局部区域的风压起放大效应。     

基于数值模拟方法的自然通风器风载体型系数研究

基于Fluent软件平台,采用混合网格划分,选用Realizable k-ε湍流模型,对某自然通风器的风场进行三维数值模拟研究.选择0°、45°、90°、135°和180°等风向,每个风向考虑39m/s风速,此外对0°、180°两风向还考虑了57m/s风速.通过模拟,得到了主通风器导流片的风载体型系数.经计算,0°,180°两个风向的风场对导流片抗风影响较大,基于此对这两个风向的计算结果进行了详细分析.在数值模拟过程中引人多孔介质阶跃模型模拟次通风器导流片,在降低模型复杂程度和减少计算量的同时,保证了数值模拟结果的可靠性.分析表明,基于数值模拟方法得到的风载体型系数在不同风向和风速的情况下呈现一定的变化规律性,为确定自然通风器类结构的风载体型系数提供了合理依据.     

多层建筑屋顶风场的数值模拟

基于计算流体动力学软件Fluent17.2,以浙江温州大学某栋带女儿墙的多层试验教学楼为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型对其进行数值模拟。通过对不同风向角下的数值模拟结果进行对比分析,探究屋顶风场与未受扰来流风场的区别,屋顶不同高度风场的差异,以及不同风向角来流情况下近屋面风场的分布特点、变化规律。结果表明:在离屋面高8m以下,屋顶风速变化剧烈混乱,屋面前沿、中部、后方区域的风速会随高度增加发生变化,并与未受扰来流风场相比存在较大差别;在女儿墙高度1.2m以下,屋面四周区域风速小于中部区域;在离屋面高1.2m~8m时,同一高度屋面前沿区域风速却要大于中部区域及后方区域;在不同的风向角来流下,当来流与建筑迎风面垂直时,屋顶风场沿中线对称分布。本文所得结论可为屋顶各类设备的抗风设计提供一定的参考依据。     

高层建设风压试验研究

通过缩尺比为１：３００的模型风洞测压试验,研究了在１６个来流风向下某高层建筑表面的风压分布,结合当地的气象风速资料,给出了５０年重现期风速下的最大风荷载分布,为该建筑的设计提供了风荷载依据。     

Wind tunnel and full-scale study of wind effects on a super-tall building

This paper presents the analyzed results from a combined wind tunnel and full-scale study of the wind effects on a super-tall building with a height of 420 m in Hong Kong. In wind tunnel tests, mean and fluctuating forces and pressures on the building models for the cases of an isolated building and the building with the existing surrounding condition are measured by the high-frequency force balance technique and synchronous multi-pressure sensing system under two typical boundary layer wind flow fields. Global and local wind force coefficients and structural responses are presented and discussed. A detailed study is conducted to investigate the influences of incident wind direction, upstream terrain conditions and interferences from the surroundings on the wind loads and responses of the high-rise structure. On the other hand, full-scale measurements of the wind effects on the super-tall building have been performed under typhoon conditions. The field data, such as wind speed, wind direction, structural acceleration and displacement responses have been simultaneously and continuously recorded during the passage of 12 typhoons since 2008. Analysis of the field measured data is carried out to investigate the typhoon effects on the super-tall building. Finally, the model test results are compared with the full-scale measurements for verification of the wind tunnel test techniques. The comparative study shows that the wind tunnel testing can provide reasonable predictions of the structural resonant responses. The resonant displacement responses are comparable to the background displacement responses so that the contribution of the background responses to the total displacement responses should not be underestimated. The outcome of the combined wind tunnel and full-scale study is expected to be useful to engineers and researchers involved in the wind-resistant design of super-tall buildings.     

高层建筑动态风干扰的瞬态风压积分法研究

提出通过在风洞试验中多通道测量刚性模型表面瞬态风压并进行积分的方法研究高层建筑的动态风干扰。模型表面的瞬态风压利用多通道同步压力测量而得到。为提高数值积分精度,测压孔位置按高斯求积节点布置。设计了表面布置有测压孔的受扰高层建筑刚性模型和三种不同高度的干扰建筑模型,研究了相同高度以及不同高度的两个高层建筑之间的顺风向和横风向动态风干扰。借助干扰因子讨论了近邻建筑的位置、距离以及楼高对受扰建筑基础动态倾覆力矩的影响规律,并与传统方法所得结果作了比较。     

首都国际机场新航站大楼风压试验研究

通过１：１２０的模型风洞试验,测量了首都国际机场新航站大楼的风压分布,给出了结构风荷载体型系数,并测量了周围部分区域的风速分布,为工程设计提供了依据。试验结果表明：结构表面主要承受负压,周围个别别区域相对来风风速增大。     

敞开式大跨空间桁架结构风荷载分布特性研究

敞开式空间结构的桁架由于直接受气流作用，其流场空间分布复杂，风荷载确定困难，且风洞试验受模型缩尺比限制难于获取桁架结构上的气动力．借助数值风洞技术，利用高性能计算平台，本文数值求解了敞开式桁架结构的空间流场及风荷载分布．敞开式空间桁架结构整体风荷载表现为水平向为主，竖向不显著的特点，该点与封闭式桁架结构整体通常表现出竖向较强吸力作用明显不同．敞开式空间桁架结构整体风荷载对风向角表现并不敏感，其原因在于敞开式空间桁架的流场多处分离且相互干扰严重，其整体特征紊流不易在某个风向角下特别占优．     

An experimental study on wind loads acting on a high-rise building model induced by microburst-like winds

In the present study, an experimental investigation is conducted to quantify the characteristics of the microburst-induced wind loads (i.e., both static and dynamic wind loads) acting on a high-rise building model, compared to those with the test model placed in conventional atmospheric boundary layer (ABL) winds. The experimental study is performed by using an impinging-jet-based microburst simulator available at Iowa State University. In additional to conducting flow field measurements to quantify the flow characteristics of the microburst-like wind, both mean and dynamic wind loads acting on the test model induced by the microburst-like wind are assessed in detail based on the quantitative measurements of the surface pressure distributions around the test model and the resultant aerodynamic forces. It is found that the microburst-induced wind loads acting on high-rise buildings would be significantly different from their counterparts in conventional ABL winds. Both the static and dynamic wind loads acting on the high-rise building model were found to change significantly depending on the radial locations and the orientation angles of the test model in respect to the oncoming microburst-like wind. The dynamic wind loads acting on the test model were found to be mainly influenced by the periodical shedding of the primary vortices and the high turbulence levels in the microburst-like wind. The findings derived from the present study are believed to be useful to gain further insight into the underlying physics of the flow–structure interactions of high-rise buildings in violent microburst winds for a better understanding of the damage potential of microburst winds to high-rise buildings.     

锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载

通过风洞模拟实验，研究了在锥形涡诱导下建筑物顶面风荷载的特性. 针对一个立方体形模 型，给出了在不同风向角下压力分布的系统结果，进而分析了产生这样结果的原因和流动机 理，以及建筑物顶面的分离流动结构随风向角改变而改变及其演化过程，并指出锥形涡的出 现是建筑物顶面局部出现峰值负压的主要原因. 实验结果还显示，在一定风向角下，由于分 离流动产生的锥形涡结构在屋顶局部可以诱导出时均负压峰值达$-1.0$以上；在风向角 $\beta =30^\circ$时，锥形涡强度达到最大，其诱导的顶面附近局部时均负压峰值可 达$-2.4$, 瞬时风压达$-5.7$以上，是导致建筑物屋顶在强风下损坏的根本原因.     

相邻高层建筑表面风压的数值模拟

采用数值模拟方法对一幢由主楼和配楼组成的复杂高层建筑的表面风压进行了模拟计算，考虑了相邻一幢高层建筑对风压分布的影响。计算得到的风压值还与风洞试验值作了比较。结果表明，数值模拟较好地反映了复杂高层建筑的周围流线和表面风压的分布情况；同时，由于相邻建筑物的存在，使得原有建筑的时均流线分布尤其是涡流的数目和尺度以及建筑表面的时均风压分布均发生了较明显的改变。     

土—结构相互作用对高柔结构风振响应TMD控制的影响

文中研究了土－结构相互作用对高层,高耸结构风振响应TMD控制的影响,讨论了结构不同基础类型和不同地在土介质对TMD风振控制效率的影响,数值结构表明,土－结构相互作用对风振响应TMD控制的影响不同于对地震响应TMD控制的影响。