灾害天气下大跨屋盖多模态随机离散风致响应研究

研究了具有空间相关性随机风荷载有色噪声过程的数学模型,讨论了用随机白噪声过程滤波生成脉动风荷载的方法。高阶振型对大跨屋盖随机风致响应的贡献不可忽略。本文根据模态解耦原理并结合精细时程积分法,提出了多模态随机离散精细积分法,推导了大跨屋盖风致响应与风效应系数的计算公式。通过大跨屋盖刚性和气弹模型风洞试验,计算了屋盖随机风致动力响应时程。同时研究了大跨屋盖的荷载风效应系数和位移风效应系数的分布情况,结果与有限元分析较吻合,验证了多模态随机离散精细积分法的正确性,证实了该方法是一种简便、快速、准确的大跨屋盖风致响应计算方法。     

冲击风作用下大跨屋盖多模态随机风致响应研究

雷暴冲击风是一种近地面短时产生的瞬态强风,它与传统的边界层风场特征具有明显的差别,冲击风将会引起屋盖的强烈振动,甚至发生破坏.本文根据混合随机模型,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法.应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,使用稳态高斯随机过程模拟脉动风场,模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致.结合多阶模态加速度法和等效风荷载原理,详细推导了大跨屋盖随机风致响应的计算方法.结合边界层风洞试验,比较冲击风产生的表面风压特性,计算得到屋盖冲击风致动力响应时程,并研究了冲击风作用下大跨屋盖荷载风效应系数和位移风效应系数的分布特点.研究结果可作为评估大跨屋盖冲击风致响应的一种参考.     

基于双POD模型的大跨屋盖多模态随机风致响应研究

讨论了具有空间相关三维随机风荷载的数学模型.风荷载的准确模拟是结构进行风致动力响应分析的第一步,POD法提供了一种高效、准确的风荷载模拟方法.本文根据双POD模型和Monte Carlo模拟法,详细研究了空间相关三维风场的数值模拟方法,模拟的风场与实际较为一致.结合随机离散法和多阶模态加速度法的原理,详细推导了大跨屋盖风致响应与风振系数的计算方法.通过大跨屋盖刚性和气弹模型风洞试验,得出高阶振型对大跨屋盖结构的风致响应的贡献不可忽略,并计算了屋盖的风致动力响应时程.研究了大跨屋盖表面荷载风振系数和位移风振系数的分布,结果与有限元分析较为吻合,证实了本文提出的方法是一种高效、准确的大跨屋盖风致响应计算方法.     

北大体育馆屋盖的风荷载及周边建筑干扰影响的试验研究

结合北京大学体育馆屋盖结构的风洞模拟试验,分别考虑了有无周边建筑两种情况下的风压分布。以屋盖上的平均风荷载和脉动风荷载为研究对象,对屋盖上的风荷载特性和周边建筑的干扰影响进行了详细的分析。得出的主要结论:上游建筑物的干扰一般会减小屋盖上的平均风压,增大屋盖上的脉动风压,且对迎风前缘的影响比对其他部位的影响大;周边建筑物的布置,也有可能产生"兜风效应"从而显著地增大风压;周边建筑的影响使风压分布更加分散,脉动风荷载对于总的设计风荷载来说不能忽略。     

体育场悬挑屋盖结构风荷载解析模型

结合援莫桑比克国家体育场刚性模型风洞试验数据,分析了悬挑屋盖结构表面风压分布特性、脉动风荷载谱特性和脉动风压空间相关性,并利用体育场风洞试验测压数据,拟合了各区域脉动风压谱和相干函数的经验公式,建立了此类结构的风荷载解析模型.经过工程算例表明,本文建立的风荷载解析模型用于悬挑屋盖结构的动力响应计算具有较高的精度,有一定的实用价值.     

开孔建筑屋盖风振响应中的气动阻尼识别

建筑物门窗开启后形成开孔房屋,大跨度柔性屋盖结构在内外压共同作用下表现出显著的流固耦合特性,气动阻尼在开孔前后屋盖结构的振动中将发生改变。本文结合风洞模型试验,联合采用经验模态分解法、随机减量法和希耳伯特变换法对一大跨屋盖风致振动的气动阻尼进行识别。运用这一方法分别识别出大跨柔性屋盖在四周封闭和迎风面开孔两种状态下的气动阻尼。在此基础上对本模型屋盖进行的风振响应计算表明,气动阻尼有效地抑制了屋盖风振,考虑气动阻尼影响的数值计算与试验结果吻合得较好,说明本文采用的联合方法能有效地识别柔性屋盖结构风振响应中的气动阻尼。     

某机场新航站楼风压分布特征及风振系数研究

以某机场新航站楼结构风洞试验为依托,对该大跨屋盖的整体和重点部位的风压分布特性进行了详细的阐述。此外,基于风压的统计特征,将屋面分为高斯和非高斯区域。最后,对悬空屋盖区域进行了局部模型风振响应分析。结果表明:在180°风向角下,大挑檐和指廊迎风一侧的平均风压系数分别在-1.0和-0.8左右,挑檐部位最不利可达-1.58,天井内部侧面的风压很小,悬空屋盖上下表面同时受到较小吸力的作用;航站楼的非高斯区域主要集中在屋盖边缘迎风和拐角区域,天井部位并没有出现明显的非高斯分布现象;悬空屋盖区域出现过大位移风振系数的主要原因是悬空屋盖位置处的平均位移较小。     

风致内压对大跨屋盖风振响应的影响

本文利用气体质量守恒原理与气体状态方程推出了考虑风致内压的大跨屋盖风振响应的三阶动力微分方程,并给出了其稳态频响函数的表达式,通过数值算例分析了风致内压对大跨屋盖风振响应的影响.研究表明:考虑风致内压在本质上是给屋盖附加了随特征频率变化的气承刚度与气动阻尼,对于正常封闭建筑采用不考虑风致内压的频域分析法是偏于保守的;对于给定设计风速,任何建筑必存在一个最优孔隙率,会使大跨屋盖的风振响应达到最小,因而合理设置墙面孔隙是大跨屋盖最为有效的气动减振措施.     

“强/台风风环境及结构风效应”专栏简介

正我国是世界上受自然灾害影响最严重的国家之一,其中台风风灾占有较大比例。随着全球变暖趋势加剧,登陆台风的频度和强度有持续增加的趋势。据统计,我国沿海地区平均每年有7次台风登陆,最大风速可达60 m/s以上,对区域内的生命财产和重大工程构成严重威胁。沿海地区高层建筑和大跨空间结构林立,交通和能源基础设施密集,强/台风风环境引起的特异风荷载和结构风效应已突破现有良态风气候条件理论体系。     

刚性模型风洞试验确定大跨屋盖结构风振系数的多阶模态力法

风流经过大跨屋面时,由于气流分离在屋面的大部分区域产生强大的吸力,并引起柔性屋面结构的振动,因此大跨屋面结构抗风设计需考虑风振响应和风振系数.本文根据振型迭加原理,提出了利用刚性模型风洞试验确定大跨度柔性屋盖结构风振响应和风振系数的多阶模态力法,并推导了风振响应和风振系数的计算公式.该方法可以考虑高阶振型的贡献.通过与气动弹性模型风洞试验结果以及直接时程法相对比,发现多阶模态力法能够得出令人满意的结果.     

典型山体地貌下受山坡坡度影响的低矮房屋风荷载风洞试验研究

通过风洞实验对三种典型山体地貌中低矮房屋的风压分布规律进行了研究,并与无周边时的低矮房屋风压分布状况进行了对比,重点讨论了低矮房屋在0°风向角下,随山坡坡度变化时平均风压系数、体型系数的变化规律,进而分析了低矮房屋在0°~90°风向角下的平均风压系数的变化趋势。结果表明：低矮房屋的风压分布受山体的坡度影响较为明显,其中背风墙面较为显著;随着山坡坡度的增大,屋面的平均风压逐渐由负压变为正压,山坡坡度β=90°时,背风屋面体型系数相对无周边时增大250%;某些部位(迎风墙面中线、背风屋檐、迎风屋檐)等处测点出现绝对值较大的平均风压系数,应在设计时引起注意;测点在不同风向角下的平均风压系数与山体环境有很大关系,在考虑低矮房屋设计时,应取最不利风向角下的风荷载进行计算。     

北京奥运乒乓球馆围护结构风荷载的试验研究

结合2008年北京奥运乒乓球馆的风洞模型试验,研究了大跨度屋盖围护结构的风荷载,探讨了围护结构表面风压的计算方法、悬挑屋面的风荷载取值以及周边建筑对幕墙风压的影响.得到的主要结论是:大跨度屋盖的围护结构比主体结构更容易发生风致破坏;用基于试验的统计方法比规范方法计算围护结构风压值更合理更可信;悬挑屋面的净风压并不完全等于上表面或下表面所受风压,只考虑净风压的设计,对于围护结构是不安全的,宜分别按照上下表面的最不利风荷载进行设计;周边建筑会对幕墙上的风压产生很大影响,幕墙的体型系数,应考虑实际周边建筑的排列,对规范建议值做相应调整.这些结论可为类似结构的抗风设计提供参考.     

基于低矮建筑物实测数据的改进湍流物理模型

要准确模拟低矮建筑物壁面上分离涡位置的平均风压比较困难,这些区域在绕钝体流动中也是很关键的部位.本文在Spalart-Allamaras湍流物理模型的基础上,根据钝体绕流流场特性,结合低矮建筑物上的实测数据,调试并选取合适的参数,提高涡粘预测的准确性,提出了改进的S-A湍流物理模型.通过对6m立方体和Silsoe低矮建筑模型进行稳态数值模拟,由改进S-A湍流模型得到的屋面、背风和侧风面上平均风压结果,比目前公认的模拟钝体绕流效果较好的SST湍流模型有较大改善,比风洞实验更接近实测结果.由此可以看出,本文改进湍流模型的方法,将是一条提高预测建筑物表面平均风压精度很有效的途径.     

湍流特性对矩形高层建筑风荷载影响的研究

为研究湍流特性对矩形高层建筑风荷载及周围绕流特性的影响,对4种不同地貌条件下9种深宽比的矩形高层建筑进行了风洞测压试验,考察了湍流度与湍流积分尺度对不同深宽比建筑平均、脉动与极值风压,以及横风向气动力谱和流动分离再附特性的影响规律。结果表明,随湍流度增大,分离流更早再附于侧风面上,郊区地貌下再附点出现位置较开阔地貌提前约30%,且分离流下平均风压减小、极值风压增大(均指绝对值),最不利脉动风压与极值出现位置更靠近前缘;随湍流积分尺度减小,迎风面、背风面与侧风面的平均和极值风压均减小,但湍流积分尺度对分离再附流形态及分离流下的风压分布形状影响不大。相对于深宽比更大的情况,湍流特性对深宽比介于1到2的建筑影响更大。     

复杂截面高层建筑角对角布置的气动干扰机理研究

基于两栋角对角布置、横截面复杂的实际超高层建筑的刚性模型测压风洞试验数据,分析了综合体型系数以及风压系数分布特性,详细讨论了建筑间的气动干扰机理。研究结果表明,两栋塔楼在气流方向上串列布置时,其间可能产生恒定的旋涡,使得上游建筑背风面和下游建筑迎风面的平均风压都表现为较高的负压,上游建筑的平均风荷载会大大超过单体建筑的情况;两栋塔楼在气流方向上大致并列布置时,建筑两侧可能产生周期性的旋涡脱落,导致横风向响应的均方根值较大。此外,建筑的等效静力风荷载以平均风荷载为主,且建筑的自由振动频率远远大于气动力的卓越频率,脉动风荷载以背景分量为主而共振分量较小,这使得结构刚度的增加无法显著降低建筑的等效静力风荷载。     

某超高层建筑刚性模型测力试验研究

在4m×3m边界层风洞中对某高295m的超高层建筑分别进行了有、无周边建筑的刚性模型测力天平试验,得到建筑3个主轴方向基底力矩均值和均方根值随风向角的变化情况,通过比较表明周边超高层建筑对其具有较严重的干扰影响;分析了功率谱和相干函数所表现出的力矩频域特性,横-扭方向基底弯矩相关性明显较顺-横、顺-扭两向大;通过敲击试验得到基底弯矩的自由衰减信号,采用HHT变换方法,识别了模型-天平系统在两个主轴方向的一阶频率和阻尼比,并根据频率和阻尼比消除了基底弯矩信号中由于模型非绝对刚性引起的共振响应分量,由此修正得到较为精确的基底力谱和各角度均方根值,为计算风振响应提供了依据。     

光盘形结构风荷载的风洞实验研究

应用风洞模拟实验研究了光盘形状结构的风荷载特性.风洞实验结果表明,在没有周围建筑物影响时,由于光盘形结构的截面具有对称翼型,上、下表面受到风荷载基本上都是负压分布,叠加后作用在光盘结构上的总体风荷载很小.周围建筑的存在对光盘形的风荷载影响很大,有周围建筑时光盘形结构所受的升力要比没有周围建筑时的值大1～3倍以上.特别有趣的是单独光盘形结构的整体风荷载除了受到一个升力的作用外,还受到了一个迎风低头的翻转力矩,为类似结构的风荷载设计提供了有益的启示.