复杂大跨结构屋盖风荷载特性的试验与计算研究

在大气边界层风洞中对深圳新火车站在无火车工况与有火车工况下屋盖结构的风荷载分布进行了详细的风洞试验研究,并对无火车工况下火车站主站房东侧大开洞位置风速放大效应进行全面的试验分析。分析了无火车工况下的平均风压系数、脉动风压系数特性,并对比了无火车工况与有火车工况下全分向最大平均负风压系数与脉动风压系数。文中进一步分析了典型测点的脉动风压系数的概率特性,并评估了在一定概率保证率下的峰值因子。同时,文中亦给出了数值风洞模拟结果,并与风洞试验结果进行了详细对比分析。研究结果表明:(1)火车站屋盖表面最大平均负风压系数发生在迎风的悬挑区域,同时亦是脉动风压系数较大的位置;(2)在不同火车数量工况下,屋盖表面的最大平均负风压系数与脉动风压系数均有局部差异,但对整体的风压分布影响较小;(3)位于迎风屋盖表面测点正则化脉动风压系数((Cp-Cpmean)/Cprms)的概率密度函数出现负风压的延伸,呈现明显的非高斯分布特性,而位于下风向的中间区域测点则满足高斯分布;(4)火车站主站房东侧纵、横方向大开洞具有气流"汇集"作用,最大风速放大系数达到1.34;(5)数值风洞模拟计算结果与风洞试验结果比较吻合,新的大涡模拟方法(LES)与湍流风场入口模拟新技术(DSRFG)能有效地应用于建筑结构的风荷载数值模拟。     

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.     

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。     

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.     

大跨度平屋盖表面的特征湍流研究

首先介绍建筑特征湍流的含义及其表现的几种形式。然后重点对一种典型的特征湍流形式——锥形涡进行了探讨,给出了通过风压信息识别其特征参数的方法。最后,结合一大跨度平屋盖缩尺模型风洞测压试验,对锥形涡的涡心位置、作用范围以及运动模式等特征参数进行研究,并给出了定量结果。这些工作有助于更好地总结屋面风压分布的一些共性规律,并进一步提出符合屋面绕流特点的阵风荷载模型或脉动风压功率谱。     

冷却塔群塔干扰条件下脉动风压分布模式

冷却塔群塔为常见的群体建筑物组合形式,存在复杂的塔群干扰效应.传统的群塔干扰效应研究通常面向塔筒等效静风荷载,忽略了群塔组合对于脉动风压分布模式干扰效应的量化研究.为了研究群塔组合条件下脉动风压的干扰分布模式,选取具备多种气动干扰特点的八塔组合矩形布置方案为研究对象,对群塔进行刚性模型同步测压风洞试验,获取了不同风向角条件下塔筒表面的脉动风压分布.在"迎风来流"、"侧风来流"和"背风来流"等三种典型来流模式下,结合风向角的变化将脉动风压分布形式总结为"V"型、"M"型、半"V"型+半"M"型三类,探讨了干扰影响脉动风压分布的机理,发现可将脉动荷载的干扰效应分为"弱干扰"、"非对称强干扰"和"对称强干扰"三种类别;在量化表达脉动风压干扰分布方面提出了脉动风压分布的九项式拟合公式,并按照三类分布模式给出了脉动风压的推荐表达式.     

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.     

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。     

体育场看台挑篷的风荷载及干扰效应分析

针对一个典型的体育场看台挑篷,进行了刚性模型风洞试验,确定其平均风压和脉动风压,通过对挑篷升力系数的讨论,分析其上下表面风压和风压合力的分布规律.并考虑临近山体对挑篷的气动干扰,分析有、无干扰体情况下升力系数的不同分布规律,采用干扰因子对比分析山体对左右两个挑篷风压的影响,同时采用脉动干扰系数来分析干扰对挑篷脉动风压的影响,得出一些具有重要参考价值的结论.     

复杂大跨屋面脉动风压风洞试验研究

介绍了复杂大跨屋面的脉动风压风洞试验研究方法和广州国际会议展览中心屋面脉动风压风洞试验的结果，并对结果进行了分析。分析表明：风压系数平均值分布规律性明显，能体现屋面流场分布情况；均方根值则在一定程度上反映出气流分离和旋涡脱落情况。复杂大跨屋面上表面主要分布为负压，迎风边缘及突出部位较大，低凹处及尾流区域较小；下表面风压分布具有钝体外形的特点，内压的大小与开门状态有关。     

临界雷诺数区准椭圆形覆冰导线风压特性研究

采用刚性模型进行测压试验,得到了不同雷诺数下准椭圆形覆冰导线的风压分布规律,通过对比平均风荷载、脉动风荷载及风荷载谱等参数,分析了雷诺数对风荷载以及横风向驰振稳定性的影响。当雷诺数达到临界区,与亚临界区的对应值相比,平均阻力系数下降、平均升力系数随风向角变化幅度大且在某些对称工况产生横风向平均升力系数;平均风压系数分布对风向角等参数更为敏感。旋涡脱落由亚临界区的规则脱落变为不规则脱落,周向风压相关性减弱,特征频率消失。临界区内平均升力系数急剧的下降段使得结构更易发生横风向驰振。     

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。     

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。     

大型双曲冷却塔平均风荷载的数值模拟研究

对双曲冷却塔的平均风荷载进行CFD数值模拟,获得冷却塔内外表面的三维流场特性和各高度截面的平均风压系数分布曲线,并与以往文献的实测数据和风洞试验结果进行比较,以验证数值模拟的准确性.根据内外表面的风速矢量图,描述冷却塔内外流体的流动特征,发现旋涡的存在使风压分布趋于均匀的规律.并分析塔底的边缘效应及其对冷却塔内外表面风压的影响.讨论现行设计规范在外压的三维效应和内外压的共同作用等方面的不完善之处,给出部分改进建议和冷却塔外表面、内表面和内外表面压差的风压系数等压图,以供设计参考.     

湍流对二维矩形柱体空气动力学性质的影响

本文研究了湍流对长宽比B/D等于2和4的两种静止二维矩形柱体的空气动力学性质(平均压力分布、脉动压力分布、气动力和压力相关)的影响,并从能谱的观点讨论了湍流尺度的影响。     

大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性——非高斯特性研究

为了系统研究大型双曲冷却塔表面脉动风压分布特性,进行单个冷却塔刚体模型风洞动态同步测压试验,对冷却塔表面脉动风压的非高斯统计特性进行了系统的研究。根据测点风压时程及其概率密度分布曲线,对具有非高斯分布特性的局部区域作出判断,从风压信号的时空间相关性入手,结合中心极限定理讨论了局部区域呈现非高斯特性的原因;并基于测点风压信号概率密度曲线的斜度及峰态值对典型断面的测点风压进行非高斯特性描述,给出了划分非高斯区域的标准,并由测点环向相关性对冷却塔壳体表面进行了分区,初步探讨了不同区域的脉动风压形成机理,加深了对冷却塔结构表面风压分布特性的认识,为进一步探讨冷却塔结构表面风压极值奠定了理论基础。     

山地风场平均及脉动风速特性试验研究

山地风场具有与平地风场截然不同的特性,为了研究平均和脉动风速在山地中的空间分布规律,进行了10个不同坡度和高度h的三维轴对称山体模型的边界层风洞试验。试验结果显示:平均风速在山顶达到最大加速,在背风面山脚达到最大减速;山体坡度越大,山顶加速效应越大,背风面山脚减速越大。脉动风速均方根值在山体迎风面和山顶均与平地风场接近,在背风面山脚增加最大,在其后5h位置,恢复与平地风场相同。根据试验结果提出了新的山地风场平均及脉动风速分布模型。