5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性能理论研究

为研究5000m特大跨度悬索桥的三维空气动力稳定性能,首先实现了考虑竖向、侧向和扭转向三自由度自激力和静风荷载的三维全桥全模态颤振分析方法;其次根据风洞试验获得的气动参数对宽开槽和窄开槽两种方案进行了三维颤振性能分析,并与风洞试验和二维颤振分析结果进行了逐项对比,认为二维和三维颤振分析对于5000m悬索桥有可比性;然后实现了特大跨度悬索桥三维三重非线性静风性能分析方法,并对该方案进行研究发现5000m悬索桥的动力失稳先于静力失稳出现,静风稳定性能不控制设计。最终研究结论：从三维分析的角度看,中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽但设稳定板的方案都能给跨度达5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求,5000m特大跨度悬索桥的设计由空气动力稳定性能控制。     

基于实测的古斯塔夫飓风非平稳特性分析

根据美国路易斯安娜州立大学飓风研究中心对古斯塔夫（Gustavo）飓风的实测资料,首先采用传统方法统计出不同高度处强风的基本参数特性,然后运用轮次法对不同高度、时距和起始点的风速样本进行非平稳特性检验,最后基于希尔伯特一黄变换（HHT）方法对于呈现非平稳特性的风速序列进行经验模式分解（EMD）和时一频一谱联合特征分析。分析发现,飓风的湍流强度和积分尺度较良态风场相差较大,并且其平均风速也极不稳定;通过轮次法对不同高度和时段的风速时程检验发现,非平稳特性与高度和统计时段大小密切相关,相应的10min时距的风速样本也存在非平稳特性;HHT对非平稳风速序列分析结果表明,飓风的非平稳特性主要是由时变的平均风速引起,其能量和频率随着时间的变化明显,并且主要能量集中在0．05～0．2Hz频段内,但EMD分解和Hilbert谱结果表明高频能量同样不能忽略。最终得出的结论为：基于传统的分析方法可以很好地获得基于平稳假定的飓风统计参数,但不能获取其非平稳信息,而轮次法和HHT方法是识别非平稳和分析其时频谱联合特性的良好方法。     

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.     

主动来流条件类平板断面气动力荷载效应分析

利用日本宫崎大学11×9多风扇主动控制来流风洞和高精度动态天平测力设备,测量了类平板断面在正弦风波来流条件三分量气动力荷载,比较了不同来流平均风速、波动幅值、脉动频率和积分尺度等参数条件下类平板断面荷载效应.报导并证实了大气边界层物理风洞固定壁面边界反射效应所产生的倍频放大效应;在获得并验证正弦风波加载离散频率荷载效应可线性迭加的有效频段区间内,初步比较了来流积分尺度和风速湍流度效应对于气动荷载效应的影响,阐明典型节段模型风洞试验结果与传统随机抖振气动力理论的差异.     

强台风登陆过程大跨桥梁风特性特征及其抖振响应分析

台风环境条件的风场特征对沿海大跨桥梁结构的风致响应影响显著.结合强台风黑格比(0814)的登陆演变全过程风场逐时记录数据,对台风气候条件下的实测近地平均风特性(平均风速、风向角和风攻角)和脉动风功率谱进行了统计分析,研究了中心过境强台风的风场演变特征.随后分别采用规范谱和实测台风谱对位于台风影响区内的一座大跨斜拉桥(主跨448?m)进行了三维风致抖振响应分析,研究了台风演变过程中桥梁结构抖振响应特征.采用实测台风谱计算的桥梁抖振响应与仅考虑规范谱的结果差异显著.进一步研究了来流大攻角效应对桥梁抖振响应的影响,结果显示,结构竖向和扭转抖振位移分别为仅考虑规范谱响应结果的204.12％和264.87％,横向位移增加67.27％.研究表明:强台风气候条件下,来流大攻角和高频湍流能量卓越的脉动风速对桥梁抖振响应影响突出.因此,关于桥梁风致抖振的相关研究亟需慎重对待,并应加强桥梁风致安全评估.     

大型冷却塔考虑多种风载荷分布模式的结构优化选型

近年来,我国冷却塔建设趋向于大型化(高度190m)、由双/四塔简单群体组合向六/八塔复杂群体组合发展。风致干扰效应是冷却塔群结构设计的关键控制因素,但目前以风载荷为主导的冷却塔结构优化设计和研究多局限于上部结构塔筒本身,且仅针对规范二维对称风压分布作用,难以满足超大型冷却塔的发展建设需求。为评估上述效应对于结构设计安全和经济性能的影响,计入了冷却塔上、下部结构共同作用,筛选并推荐复杂群塔干扰条件多种不利载荷模式,逐一实施整体结构响应面和梯度搜索优化分析,汇总形成了综合考虑复杂载荷分布模式的冷却塔结构优化评估算法和策略。以典型冷却塔六塔组合布置为例,具体实施了考虑群塔组合下复杂风载荷分布模式影响的分阶段优化过程:采用同步测压风洞试验,研究了典型塔群组合的风致干扰效应,对比归纳出基于典型六塔组合的最不利风载荷分布模式及特征,而后将响应面法和梯度搜索法结合并引入冷却塔结构优化选型分析,同时兼顾冷却塔结构的安全性和稳定性,推荐了适用于多种风载荷作用模式的最优化冷却塔结构设计方案。     

发生风雨激振拉索表面水膜形态数值分析和实测初探

结合Lemaitre斜拉索表面水膜风致形变解析算法,对数学模型中拉索运动方程进行修正,使其能计入拉索风致运动对表面附着水膜形态的影响,通过差分方法对方程进行数值求解,并进行参数分析:研究拉索表面水膜在重力、表面风压、表面摩擦力、表面张力作用下的形态变化,得到拉索发生风雨激振时表面水线的运动规律及形态变化.采用超声波探测仪对拉索表面水膜进行动态测量,实时获得拉索风雨激振形态下表面水膜动态响应数据,通过与水膜运动数值算法结果进行对比一定程度上探讨了圆截面斜拉索风雨振发生机理.     

大型双曲冷却塔表面脉动风压随机特性——风压极值探讨

针对风压信号呈现的非高斯特性和传统极限估计方法的局限,首次提出基于保证率和相关性的极值估计方法--全概率迭代法进行冷却塔表面脉动风荷载极值分析,并和传统的峰值因子法及改进的Sadek-Simiu法计算结果进行对比验证.结果表明:全概率迭代法避开了对随机过程的高斯分布假定,相比传统的极值估计方法其结果更加真实可靠;表达风压极值中脉动分量的峰值因子数值沿着环向和子午向变化显著,如取为同一数值则偏于危险或过于保守;采用全概率迭代法得到的表面风压系数极值分布曲线与规范取值相比,迎风面和负压峰值区域极值偏小,背风区域极值偏大,且最小值对应角度相差约10°.     

上海地区台风风特性Monte-Carlo随机模拟研究

收集和整理了1949年至2005年台风年鉴统计资料和上海崇明岛侯家镇气象站逐时(连续)气象观测记录.对于上海近年来两次强台风(麦莎0509和卡努0515)进行了案例分析,表明台风风场的强变异性不容忽视,台风风环境评价采用可靠度分析理论具有相当的优势.Monte-Carlo台风随机模拟结果亦表明极值风速样本分布具有偏态性,由此建议了极值风速估算保证率系数的合理取值.采用Monte-Carlo台风风场随机模型和敏感度分析方法计算了不同场地条件风环境随机参数对于台风极值风速的贡献程度,并对上海地区的台风风场参数合理取值进行了优化.最后,以越界峰值法和广义Pareto分布探讨了工程场地目标重现期内极值风速预测过程,再现了几类典型工程场地台风风环境的梯度风高度、平均风剖面、极值风速和阵风因子取值特点,并与建筑结构荷载规范进行了对比.