低雷诺数下圆杆正方形塔架的阻力系数研究

通过节段模型风洞试验,研究雷诺数Re=307~906时圆杆正方形塔架的阻力系数,分析密实比、湍流度及风速等因素的影响.在试验研究的基础上,对比3种雷诺平均模型在圆杆正方形塔架气动力CFD数值模拟中的适用性,分析Re=300~2.5×10^(4)时阻力系数变化规律及影响因素.试验结果表明:圆杆正方形塔架的平均阻力系数在45°风向角时最大,0°和90°最小,并随密实比和风速的增大而减小,随湍流度的增大而增大;脉动阻力系数受密实比和风向角的影响不大,但随风速和湍流度的增大而增大.CFD数值结果显示:SST k-ω湍流模型在Re≤2.5×10^(4)时更适用于计算圆杆正方形塔架的平均阻力系数;随雷诺数的增大,塔架平均阻力系数在Re=300~585时急剧减小,Re=585~1090时减小趋势少许放缓,Re=1090~2.5×10^(4)时基本保持不变;完全处于上游杆件尾流区的下游杆件阻力系数相比于上游杆件减小50%左右.

输电线风致响应的时频域特性风洞试验研究

通过单跨输电线气弹模型风洞试验,研究了单导线和4分裂导线的风振位移谱、气动力谱、气动阻尼比及风振系数特性,探讨了风速、导线分裂数及湍流度的影响.结果表明:导线风振中多模态参与较为显著,其模态频率随风速增加而非线性增大,且高湍流时模态频率的增幅更明显.导线响应谱能量随湍流度和导线分裂数的增加而增大,且多分裂导线和高湍流会使导线的振动能量向低频偏移.导线气动力总响应中背景分量的占比整体随风速、湍流度的增加而增大,随分裂数的增加而减小.导线气动阻尼比随风速和湍流度增加而变化的趋势不明显,其一阶模态气动阻尼比约为无风状态阻尼比的5~9倍,约为二阶模态气动阻尼比的2倍.导线位移风振系数明显低于阻力风振系数,且两类风振系数整体随湍流度增加而增大.

高层建筑顶部横梁的风效应

结合CFD数值方法和风洞试验分析了高层建筑顶部横梁的气动力和风荷载特性。CFD数值结果显示建筑顶部绕流会显著增大横梁处的气流风攻角;横梁气动力的数值计算结果和风洞试验结果均证实横梁为驰振稳定截面;风振分析显示横梁的峰值升力大于峰值阻力,通过进一步分析广义力功率谱密度函数和频率比对峰值升力的影响,证实横梁在50年重现期强风作用下处于涡激共振状态。

典型钝体断面大攻角下的颤振自激力特性

基于三自由度强迫振动装置,真实模拟了实际结构大攻角下的弯曲振动形态,并以矩形和H型截面为研究对象,对比分析了竖向振动方式对H1*、H4*、A1*、A4*等4个气动导数的影响。试验研究发现,弯曲振动形态对H1*、H4*、A1*三个气动导数存在明显影响,对导数A4*影响较小,且对气动导数的影响程度与风攻角和截面形式有关;不过,振动形态不影响各导数随无量纲风速的变化规律。分析表明,大攻角下采取与实际结构一致的竖弯振动方式来识别气动导数是完全必要的。

不同腹板开孔率下H型吊杆的气动稳定性研究

通过风洞试验,研究了宽高比B/H=2.4下,不同腹板开孔率的H型吊杆在0o^90o偏角区间内的气动稳定性。试验均在均匀流中进行,来流风为横桥向时定义为0o风偏角。节段模型试验研究发现,适度腹板开孔可减小涡激共振幅值,但不能避免H型吊杆发生涡激振动;腹板不开孔吊杆可发生弯曲驰振与扭转颤振,腹板开孔可显著提高H型吊杆弯曲驰振稳定性,但腹板开孔后在20°偏角附近存在扭转颤振失稳区间,且发生扭转颤振的偏角区间受腹板开孔大小影响明显。吊杆气弹模型试验进一步验证了H型吊杆可发生扭转颤振失稳。

两矩形高层建筑的风致干扰效应

基于高频测力天平风洞试验,分析了实际工程中矩形高层建筑风致干扰产生的原因.在此基础上,研究了两矩形高层建筑不同空间位置下的气动干扰效应.结果显示:矩形高层建筑风荷载的干扰放大效应主要是其侧后方正交布置的另一矩形高层建筑导致,且这一矩形建筑处于受扰建筑下游时产生的干扰效应明显高于处于上游的情形.沿受扰建筑的侧方和后方增大两矩形高层的间距比,风荷载干扰效应整体呈递减的趋势,加速度干扰效应呈先增大后减小的趋势.施扰建筑在受扰建筑侧方移动时的干扰范围和强度均要高于在受扰建筑后方移动时的情形.受扰建筑顺风向体型系数的最大干扰因子可达1.41.干扰效应也会显著增大受扰建筑横风向的体型系数,以单体状态顺风向体型系数归一化的干扰因子为1.08.进一步考虑动力放大作用后,受扰建筑顺风向和横风向基底弯矩的干扰因子可分别达到1.49和2.28,加速度的干扰因子最大可达1.23.

雷暴风和良态风下输电塔气弹模型风洞试验

为研究雷暴风下输电塔的风振特性和风振系数,基于导流板在边界层风洞中模拟的稳态雷暴风场,开展了输电塔气弹模型风洞试验,并与B类场地下的结果进行了对比。结果表明:输电塔雷暴风下的位移、应力及加速度响应随风速和风向的变化规律与B类场地类似。雷暴风下的平均值、脉动响应一般会高于B类场地,且雷暴风最大风速处于塔头高度时响应的增幅更显著。塔头位移的顺风向平均值、脉动值及横风向脉动值最大可达B类场地的1.58倍、1.44倍及1.87倍,塔腿处应力的平均值和脉动值最大可达B类场地的1.61倍和1.21倍,中横担处加速度的脉动值最大可达B类场地的1.38倍。雷暴风下位移和应力的风振系数一般小于B类场地,加速度风振系数则基本与B类持平。塔头最大位移风振系数为B类场地最大值的92%左右,塔腿最大拉、压应力风振系数分别为B类场地最大值的93%和90%左右。研究结果对输电塔的抗雷暴风设计具有一定的参考价值。

4分裂导线风洞试验中跨度折减法的适用性研究

跨度折减法通过系数γ缩小导线的跨度,在输电塔线系统风洞试验中应用广泛,但其对4分裂导线的适用性尚未澄清。基于4分裂导线气弹模型风洞试验,对比研究了不同跨度折减系数的两模型与正常缩尺模型的气动力和功率谱特性,并进一步探讨了湍流度和风向的影响。结果表明:导线风振响应中含有高阶振型,且气动力的平均值和脉动值随风速的增加均呈现非线性增大的趋势。湍流会增大导线气动力的平均值和脉动值,增大跨度折减模型与正常缩尺模型气动力均值间的差异。斜风会导致导线两端的气动力产生差异,且张力均值间的差异要显著高于阻力均值间的差异。对于γ为0.8的模型,除脉动量要略高于正常缩尺模型外,其他气动力特性均与正常缩尺模型保持了良好的一致性;但γ为0.5时的模型气动力特性均与正常缩尺模型存在较大差距。建议涉及4分裂导线的风洞试验,可采用γ为0.8左右的跨度折减,不建议采用较小的折减系数。

H型吊杆的大攻角风致振动和抗风设计

拱桥吊杆、大型桁架的直杆是典型的细长直立杆件,因风致振动而损坏的现象常有发生。直立杆件的风攻角变化范围为0°～360°,远大于水平杆件。因此,大攻角风致振动是细长直立杆件的显著特点。但过去未引起足够注意。风洞试验和理论分析证实H型杆件存在大攻角颤振失稳的现实可能性,直立杆的最低涡激共振风速和驰振临界风速也不一定正好在风沿杆件强轴或弱轴的方向产生,试验研究了H型杆不同高宽比和不同开孔率下共16种截面的抗风性能。腹板适度开孔可提高驰振稳定性,但几乎不能提高扭转颤振稳定性。在上述基础上,提出直立杆件抗风设计的建议。

超强台风山竹近地风场特性实测

基于356 m高的深圳气象梯度塔(SZGMT)的实测风速时程数据,分析了超强台风山竹侵袭过程风场特性的竖向分布规律。结果表明,SZGMT上游地面的平均风速剖面指数为0.238,略高于建筑结构荷载规范(GB50009-2012)的C类地貌的指数值;纵向湍流强度接近GB50009-2012 D类地貌的建议值,三向湍流强度比值较我国公路桥梁抗风设计指南的建议值小,并随高度的增加而增大;阵风因子和湍流强度呈高度线性相关,各向峰值因子的拟合结果接近2.5;纵向湍流积分尺度略大于日本规范AIJ 2004和美国规范ASCE7-2010的建议值;实测纵向风速谱和Von Karman谱具有较好的一致性。

基于气弹模型的串列主缆气动干扰试验研究

通过气弹模型风洞试验,研究了不同间距、风偏角、风攻角及固有频率下,串列主缆间的气动干扰特性。研究发现,上游模型的干扰会导致下游模型发生面外振动为主的尾流驰振,且上游模型会跟随下游模型出现同一模态的小幅振动;随间距减小,尾流驰振临界风速相应降低;在负风偏角及正风攻角下模型更易出现尾流驰振;固有频率变大,总体上可提高尾流驰振临界风速。发生尾流驰振时,有多个模态共同参与振动,且各模态参与程度随风速增加规律性变化。模型运动轨迹为主轴在一、三象限内的椭圆振动,随风速增加主轴方向没有明显改变。最后,通过CFD数值模拟方法对试验结果合理性进行了验证。

串列双索气弹模型的风洞试验研究

为研究斜拉桥串列拉索或悬索桥无吊杆串列主缆在风荷载作用下的相互干扰情况,通过自行设计的拉索试验装置,对两串列拉索进行了一系列的气弹模型风洞试验.试验得到索间距W/D在5.85～20变化(W为拉索中心距,D为拉索直径),风偏角在-90°～90°范围内变化时上下游索的一些响应特性.试验观测到了明显的尾流驰振现象,且试验结果表明索间距与风偏角的变化对串列拉索是否出现尾流驰振都有明显的影响.在发生尾流驰振时,以下游索面外的振动为主,且其临界风速随索间距W/D变小而降低;在同一索间距下,0°风偏角为最不利状态,且负风偏角比正风偏角更容易发生尾流驰振.

H型截面细长杆件颤振稳定性试验研究

通过节段模型与气弹模型风洞试验,研究了不同腹板开孔率的H型细长结构的风致颤振失稳特性。试验中H型杆件的腹板与翼板宽的比值为2.4,试验研究均在均匀流中进行,来流风为横桥向时定义为0°风偏角。节段试验研究发现,腹板开孔的细长H型截面杆件在20°风偏角附近较低风速下即可发生扭转颤振失稳,发生扭转颤振失稳的风偏角区间受腹板开孔大小影响明显。腹板开孔率38%的模型在0°附近及10°<β<30°偏角区间存在扭转颤振失稳,开孔率27%的模型颤振失稳区间为10°<β<30°,而14%开孔率的模型颤振失稳区间仅为15°<β<25°。腹板无开孔的模型在0°≤β<10°偏角内较低风速下即可发生弯曲驰振,风偏角增大后,个别偏角下会发生扭弯颤振。腹板开孔为14%与27%的模型试验中没有观测到弯曲驰振现象,而开孔率为38%的模型在80°≤β≤90°偏角内可发生弯曲驰振,可见适度的腹板开孔可有效改善细长H型截面杆件的弯曲驰振稳定性。开孔率为27%的气弹模型试验验证了节段模型扭转颤振失稳及驰振稳定性的结果。

基于WRF与CFD的复杂地形风场多尺度耦合模拟分析

在超高层建筑结构抗风研究中,风场的准确模拟是重要的前提条件。文中综合利用WRF(中尺度天气预报)模式可以模拟高空大气环流、小尺度CFD模拟具备高时空分辨率的特点,选取深圳气象塔周边地带作为一典型丘陵地貌风场研究区域,基于四维数据同化(FDDA)技术的WRF模式,以及平衡态大气边界层CFD模拟,进行这一复杂地形局部风场的多尺度耦合仿真分析。风场仿真结果验证了WRF模拟中AN(分析松弛法)与SAN(近地面分析松弛法)同化方案的适用性,相对而言,AN方案模拟精度更高;相较单一的中尺度WRF模拟,WRF-CFD多尺度耦合模式结果与气象实测数据更吻合,表明多尺度耦合模拟中,由于中尺度WRF模式可为小尺度的CFD模型提供更准确的入口边界条件,并通过网格嵌套实现边界层内的降尺度精细化模拟,从而可以提升风场本身的模拟精度。基于WRF-CFD边界层风场的多尺度耦合模拟将是提高高层建筑结构风效应模拟分析精度的有效途径。

山竹台风的非平稳风特性研究

依托台风山竹侵袭过程中深圳地区356 m高度气象梯度塔获得的实测风速序列,采用离散小波变换(discrete wavelet transform,DWT)和集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)方法提取风速序列中的时变平均风速,对平均风速剖面以及湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱等脉动特性进行分析,并与平稳模型方法(stationary model method,SMM)的结果对比。结果表明:台风的实测平均风速剖面受平稳性影响较小,不同方法计算得到大风时段的地貌粗糙度指数均接近规范C类地貌的取值0.22;不同的时变趋势项提取方法计算的脉动风场参量存在差异,考虑非平稳性后,湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度计算结果相对SMM偏小,其中湍流积分尺度差异尤其明显;SMM的湍流强度接近规范D类地貌的推荐值;SMM计算的湍流积分尺度和AIJ—2004的建议值接近;SMM和EEMD计算得到的脉动风速谱和Karman谱一致,而由DWT计算的脉动风速谱在低频处偏小。对比台风非平稳性研究方法,EEMD方法较DWT方法合理。

H形吊杆大攻角下颤振稳定性研究

通过风洞试验,研究了不同腹板开孔率的H形吊杆风致失稳特性。节段模型试验发现,腹板不开孔吊杆在小攻角下可发生弯曲驰振;而腹板开孔的吊杆在20°攻角附近较低风速下可发生扭转颤振失稳,且发生扭转颤振失稳的风攻角区间受腹板开孔大小影响明显。气弹模型试验进一步验证了H形吊杆可发生扭转颤振失稳。

腹板开孔的H型吊杆横风向驰振特性试验研究

通过节段模型静力三分力与测振风洞试验，研究了0°～90°风偏角下不同宽高比B／H与不同腹板开孔率的H型吊杆横风向驰振特性．B／H=2．4的模型静力试验显示：腹板全封闭时，在0°～8°与64°～90°偏角区间内存在驰振失稳可能，随开孔率增大，驰振失稳偏角区间有所减小且失稳危险性有所降低．B／H=2．4的模型测振试验显示：腹板全封闭模型在0°与5°偏角较低风速即发生了驰振；开孔率为14％与27％的模型试验风速区间内均无驰振现象，不过开孔率为38％模型在80°，85°，90°偏角高于90m／s风速下均发生了驰振．宽高比B／H=1．6腹板全封闭模型试验显示，0°与5°偏角较低风速下也出现了横风向驰振；开孔率38％模型在85°与90°偏角高于110m／s的风速下也发生了驰振．与改变宽高比相比，适度腹板开孔可明显改善H型吊杆驰振特性．

下击暴流作用下的开洞超高层建筑风致内压及净压

通过自制发生装置在大气边界层风洞中模拟下击暴流风场,对典型开洞高层建筑进行内外压风洞试验,研究下击暴流和B类风场作用下开洞高层建筑的内压、净压特性和内压增益函数,进一步识别孔口特征参数,并将内压极值的理论计算结果与试验结果进行对比分析。结果表明,随风向角的增大,内压系数平均值和极值均先减小后增大。两侧面的净压极值最大,易发生风致破坏。开洞面由于内外压相关系数为正值,内外压作用相互抵消,其净压最小。在50°斜风向的来流作用下,内压增益幅值远大于其他风向角下的结果,且在Helmholtz共振频率处的内压能量显著增大。除70°~100°风向角外,其他风向角下内压系数极值的理论值与试验值吻合良好。

考虑绞凸特征的输电线气动力CFD模拟

采用商用FLUENT软件,基于雷诺时均模型,以JL/G1A-630/45同心绞线为对象进行二维CFD数值计算,在网格和时间步长无关性检查的基础上,分析网格离散方式和不同雷诺数下输电线的气动力系数及Strouhal数。研究结果表明:为保障CFD数值计算的结果合理性,需开展网格和时间步长的无关性检查;结构网格较非结构网格能更好的模拟绞线的气动力;Re≤1.65×105时,具有绞凸的输电线气动力系数CFD模拟结果随雷诺数的变化规律与等参数的光圆圆截面模拟结果相似,但输电线和圆截面气动力间的数值差异随雷诺数的变化而变化;在常规导线的缩尺状态(500<Re<3000),采用等截面光圆圆截面替代绞线截面,可能会降低导线顺风向的平均和脉动荷载及横风向的脉动荷载,降低St数并提高导线涡振时的风速;即使能真实模拟缩尺导线的表面绞凸特征,由于雷诺数效应,模型和原型状态的气动力数值仍可能存在较大差异。

横撑布置方式对钢管混凝土拱桥动力特性的影响

通过建立钢管混凝土拱桥有限元模型,详细研究了横撑布置方式对钢管混凝土拱桥动力特性的影响,结果表明:钢管混凝土拱桥主拱面外基频低于面内基频;横撑变化对其面外频率影响较大,但对面内频率几乎无影响;拱顶横撑与1/4跨处横撑对主拱的动力特性影响较大,拱脚横撑对主拱动力特性的影响不明显。