北京当代MOMA风载及风环境数值模拟研究

根据计算流体动力学(CFD)的基本原理,基于计算流体力学软件Fluent平台,对当代MOMA工程的建筑群进行数值风洞模拟。获得12个不同风向下建筑物表面风压分布参数和建筑群区域不同高度的风环境参数。结果表明,建筑群的互相干扰既会影响建筑物表面的风压分布,又对不同区域的风向和风速有重要影响。来流上游建筑物的阻挡,会造成下游建筑物迎风表面压力值的减少,局部的风速加剧又会加大周围建筑物表面压力值;在产生流动分离和涡脱落的区域风速较高,而背风区域的风向与来流风向有较大差异。数值模拟获得的结果为建筑群的优化设计提供了重要参考。

超高层建筑三维风振的时域分析方法研究

以436m高的大连国贸中心大厦为例,着重介绍通过时域分析确定超高层建筑三维等效静风荷载的方法。首先结合风洞测压试验,采用广义坐标合成法和等效风振力法得出各层的位移响应时程和等效荷载时程。然后根据极值统计理论和相关分析确定等效目标,在等效荷载时程中与目标最匹配的值即可作为等效静风荷载。由此得出的各层荷载自动包含了不同方向的组合以及荷载空间相关性,不但可实现等效目标,其他相关响应通常也可达到最大值。由于采用了高效的广义坐标合成法,该时域分析方法在精度相同的前提下,计算量比传统的频域完全二次型组合(CQC)算法还要小。对大连国贸中心大厦的计算分析验证了该方法的有效性。分析结果表明大厦的横风向振动非常显著,在小角度斜吹的情况下,弱轴方向将由于强烈的横风向振动出现响应与荷载的最大值。

风振响应计算的新方法——广义坐标合成法

风振响应通常根据激励的功率谱矩阵,采用完全二次型组合(CQC)或其改进算法进行计算。但对于已由风洞试验给出激励时程的结构而言,采用广义坐标合成法(GCS)可获得更高的计算效率和更快的计算速度。该方法利用单自由度广义坐标方程的频域数值解法,求解广义坐标时程,进而根据振型叠加法得出响应时程或响应方差。对于加速度响应,首先计算广义坐标的加速度时程,然后再叠加。求解响应方差时,GCS的计算量和计算规模通常不到CQC改进算法的1/10,而计算结果与CQC方法完全等价。该方法的另一突出优点是可方便的得到响应时程,这为开展响应构成和概率特性的研究创造了有利条件。通过两个典型算例阐述了该方法地具体应用,证明该方法具有高效、快速、准确的特点。

深圳湾体育中心风洞试验及风振分析研究

对深圳湾体育中心进行了测压试验、风环境试验和风振响应分析。着重研究了屋盖悬挑部分上、下表面脉动风压的相关性,指出相关系数对合压力脉动强度有重要影响。并通过对比测压试验,评估了周边建筑对屋盖平均风压和脉动风压分布的影响。周边建筑的存在使得平均风压幅值降低,而脉动风压明显增大。根据风环境试验结果,分析了体育场内部风场的分布,对当地主导风向进行评价,并提出针对性建议。最后,基于同步测压试验结果,对屋盖结构进行了基于时程方法的风致响应计算,得到了动力风荷载作用下的位移响应特征。

融科C座悬索玻璃大堂结构设计

融科C座63m跨度玻璃大堂采用悬索、拉索和揽风索相结合的结构形式,其规模在同类结构中居世界第一。针对工程特点,重点介绍了方案设计的改进演变过程、结构细部设计中的优化及最终采用的构造方法,其中包括提出的两种新型的钢索锚固节点形式。为了确定该柔性结构的体型系数和风振系数,进行了刚性模型和弹性模型的风洞试验,对试验内容和成果进行了总结介绍。实践证明,这种由不同类型拉索组合的结构是一种高效、先进的大跨度结构形式。

盐城火车站无站台柱雨棚风荷载的风洞试验研究

基于盐城火车站无站台柱雨棚风荷载的风洞试验结果,选取典型风向角,研究了平均风压系数和脉动风压系数的分布特性,指出雨棚表面基本为负压控制,且边缘部分压力系数较大。该项研究为进一步探讨无站台柱雨棚的风荷载特性和结构抗风设计提供了依据。

浅议高层建筑抗风的技术问题及对策

高层建筑横风向、扭转向风荷载及群体建筑干扰效应可能引起较大的风致响应。本文综合分析了高层建筑受风荷载的特点,对不同的抗风要求提出了针对性的抗风措施。研究和工程实例表明,通过改变建筑外形或结构动力特性可有效改善高层建筑受风环境,从而降低建筑风致响应。

2012年“华夏建设科学技术奖”获奖项目(一等奖) 建筑群风环境测试与评估技术研究

随着社会经济的高速发展．城市中出现了越来越多的高大建筑．这些建筑在彰显社会进步成果的同时．也在改变着城市的局部风环境。建筑风环境问题在发达国家和地区已经引起相当的重视，并上升到立法规范管理的层面。许多城市制定了专门法规，来监督管理新建和改建城市街区与住宅小区的建筑风环境问题．大型的工程项目都要进行风环境的强制性评估。

大跨结构等效静风荷载计算方法研究

简单比较了中外规范等效静风荷载计算方法的区别。指出对于大跨结构而言，基于准静态风荷载计算等效静风荷载将得出更为合理的结果。介绍了利用广义坐标合成法进行风振计算，并得出响应时程的基本原理；在此基础上，推导得出等效静风荷载计算公式，并给出了共振分量（即附加风振力）的准确表达式。对于附加风振力与表面风压作用方向不一致的情况，建议采用准静态荷载与附加风振力相叠加的方法给出等效静风荷载。算例分析表明，采用上述方法可以给出较为合理的等效静风荷载分布。

雄安站大跨结构风洞试验与风致响应研究

雄安站屋盖体型独特,属于风荷载敏感结构,抗风设计非常重要。为明确风荷载取值,对雄安站进行了刚性模型风洞试验。在风洞试验的基础上,着重分析了屋盖悬挑部分风荷载的分布情况。结果表明,屋盖悬挑上表面在剧烈流动分离的影响下风荷载体型系数可达到-2.3;雨棚局部镂空区域对风荷载的影响较小。基于风洞试验得到的风压时程,对屋盖结构进行了风致响应计算,并给出高架候车厅屋盖及雨棚各结构单元不利风向角。最后,采用有限元软件Fluent对过站列车风进行数值模拟分析,得到列车风风压的空间分布形态。列车过站时,结构上的列车风压力峰值随车体与结构距离增大迅速衰减,在列车以350km/h速度运行通过时,高架候车层可满足舒适性要求。

中国国家博物馆钢桁架与混凝土结构的合理连接研究与设计

中国国家博物馆钢桁架结构跨度大、荷载大,使得钢桁架与混凝土结构连接处的反力巨大。为了使钢和混凝土协调工作,连接部件的合理设计是一个关键问题。本项目中,钢桁架与混凝土结构主要有两种位置关系,一种是钢桁架与混凝土结构侧面连接;另一种是钢桁架与混凝土结构顶面连接。对这两种连接方式分别进行了方案的对比和介绍。对于侧面连接区域,采用了暗桁架的连接方式,并将暗桁架杆件形式从实腹式截面调整为两块钢板,在保证了有效传力的同时,满足了钢筋布置的要求。同时还进行了有限元分析,对节点设计方法给予了验证。对于顶面连接方式,采用与施工方案相结合的节点设计方式,通过滑动支座释放部分水平反力。通过分析计算确立了合理的连接构造。

大跨度空间结构风振响应计算分析

对某大跨度空间结构进行了风振分析研究 ,该结构具有频率极其集中的特点 ,在进行风振分析的过程中 ,考虑了高阶振型的影响。文中利用模态分析法求取了结构的动力特性 ,并在此基础之上选取了适当的模态进行了谱分析 ,获得了结构的动力响应 ,并最终得到结构的风振响应。通过分析发现了大跨度空间结构在脉动风作用下的某些响应特性 。

中国国家博物馆钢桁架结构设计

中国国家博物馆为具有国际先进水平的大型博物馆,其内有大量大空间展厅和公共空间采用了钢桁架结构体系,总面积约30 000m2。介绍了钢桁架作为结构体系在本项目中的主要优势。采用SAP2000对结构进行了整体分析计算,介绍了分析设计的荷载取值、设计准则、楼板在设计中的考虑、钢结构预起拱、材料选择、截面形式选择、钢结构合拢、楼盖舒适度计算等大跨度钢结构设计中的常见问题。对钢结构楼屋盖选用钢筋桁架楼板进行了介绍。

武汉火车站站房屋盖和雨棚风洞试验研究

通过风洞试验研究了武汉火车站屋盖和雨棚的表面风荷载分布特征,着重分析了大型悬挑和镂空吊顶对风压分布的影响。屋盖的大型悬挑对局部风压影响很大,当来流斜吹时,悬挑局部区域的体型系数可达-2.2,而由于玻璃幕墙的阻挡作用,悬挑下方在某些风向会产生0.6的正压体型系数。下表面镂空时的上表面内侧风压和密闭时的下表面风压基本一致。在整体设计时,可按封闭模型的试验结果进行取值。通过对总受力和压力方差的统计分析,获得了不同风向下结构受风力作用的大小和离散程度,可为评估不利风向角提供重要参考依据。

基于响应时程的大跨度空间结构等效静风荷载分析方法

提出以特定时刻的瞬时风压分布为基础,计算大跨度空间结构等效静风荷载的基本方法。首先利用广义坐标合成法得到目标响应的时程,从中确定产生最大响应的时刻,再以该时刻的瞬时风压分布为基础,采用动力放大因子法或附加风振力法计算等效静风荷载。当采用附加风振力法将瞬时风压和附加风振力叠加时,可以得到与风压作用方向不同的等效静风荷载,避免了在某些情况下对风压的过度放大。为便于工程应用,根据精确的等效静风荷载计算式,将荷载中的准静态分量和附加风振力分离,提出了附加风振力的简化计算式。通过大型结构算例分析,证明采用上述方法可以给出合理的等效静风荷载分布,不但能够保证响应目标的等效,其他响应也符合真实情况。

天津永乐桥摩天轮结构设计

天津永乐桥摩天轮建于子牙河上,轮桥一体,建筑造型新颖。摩天轮轮盘采用预应力拉索支承结构,直径达110m。介绍了永乐桥预应力拉索支撑摩天轮设计中主要问题,重点介绍了游艺类结构的设计要求。摩天轮设计分析时重点考虑了地震作用的影响,并采用了时程分析的方法进行了计算对比,结果表明振型分解反应谱法分析结果应适当调整后再用于结构设计。摩天轮轮盘是受压结构,设计时针对结构整体稳定问题进行了专题研究,分析结果表明永乐桥摩天轮结构稳定性满足要求。节点设计是摩天轮结构设计的重要部分,设计中对各节点进行了实体受力分析,得到了满意的结果。受施工条件的限制,摩天轮结构施工方法也成为结构可行性的控制因素,设计中针对摩天轮结构施工方法进行了分析,提出了适合施工现场情况的施工方法与施工过程。

武汉火车站高速列车列车风数值模拟研究

基于计算流体力学软件Fluent,对武汉站高速列车过站列车风进行了数值模拟。展示不同部位的列车风分布形态,获得了列车风的空间分布特性;结合现有相关资料,确定了站台安全退避距离;分析了结构物受到的列车风风荷载作用。

基于荷载效应的结构抗风设计方法研究

对等效静风荷载的基本理论进行分析,指出GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》的风振系数法给出的等效静风荷载在只考虑1阶振型的前提下,能够实现各种荷载效应的等效;需考虑多阶振型的结构,只有在各阶振型完全相关的条件下,才能得到可满足全部荷载效应等效的静风荷载;一般情况下,包括阵风荷载因子法在内的计算方法,给出的等效静风荷载只能保证单个或多个响应目标的等效,其他荷载效应存在较大不确定性,可能造成据此进行的抗风设计偏于保守或不安全。为克服这些传统抗风设计方法的局限,提出了直接以荷载效应包络值进行结构抗风设计的基本思路:结合风洞试验得到各种荷载效应在不同风向角下可能出现的上、下限值,再将其与其他荷载作用下的效应直接组合进行结构设计。通过工程实例分析表明,采用阵风荷载因子法得出的等效静风荷载值可能导致其他荷载效应被大大高估,而直接采用荷载效应包络值用于结构设计,不但其值准确,且易于操作。

大跨屋盖结构下压风荷载确定方法与实例分析

介绍了几种大跨度屋盖结构下压风荷载的计算方法,并以某大型体育场屋盖为例,通过引入峰值因子和位移匹配度判据,分析了等效荷载作用下位移响应值和空间分布的合理性。研究结果表明,按比例放大的阵风荷载因子法和动力放大系数法,当计算基准值较小时,得出的放大倍数过高,将导致除等效目标之外的响应值被高估。采用准静态荷载与均匀分布附加风振力的线性叠加方法得出的等效荷载将给出较为合理的位移响应值,其中又以结合LRC方法的等效荷载位移匹配度最高。此外,研究表明若不考虑风洞试验结果,按体型系数+0.2在半跨屋盖上作用均匀风荷载,也能给出基本合理、工程上可用的下压风荷载。

连体高层空中连廊的风致振动分析方法

结合风洞同步测压试验,利用高效的广义坐标合成法分析了某连体高层空中连廊的风振特性。采用塔楼-连廊的整体结构模型进行计算,可充分考虑塔楼运动对连廊的影响。计算结果表明,连廊的运动主要是由于塔楼主体运动引起的,连廊自身风压对其风致响应的贡献极小;两座塔楼的相对运动与横梁的轴力有很强的相关性,是造成横梁受拉压的主要因素。分析表明,不管连廊与主体之间采用何种连接方式,都不宜将空中连廊作为独立结构计算其风振特性。采用的整体分析方法对于分析连体高层主体及连廊的风致振动具有普遍的适用性。