非高斯脉动风压的现场实测教学与实践

以位于教学楼楼顶的一处矩形结构为试验对象,开展结构分离区的非高斯脉动风压现场实测实验。该实验不仅经济方便,而且针对可持续性重复教学等要求,进行了一定的改进及优化。本实验设计了两种不同实测方案,并提供对应的数据处理分析教学。通过实践与互动并存的实验模式,该教学致力于开阔学生科研视野,提高学生动手能力、团队合作能力、实验组织安排能力。

桥梁长索结构风致振动研究新进展

随着桥梁跨径的增大,桥梁索结构的长细比越来越大、频率越来越低,出现了一些新的风致振动问题,如悬索桥吊索风致振动、斜拉索高阶涡激共振、安装亮化灯具的桥梁索结构驰振等.针对这些新挑战,采用现场观测、风洞试验和理论分析等手段,研究人员进行了系统的机理研究,并提出了一些有效的振动控制措施.结果表明:悬索桥吊索风致振动的机理复杂,在斜拉索上积累的振动控制经验难以直接应用,安装刚性分隔架是抑制索股相对振动的有效手段;已在多座大跨径斜拉桥上观测到斜拉索高阶涡激共振,增加了斜拉索振动控制的难度,采用双阻尼器是可同时控制斜拉索高阶涡激共振和低阶风雨激振的有效方案;在桥梁索结构上安装亮化灯具极易引发驰振,增加阻尼器和优化灯具气动外形是避免该类振动的有效措施.

湿下击暴流作用下建筑立面雨压分布特性的数值分析

下击暴流作用于建筑物将产生严重破坏,虽然其引起的风荷载已有较多研究,但均局限于无降雨的干下击暴流作用情况。目前,已有研究表明风雨环境下的建筑风驱雨(wind-driven rain,WDR)可能产生较显著的雨压荷载,因此对有降雨的湿下击暴流作用下建筑立面WDR雨压开展研究十分必要。基于建筑WDR数值模拟方法,引入欧拉多相流模型,采用RNG k-ε湍流模型封闭求解N-S方程,模拟求解湿下击暴流的建筑WDR场,侧重考虑建筑距风暴中心位置及雨强变化的情况,分析迎风面WDR雨压分布特性并与干下击暴流作用下的纯风压进行比较。结果表明:随着建筑远离风暴中心,雨压存在先增大后又减小的现象;迎风面沿竖直中心线上同处的雨压可达纯风压的20%,且迎风面较大风压、雨压均出现在建筑底部位置,因此湿下击暴流风压与雨压联合作用将比较显著,需要考虑其对建筑的影响。

下击暴流作用下群体高层建筑风压干扰特性的数值分析

针对布局变化对高层建筑下击暴流场气动干扰特性研究的缺乏,采用RNG k-ε湍流模型封闭求解N-S方程的RANS方法模拟下击暴流场,在与已有单体高层建筑下击暴流场试验数据进行对比验证的基础上,模拟研究两幢高层建筑布局的下击暴流风效应场。考虑建筑布局距风暴中心距离变化以及布局纵横向间距变化时,施扰建筑对受扰建筑立面风压的影响,获取立面风压干扰规律与特性。结果表明:受扰建筑迎风面干扰因子随风暴中心距离的增大而增大,突出表现在较大距离区间(r>2D),且干扰作用随布局纵横向间距的变化存在较明显差异;当距风暴中心较近时(r<2D),布局纵横方向间距变化对受扰建筑干扰因子的影响较小;在径向最大风速位置处(r/D=1.0),临近施扰建筑的受扰建筑侧风面风压相对单体情况有所减小,其干扰因子随布局纵向间距的增大而减小,随横向间距的增大而增大。

悬索桥吊索尾流致振的气弹模型测振试验

为研究大跨度悬索桥吊索发生大幅风致振动机理,设计并制作了光滑双吊索试验模型,进行了尾流索股弹性悬挂测振风洞试验。试验工况包括顺风向X=2.5-11、横风向Y=0-4;测量了尾流索股在不同空间位置的运动响应规律,研究了结构阻尼比、来流风速等对尾流索股风致振动的影响规律。结果表明:在X≤5.25,Y≤1.5的空间范围内,尾流索股会发生大幅尾流致振,其振动形式包括两种类型:单自由度直线运动和双自由度椭圆运动,其稳定运动频率分别稍大于和小于结构固有频率。风速大小对尾流索股的运动规律有明显影响;阻尼比增大可增加起振风速,但对振幅大小影响不大。

两类悬索桥吊索气动稳定性比较研究

大跨度悬索桥吊索常发生大幅风致振动,一种可能的机理为吊索索股间的尾流致振。为研究吊索表面粗糙度对其气动稳定性的影响,分别针对平行钢丝吊索和钢绞线吊索,制作表面光滑、粗糙索股模型,进行测力风洞试验,得到光滑和粗糙下游索股的平均气动力系数,在此基础上,依据Routh-Hurwitz稳定性判据,对平行钢丝吊索和钢绞线吊索的气动失稳区域进行比较研究。结果表明:平行钢丝吊索与钢绞线吊索的平均气动力系数空间分布特征存在较明显区别;两种吊索的不稳定区域整体上呈条带状,宽度约为1～2D,且平行钢丝吊索的失稳区域向中心线两边发散的比钢绞线吊索更为明显;在3≤X≤4区域,尾流吊索发生气动失稳可能性较大,特别是钢绞线吊索。

建筑立面突出阳台对风驱雨分布影响的数值分析

风驱雨(Wind-Driven Rain,简称WDR)是引起建筑外墙渗水、墙体材料劣化等现象的主要潮湿源之一,其对结构的耐久性和建筑温湿性能产生了重要影响。考虑到建筑立面局部突出对WDR存在影响,结合量大面广的带突出阳台的多层建筑,采用欧拉-欧拉多相流模型对其迎风立面WDR分布特性开展模拟研究。通过模拟不同风速、雨强条件下的WDR场,分析掌握该类建筑立面WDR分布特性及其受风速、雨强影响规律。同时,与无阳台的建筑立面WDR雨强CFD模拟结果、ISO模型预测结果进行比较。分析表明:建筑突出阳台对WDR场存在显著影响,其立面雨强分布与不带阳台建筑存在较大差异,因此无论采用何种预测方法均不能忽略突出阳台的影响。

四索股吊索尾流致振节段模型测振试验研究

为研究大跨度悬索桥四索股吊索尾流致振现象,针对钢丝绳吊索和平行钢丝吊索,分别制作表面粗糙和表面光滑的圆柱节段模型,并进行四索股吊索尾流致振节段模型测振风洞试验。试验测得不同雷诺数、风攻角下尾流索股的风致振动响应,研究其随风速的变化规律,分析发生大幅振动时的起振风速、振幅、运动轨迹、时程及振动频率,并研究了阻尼比对四索股吊索尾流致振的影响。研究结果表明:光滑和粗糙尾流圆柱发生尾流致振的最不利攻角均在70°左右,但光滑圆柱的起振风攻角范围更宽;在70°风攻角下,2类尾流圆柱的稳定振动轨迹均为顺时针椭圆,但光滑尾流圆柱发生尾流致振时的气动负刚度效应更加强烈;当阻尼比增大到0.67%时,可对粗糙圆柱的尾流致振起到很好的控制效果。

悬索桥吊索尾流致振非定常理论分析

为研究悬索桥吊索的尾流致振机理及准定常理论在尾流致振中的适用性,进行了一系列风洞试验,测量得到尾流索股的气动导数的空间分布情况,建立了尾流致振非定常理论分析模型,采用龙格-库塔法求解方程,得到尾流致振响应.结果表明:在5.2≤X≤5.6,1.1≤Y≤2.1的空间区域尾流索股发生明显振动,振动频率小于结构固有频率;在一个尾流致振周期内,气动刚度力对尾流索股做正功,说明尾流致振由气动刚度控制;基于准定常理论的计算结果与非定常理论计算结果偏差较小,两种理论得到的尾流致振机理一致.

气动干扰对建筑立面风驱雨强影响的数值研究

文章基于欧拉多相流模型,对高低层建筑组合布局的风驱雨(wind-driven rain,WDR)场进行模拟,考虑风向、风速及降雨强度的变化,重点分析受扰高层建筑迎风面WDR抓取率分布及变化特点,获取低层建筑对受扰高层建筑迎风面WDR的气动干扰影响规律。结果表明,受扰后的高层建筑迎风面WDR抓取率分布与单体建筑存在显著差异,0°风向下气动干扰影响最大,受扰高层建筑迎风面下部区域及两侧WDR雨强增大较为明显;斜风向下迎风面下部区域远风侧WDR雨强大于近风侧,与单体布局分布趋势相反。所得结论对于WDR理论研究及工程设计具有一定指导意义。

削角、凹角截面高层建筑气动力研究

因高层建筑结构具有自振周期较长、阻尼低以及沿高度分布质量较轻的特点,风荷载往往成为高层建筑设计的主要控制荷载,而高层建筑的外形对结构的抗风性能影响显著,为研究不同横截面高层建筑的气动特性,采用数值模拟方法,对六种不同截面(方形、矩形及10%修正率的削角、凹角截面)的气动特性进行了全风向下数值模拟计算,分析比较了不同截面的风压系数、气动力系数以及斯托罗哈数等参数。结果表明:削角、凹角截面可以有效减小气动阻力,其中,削角截面减阻效果最为明显,在小风向角下阻力可以最大减小30%。但是,削角、凹角截面的角点上风压系数变化剧烈,其中最大可达到未修正截面的14倍之多,且相比于未修正截面,削角、凹角截面风压系数受紊流度影响较大。

基于三维气弹模型的悬索桥2类吊索尾流致振及其控制措施研究

大跨度悬索桥吊索频率低、阻尼小,极易在风荷载作用下发生大幅振动。为比较研究平行钢丝和钢丝绳2类吊索尾流致振特性的差异,以深中通道伶仃洋大桥四索股吊索为工程背景进行了系统的试验研究。首先,设计并制作了2类吊索的气弹模型,并进行了模型动力参数识别;然后,进行了2类吊索的气弹模型测振风洞试验,比较研究了风速和风攻角等参数对2类四索股吊索尾流致振的影响规律;最后,进行了多种抑振措施(包括分隔架、调谐质量阻尼器、辅助索和增加结构阻尼等)对上述2类四索股吊索风致振动的抑振效果研究。结果表明:2类吊索发生尾流致振的最不利攻角均为75°,并在多个工况下发生碰索现象,吊索主要为一阶振动,轨迹呈顺时针椭圆;相较于平行钢丝吊索,钢丝绳吊索发生尾流致振的风攻角范围更大;采用等间距3个分隔架可有效抑制吊索相对振动,在此基础上,增加辅助索措施可有效抑制吊索的整体振动。

基于节段模型测振的钢丝绳吊索尾流致振试验研究

为研究大跨度悬索桥吊索发生大幅风致振动机理,设计并制作了外表粗糙的双圆柱试验模型,进行尾流索股弹性悬挂测振风洞试验。试验工况包括顺风向X=2.5~11、横风向Y=0~4;测量了尾流索股在不同空间位置的运动响应规律,研究了结构阻尼比、来流风速等对尾流索股风致振动的影响规律。结果表明:在X≤5、0.5<Y≤1.25的空间范围内,尾流索股会发生大幅尾流致振,其振动形式为双自由度椭圆运动,在尾流中心线下方运动方向为逆时针,且稳定运动频率小于结构固有频率。风速大小对尾流索股的运动规律有明显影响;增加结构阻尼比对抑制尾流致振的效果较弱,但对提高尾流致振起振风速有一定的效果。