基于改进K-means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区研究

针对K-means算法进行大跨屋盖结构表面风荷载分区中存在的分类数k值需凭经验事先给定以及所有初始聚类中心均需随机选取带来的分类情况数过多、从中寻找最优分类结果工作量大且效率低的问题,提出基于改进K-means算法的大跨屋盖结构表面风荷载分区方法。首先,建立分类数k与其相应测点风荷载的误差平方和(Sum of the Squared Errors:SSE)关系曲线,引入手肘法基本思想,实现最优分类数kst值的精准识别;其次,在首个初始聚类中心随机选取基础上,引入轮盘法基本思想,完成对剩余初始聚类中心的高效选取;然后,根据类内紧凑、类间分散的原则,通过类内紧凑性判定指标S(k)和类间分散性判定指标D(k),构造并借助SD(k)值有效性检验,得到最优的风荷载分区结果;最后,以北京奥林匹克网球中心大跨悬挑屋盖结构为例,针对风洞试验所得风荷载测试结果,采用所提方法对其表面最不利风压系数进行分区计算,并与传统K-means算法进行对比,结果表明,所提方法能够高效实现大跨屋盖结构表面风压分区计算,具有较好的工程应用价值。

基于改进的Canopy-k-means的大跨屋盖表面风荷载分区方法

针对k-means聚类算法在大跨屋盖结构表面风荷载分区计算中,聚类数k值随机选取容易导致结果不稳定和计算效率低等问题,提出改进的Canopy-k-means聚类算法。首先,引入Canopy算法并对其初始阈值和聚类中心的选取方式进行改进,减少初始值选取的盲目性,以提高风荷载分区结果的可靠性;其次,通过改进Canopy算法对风荷载数据集进行预处理,快速准确地确定聚类数k值;第三,将改进Canopy算法与k-means结合使用,实现最优分类数k值的精准识别,使得改进的Canopy-k-means聚类算法进行大跨屋盖结构表面风荷载分区时能够快速准确地得到分区结果;最后,以一大跨柱面屋盖干煤棚结构为例,基于风洞试验所得结构表面风荷载数据测试结果,采用所提改进的Canopy-k-means聚类算法对其表面风荷载进行分区计算。结果表明,采用改进的Canopy-k-means聚类算法,将0°、50°和90°风向角时大跨屋盖表面风荷载划分为了3个不同的分区,其对应的SD值分别为2.36、3.51和2.52,较传统k-means聚类算法所得对应值明显降低,类内紧凑性和类间分散性明显提升。所提改进Canopy-k-means聚类算法能够快速准确地得到最优分区结果,对大跨屋盖表面风荷载分区具有工程参考价值。

对数律和指数律风剖面的差异分析及其对桥梁抗风性能评价的影响

现有的公路桥梁抗风设计采用指数律风速剖面来计算各个基准高度的平均风速,然而气象学实践和一些国家规范中早已采用对数律风速剖面,两种风速剖面在不同高度处的平均风速差异及其对桥梁抗风的影响应当值得关注。对比了不同地表粗糙类型下对数律模型和指数律模型在不同高度处的风速差异,并采用ANSYS有限元软件计算了实桥在风荷载下的位移和桥塔弯矩差异。结果表明,在地表粗糙度较大和离地高度较大时,对数律和指数律模型的风速差异较为明显,风荷载的差异对桥梁内力和位移造成的影响不可忽略。有必要进一步研究这两种风速剖面模型在高空处的准确性,以更好地指导桥梁的抗风设计。

悬挑体育场罩棚风荷载数值模拟

使用Realizable k-ε湍流模型对悬挑体育场罩棚表面风荷载特性进行CFD数值模拟研究,详细考察体育场罩棚表面风向角对净风压系数、体型系数和平均风压系数分布影响规律,为此结构表面风荷载设计取值提供依据。计算结果表明:体育场罩棚上表面主要是受到风吸力作用,在罩棚前檐和两个角部区域风压系数浮动较大,比如在180°风向角罩棚两个角部区域风压系数为-0.5~-3.5。由于结构造型需要,罩棚顶部凸出的肋对风荷载的影响大,其产生原因为在顶部凸起肋后形成小漩涡,风压系数变化剧烈,90°风向时,来流迎风面第一个肋后面风压系数为-1.5~1.1。由于来流在罩棚后檐出现分离,在180°风向罩棚结构上下表面出现“上吸下压”现象,罩棚受到向上升力。

复杂体型大跨度体育馆风荷载数值模拟

采用RNG k-ε湍流物理模型对某复杂体型体育馆的风荷载进行CFD数值模拟。考察0°、45°、90°3种风向对体育馆屋盖表面平均风压系数和体型系数的影响规律,为该结构设计风荷载取值提供参考。结果表明:该复杂体型大跨度体育馆屋盖主要受风压力作用,气泡结构间狭缝区域平均风压系数值较大,0°风向下平均风压系数最大值为1.96。不同风向角下测点平均风压随位置变化差异明显,0°和90°风向下测点平均风压系数最大值差值为1.12。靠近来流方向气泡结构间狭缝对屋盖区域风压有放大效应,体型较大的气泡结构对气流的阻碍效果明显。气泡结构在0°和45°风向下体型系数最小值差值为0.75,体育馆屋盖体型系数受风向变化影响明显。

高层建筑风致静力干扰效应的试验和数值研究

首先采用测力天平模型风洞试验研究了2栋高层建筑间的静力干扰效应,得到2个相同的方形截面建筑在不同相对位置时的静力干扰因子Fm.然后基于Fluent 6平台采用RNG(renormalization group,重整化群理论)κ-ε湍流模型,计算了D类地貌风场中2栋高宽比均为6的方形高层建筑模型(10 cm×10 cm×60 cm)在串列、并列和偏置状态下的静态三维流场和风荷载;并与风洞试验得到的静力干扰因子进行了比较.结果表明,数值模拟方法是研究建筑物静力干扰效应的一种有效途径,相对于试验方法,数值模拟更具有优势.

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。

体育场月牙形大跨悬挑屋盖风荷载特性

风荷载是大跨悬挑屋盖的主要控制性载荷,本文以灵武体育中心为例,采用同步测压风洞试验技术,对体育场中最常采用的双侧布置的月牙形大跨悬挑屋盖平均风压、脉动风压、极值风压分布进行了研究,为该类结构的抗风设计提供参考.试验结果表明:不同风向角下,由于月牙形悬挑屋盖倾角的变化,来流在屋盖表面形成不同的特征湍流;对于屋盖整体而言,平均风荷载、脉动风荷载随风向角变化均匀,处于来流下游的悬挑屋盖平均风荷载、脉动风荷载均较处于来流上游的悬挑屋盖大.悬挑屋盖上表面极值风压数值普遍大于下表面,且变化更为剧烈.

群体高层建筑静力干扰效应的定量分析

存在临近建筑的高层建筑的风荷载与其在孤立状态下相比会有较大的不同.在已有研究的基础上,采用相关分析方法对不同参数对两个和三个高层建筑间的静力干扰效应的影响进行了分析,由回归得到了一系列反映不同参数(包括施扰建筑宽度、高度和地貌类型)对静力干扰效应的影响定量结果,它大大地简化了考虑多参数变化干扰效应研究结果的繁杂程度,使结构受扰后的荷载估计计算更趋于简洁合理.这些回归关系具有较高的精度,它们和基本配置在B类地貌下的相应干扰因子等值分布,形成一个较为完整的静力干扰因子分布关系,可供规范应用和参考.

集装箱起重机平均风荷载数值模拟及试验对比

以典型集装箱起重机为研究对象,基于Fluent 6.1.22软件平台,分别在均匀风场和B类地面粗糙度风场,以及在工作状态和非工作状态下,对起重机各杆件上的平均风压进行了计算流体动力学(CFD)数值模拟,并将数值模拟结果与刚性测压模型风洞试验数据进行了对比.结果表明:基于Fluent的雷诺应力模型(RSM)在数值模拟中预测结果相对较好,数值模拟可以弥补风洞试验困难,较准确地获得集装箱起重机整机的平均风荷载.

近海岸强风风场特性现场实测研究

基于近海岸100m测风塔获取的近海面地貌条件5个不同高度风速数据。以10m标准高度平均风速大于10m/s为强风标准,选取台风和季风风场强风样本,应用Bootstrap统计分析法,对强风条件下近地层平均风剖面、湍流强度剖面、湍流特征参数进行分析,探讨了台风和季风条件下这些参数的差异,并将实测结果与风荷载规范规定值进行比较,检验风载荷规范的适宜性。分析结果表明:近地边界层的平均风剖面符合指数律或对数律,台风和季风风剖面指数分别约为0.12和0.06;近地平均湍流度剖面符合指数律,台风风场各高度平均湍流度与现行规范相接近;台风风场各高度阵风因子均值较风荷载规范推算值要大,但季风风场阵风因子均值与规范推算值相接近。

大庆石油学院体育馆屋面风荷载的风洞试验及CFD数值模拟

目的确定大庆石油学院体育馆屋面的平均风压系数,为该工程的结构抗风设计提供荷载依据,探讨采用CFD数值模拟技术来确定复杂体形建筑物表面平均风压分布的可靠性.方法对大庆石油学院体育馆屋面风荷载进行刚性模型风洞试验研究,并基于Fluent6.1软件平台,采用雷诺应力湍流模型(RSM)对屋面的平均风压进行了数值模拟.结果通过风洞试验,得到了体育馆屋盖表面的平均风压系数,并分析了屋面的风压分布特性,得出了最不利风向角和分区体型系数.通过CFD数值模拟研究,探讨了各种参数变化对平均风压计算结果的影响,并将计算结果与风洞试验数据进行对比,两者吻合较好.结论CFD数值模拟技术作为一种新型的研究方法为研究建筑物表面的静态风压分布规律提供了一种较为简便、快捷、低成本的途径,可较准确地模拟实际大跨度屋盖表面的平均风荷载.将CFD技术用于工程方案阶段的预研是一种较为安全稳妥的思路.

体育场挑篷的风荷载试验研究

介绍了某体育场挑篷模型风洞试验的概况和主要试验结果,详尽分析了挑篷上平均风压和脉动风压的分布,讨论了分块体型系数的特性和脉动风压对总设计风荷载的贡献,并对比了计算围护结构风荷载的规范方法和统计方法.结果表明,正迎风时,挑篷前缘的脉动风压系数较大,而按规范方法得到的围护结构设计风荷载偏小.

典型输电塔平均风荷载和响应研究

高耸输电塔所受的风荷载是其结构设计的控制荷载.输电塔为空间桁架结构,塔头结构形式尤其复杂,很难用精确的理论方法对其所受风荷载及响应进行分析.首先介绍了输电塔分段刚性模型的风洞测力试验,随后又建立了输电线路典型设计中最常用的2种输电塔有限元模型,利用风洞试验数据对其进行平均风加载,得到不同情况下2种塔型的位移响应,并对这2种塔型的响应进行了对比和分析,得到了有关典型输电塔结构平均风荷载响应的一些结论.

某双塔楼超高层建筑平均风荷载及干扰效应数值模拟研究

采用Realizable k-ε湍流模型对某方形截面双塔楼超高层建筑平均风荷载进行了CFD数值模拟,并对其干扰效应进行了分析。首先,通过将CAARC高层建筑标准模型数值模拟结果与文献结果的对比,验证了本文数值模拟方法及参数的有效性。然后,进行了单体和双塔楼超高层建筑定常绕流数值模拟计算,分析了不同风向角情况下结构表面平均风压和基底气动力的特点,研究了两塔楼间的干扰效应,还通过流场显示对其柳理进行了分析。

运载火箭地面风荷载及响应研究

通过捆绑式运载火箭在地面风环境下的风洞试验 ,分析了不同试验条件下主体火箭及助推器各测压截面压力分布的变化规律。结果表明 :主体火箭和助推器之间的相互干扰、发射塔架对于火箭的影响都很明显。另外 ,对其气动弹性模型在地面风荷载下的动态响应亦进行工程计算 。

体育场阶梯型悬挑屋盖风荷载数值模拟研究

基于CFD数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对某体育场阶梯型悬挑屋盖风压进行了模拟研究。分析了屋盖风压分布特性及风向对风压的影响;并且考虑周边建筑对风场的扰动影响,引入风压系数干扰因子IF量化分析了周边建筑对体育场屋盖风压分布的气动干扰效应。结果表明:此类阶梯型大跨屋盖主要受风吸力作用,屋盖檐口、角部区域的风压系数量值较大;0°和180°风向角下平均风压随测点位置变化趋势大致相同,风压在台阶转折处发生突变;屋盖各区域的风载体型系数对风向角的敏感程度存在较大差异;周边建筑对屋盖风压主要起遮挡效应,对屋盖某些局部区域的风压起放大效应。

复杂体型大跨度结构表面风荷载的数值模拟

目的比较复杂体型大跨度结构表面风荷载的数值计算与风洞试验结果,分析研究大跨结构表面风压的分布特性.方法选用可实现的Realizable模型和非平衡壁面函数法,对武汉天河机场新建航站楼实际尺度的几何模型进行了不同风向角时风荷载的数值模拟.结果计算出了模型各个测点的平均风压系数,并与风洞试验数据进行了比较.在不同风向角时,除转角和悬挑屋檐部分,数值模拟值和风洞试验值的一致性比较高,测点的相对误差都在10%以内.结论用数值分析方法对机场航站楼这一复杂的大跨度结构表面风荷载进行数值模拟,其结果具有一定的参考价值.尽管目前数值模拟方法还不能取代风洞试验,但将其作为一种辅助手段是可行的.

某火车站站台雨篷风洞试验及响应分析

以某火车站站台雨篷为工程背景,通过风洞试验对雨篷的平均风荷载规律进行了分析,讨论了典型风向角下雨篷上下表面风压相关性,以及表面风压和均方根风压的分布特点,同时采用频域分析法对雨篷进行风振响应分析,通过是否考虑振型交叉项及荷载谱交叉项,分别计算出均方根位移和内力响应,分析了结构的振型交叉项及荷载谱交叉项对风振响应的贡献。

基于Bootstrap方法的近地风剖面参数分析

通过选取近海岸100 m测风塔获取的10 m、50 m、65 m、80 m、100 m等5个高度台风和季风风场强风样本,研究强风条件下近地台风和季风风场的平均风剖面参数合理取值,应用Bootstrap统计分析方法,分析了强风样本容量较小条件下平均风剖面参数变异性及置信区间。分析结果表明:近地台风风场平均风速剖面符合指数律或对数律,台风风场风剖面指数均值为0.12,95%置信度条件下的置信区间为[0.117,0.125];季风风场风剖面指数均值为0.07,95%置信度条件下的置信区间为[0.065,0.070];台风和季风风场平均风剖面指数均值估计的概率分布呈高斯分布特征,均值的置信区间相对较窄、趋于稳定,分析结果具有较好的精度和可信度。