大跨度空间结构风致效应研究进展

大跨度空间结构具有建筑结构外形优美独特、受力性能良好以及可以提供较大的无内柱空间等特点,被广泛地应用在大型建筑中。在大跨度空间结构的使用过程中,越来越多的事故表明:风荷载已成为影响其结构设计的主要荷载。本文介绍了大跨度空间结构表面风压的研究方法,总结了大跨度空间结构风致效应计算方法,对比了目前不同的等效静力风荷载计算方法,并对大跨空间结构风致干扰效应问题进行了详尽的说明。结果发现,目前关于大跨度空间结构风荷载及风振响应的研究还不够全面,影响了大跨度空间结构的安全推广应用。

某百米级高层隔震结构风致效应研究

现行规范采用静力设计的方法可能对高层隔震结构的风致效应考虑不足,为此深入研究了高层隔震结构抗风设计与风致效应,结合现行规范提出高层隔震结构风致效应分析框架,并针对中国某百米级实际工程隔震结构展开风致效应的分析与评估。结果表明:现行规范采用等效静力的计算方式低估了高层隔震结构实际所受的脉动风作用,通过风荷载时程分析发现,隔震层X、Y向的水平剪力相比风荷载标准值作用分别增加了23.8%和27.7%,但从设计的角度出发,现行规范取1.4的分项系数能满足隔震层抗风稳定性的要求;在10年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部存在舒适度的问题,最大风振加速度达到16.2 cm·m^(-2),超出规范限值8%;在1年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部的最大风振加速度达到7.6 cm·m^(-2),其居住舒适性更难以满足,高层隔震结构的舒适度问题在今后的抗风设计中应予以重视;提出的分析框架能较系统和全面地反映高层隔震结构风致效应,可为现行规范提供理论参考依据。

海洋强风环境钢桁梁斜拉桥施工阶段风致效应分析与振动控制

以一座新建跨海铁路主跨364 m钢桁梁斜拉桥为背景,分析海洋强风对钢桁梁斜拉桥最大单悬臂状态下的影响,对比不同抗风措施下风致振动的抑振效果。结果表明:采用JTG/T 3360-01—2018《公路桥梁抗风设计规范》推荐的湍流场参数和单位气动导纳函数预测的抖振响应结果偏于保守,可用于大跨度桥梁初步设计阶段;实测湍流场参数可以很好地估计桥梁抖振响应,尤其是横桥向响应;测量桥址的风速对合理设计和施工海洋强风场斜拉桥具有重要意义;辅助墩、斜撑、调谐质量阻尼器和抗风拉索的减振效率依次递减;由于跨海大桥施工过程中增设临时墩会大幅提高建设成本,而斜撑方案只需要在主塔和墩附近设置临时钢结构的斜撑,不会大幅提高施工作业量,推荐采用斜撑方案。

钢桁梁柔性拱吊装阶段风致效应分析

为探究强风作用下大跨钢桁梁柔性拱在吊装过程中的结构响应,基于振动分析理论推导出结构随施工阶段变化的频率、刚度及质量增长率的关系,并结合钢桁梁柔性拱实例,通过MATLAB脉动风数值模拟与MIDAS/Civil施工阶段仿真计算,分析了柔性拱架设阶段体系的动力特性及风致效应.计算结果表明,脉动风数值模拟与功率谱吻合度较高;增长率关系式能较好反应出结构刚度变化;在柔性拱架设过程中,结构的横向刚度变化显著,并呈现出先减小后增大的趋势,最小值出现在最高拱肋的后续节段.

风敏感性高耸钢结构电视塔的风致效应研究

高耸的钢结构电视塔,具有结构高度较高、结构刚度相对较小的特点,对于风荷载高度敏感。本文对钢结构电视塔采用缩尺比例的刚性模型,进行刚体模型群体建筑测压风洞试验,测定360度风向角下的电视塔模型表面的风压值,从而可以正确地计算出电视塔实物表面的平均风压值、脉动风压值、风荷载体型系数,确定最不利风向角以及沿电视塔高度变化的风振系数。根据试验进行结构风振响应分析,将刚体模型测压风洞试验获得的各测点脉动压力时程作用于结构动力分析有限元模型上对结构进行频域分析,确定其重要部位的风振位移和加速度响应以及各层的等效风荷载,为设计提供必要的和可靠的依据。

薄膜结构的风致动力效应初探

由于自重轻、刚度小、跨度大且具有对风荷载的敏感性,薄膜结构可能会在风荷载作用下发生破坏,其风致动力效应是从事薄膜结构研究和工程实践人员关心的问题。本文主要总结和介绍了国外在相关研究领域的进展和成果,包括薄膜结构自振特性测试结果,薄膜结构风致动力效应风洞实验结果,以及关于薄膜结构颤振失稳的讨论。

拱形塑料大棚风致干扰效应及风压特性研究

群体布置的拱形塑料大棚(简称群棚)棚间存在风致干扰效应,为了探明群棚干扰效应并建立考虑干扰效应的风荷载体型系数,基于Reynolds时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用经验证的数值风洞方法研究了拱形塑料大棚单棚及群棚模型在不同风向角、不同棚间距下的表面风压特性。结果表明:拱棚群体布置引发干扰效应并改变风压特性,该效应具体表现为放大效应(群棚外围区域)和遮挡效应(群棚中间区域);干扰效应受风向角及棚间距的影响较明显,整体随棚间距增大而减弱,并大致在10 m棚间距时趋于稳定。干扰效应整体削弱棚区风压通风能力,从利于风压通风角度提出了群棚园区规划布局建议,即棚身长轴方向宜与群棚所处地域夏季主导风向相垂直并适当增加棚间距。最后,以上述研究为基础,根据干扰效应分区域给出了群棚(矢跨比=3:8)便于设计使用的风荷载体型系数。处于群棚外围区域的拱棚,其风荷载体型系数具体为:当风向角为0时,风荷载体型系数在迎风面、中间棚顶、背风面、两侧山墙分别为+0.41、-0.78、-0.26、-0.48;当风向角为90°时,风荷载体型系数在迎风山墙、棚面分别为+0.36、-0.44。处于群棚中间区域的拱棚,其风荷载体型系数具体为:当风向角为0时,风荷载体型系数在迎风面、中间棚顶、背风面、两侧山墙分别为+0.30、-0.71、-0.26、-0.48;当风向角为90°时,风荷载体型系数在迎风山墙、棚面分别为+0.34、-0.35。研究结论:群体布置的拱形塑料大棚存在风致干扰效应,设计时宜考虑风致干扰效应引起的棚面风压变化。

典型矩形八塔超大型冷却塔塔群风致干扰效应试验

以某拟建183.89 m超大型冷却塔的矩形八塔组合塔群的1:200比例尺模型为研究对象,进行刚体模型测压风洞试验,研究高密度冷却塔群的风致干扰效应,给出受扰塔在16个来流方向下的喉部断面压力系数分布以及结构整体阻力、升力系数,分析形成显著不利干扰的原因。研究结果表明:环向压力系数分布对于受扰冷却塔表面风致效应的反应最准确、最直接,但结果形式繁杂;而结构整体气动力(阻力、升力系数的均值和根方差)简单、明确;与压力系数相比,基于结构整体的气动力可以较准确地确定不利来流工况;在典型不利来流工况下,受扰塔塔体喉部断面的压力系数分布变化特征符合通道作用的机理;高频天平测力试验结果与刚体模型测压试验结果不一致,在现有技术条件下,仅将高频天平测力试验结果作为测压试验结果的补充。

开洞口煤仓风致干扰效应的CFD模拟

储煤仓由于栈桥功能要求而带有洞口,研究开洞口的煤仓风压分布规律和煤仓之间风致干扰效应更接近实际工况,现行规范中没有明确煤仓栈桥洞口尺寸设计的要求,基于此,运用FLUENT软件和计算流体力学(CFD)技术,在采用SSTκ-ω湍流模型的基础上,对开洞煤仓风荷载分布规律进行了数值风洞计算研究。分析了单仓不同栈桥洞口尺寸下门洞周围风压分布规律;对比开洞口单双仓在不同风攻角下的风致干扰效应;改变双仓栈桥洞口相对位置时受扰仓的风压分布规律。结果表明:此类开洞口煤仓的最优栈桥洞口尺寸为4m×4m,为以后的开洞口煤仓设计提供依据;两煤仓风致干扰效应显著,前后煤仓的遮挡效应非常明显;双仓栈桥洞口最不利位置为10°,在今后的双仓设计选型中应尽量避免此种位置关系。

不同间距比的大跨度穹顶结构风致干扰效应研究

目的研究周边建筑物对大跨度穹顶结构屋面风压的干扰效应,揭示周边干扰建筑的距离对干扰效应的影响规律。方法选取一栋单体大跨度穹顶结构及2种间距比下的风压分布特性进行数值模拟研究,并通过风洞试验验证了数值模拟的可靠性,再基于Fluent数值模拟平台,考虑4种风向角和7种间距比,分析了不同间距比下单体干扰建筑对大跨度穹顶结构屋面风压分布的影响。结果研究表明:干扰建筑对屋面产生最不利影响的风压区域发生在穹顶中心周围;不同间距比下,干扰建筑对屋面的最不利风压的影响也不一样;间距比小于1.2时,60°风向角为最不利风向角;间距比为1.2~1.4时,90°风向角为最不利风向角;当间距比大于1.4时,30°风向角为最不利风向角。结论与规范对比,受周边建筑干扰后,最不利风向角下穹顶表面最不利风荷载影响区域的风压会增大1.5倍;笔者的研究结果可为大跨度穹顶结构的抗风设计提供参考。

圆形煤仓风致干扰效应的CFD模拟

为研究三圆形煤仓的风致干扰效应,采用计算流体动力学(CFD)方法分析了在不同风向角和不同塔间距情况下煤仓的风荷载分布规律。计算单座煤仓的风荷载并与风洞试验数据进行比较,结果验证了CFD方法用于模拟该类建筑风荷载的可靠性。算例分析表明:三煤仓呈等边三角形分布时不发生"夹缝效应";三塔情况下煤仓的风致干扰效应随塔间距增大而逐渐减弱,并趋向单塔结果;从整体的角度分析,塔间距为1.5倍煤仓底面直径时,煤仓阻力系数最小。

周围建筑群对大跨穹顶屋盖的风致干扰效应研究

大跨穹顶屋盖的风荷载会受到周围建筑群的影响,然而目前的规范中给出的风荷载并没有考虑此影响因素,本文研究了周围建筑群的建筑布置形式和建筑面积密度对大跨穹顶屋盖的风致干扰效应及其作用规律。运用计算流体力学(CFD)方法中的雷诺时均方法定常计算屋面平均风压,其中采用指数率风速剖面定义平均风速,采用重组化群k-ε湍流模型模拟湍流特性,并与风洞试验结果进行对比验证了数值模拟方法的准确性。通过在数值风洞中建立大跨穹顶结构与干扰建筑群的组合模型,考虑五种建筑布置形式、四种建筑面积密度和0°~360°风向角,分析穹顶屋面各区域在典型风向下和最不利风向下的风压系数和干扰因子,研究不同的建筑布置形式和建筑面积密度引起的干扰效应。结果表明,当来流上游和下游均有干扰建筑时屋面风压急剧缩减,当来流两侧有干扰建筑时屋面风压显著放大;考虑建筑布置形式,穹顶结构相对的两侧有干扰建筑是最不利布置形式,其中屋面的中心区域和紧邻干扰建筑的区域是干扰效应最剧烈的屋面区域,在结构设计中需要重点关注;干扰效应的程度与建筑面积密度成正比,屋面区域风压的“放大效应”和“缩减效应”均会随建筑面积密度的增大而加剧。本文的研究结果可为大跨穹顶结构的抗风设计提供依据。

大跨度开合屋盖的风致干扰效应研究

采用计算流体力学(CFD)方法,研究了在不同开合情况下,受单体干扰建筑影响时大跨度开合屋盖结构的风压分布规律及风致干扰效应。首先采用TTU试验数据和风洞试验数据验证了CFD方法的准确性;然后研究了施扰建筑在不同条件下,目标大跨度开合屋盖表面的风压分布规律。研究结果表明:随着干扰建筑物与大跨度开合屋盖间距增大,结构表面的风压系数逐渐增大,遮挡效应减小;大跨度开合结构屋盖的开合情况对屋盖表面的风压系数的分布起着较为明显的影响作用;当周围存在干扰建筑时,大跨度开合屋盖的表面风压分布发生明显变化,风致干扰效应不容忽略。

基于配筋率包络指标的冷却塔群塔风致干扰准则

风荷载条件冷却塔群塔干扰效应为结构设计关键控制因素。为考虑群塔条件绕流形态改变引起的复杂三维风压分布形式及数值大小变化对结构内力及配筋的影响,现行国内外水工行业规范采用单一的群塔比例系数放大无干扰圆柱扰流简化的二维风压分布。为评价其精度、合理性和经济性,该项研究以某超大型冷却塔六塔典型布置为例,基于风洞试验、结构有限元分析和结构设计配筋方案,选择干扰效应表现明显的代表性受扰塔作为研究对象,分析了塔筒不同高度处的平均风压分布规律并与单塔结果作对比;计算了其在16个风向角20种设计荷载组合下的塔筒子午向外侧、子午向内侧、环向外侧、环向内侧理论配筋量并将其包络线与单塔结果作对比,提出基于配筋包络的沿塔筒高度变化的分项群塔比例系数用于工程实践。研究表明:基于水工荷载规范建议的单一群塔系数难于涵盖干扰效应导致的复杂三维风压分布变化,推荐沿塔高变化的分项比例系数可以兼顾结构设计过程的便捷、经济和合理性。

塔式起重机风致动力响应分析及安全控制

提高塔式起重机的本质安全以及合理地使用和管理好塔式起重机,是建筑业亟待解决的难题之一。针对常用的塔式起重机塔架结构建立力学模型,运用线性滤波法模拟三维风速时程,基于Newmark-β方法数值计算分析高度、塔架结构形式、风向角等关键参数对塔式起重机结构风致效应的影响;为最大限度的降低塔式起重机风致作用下发生安全事故的几率,提出相应的预防措施,并验证预防措施的可行性与可靠性,以期为塔式起重机设计、安装和使用提供了理论指导。

新建冷却塔与既有冷却塔间风致干扰响应

干扰效应是大型冷却塔风毁的重要因素之一,现有冷却塔群风致干扰研究均针对同一尺寸,缺乏不同尺寸冷却塔之间风致干扰效应研究。以中国山东鲁西电厂增建冷却塔工程为背景,针对既有四塔组合(小尺寸)、新建二塔组合(大尺寸)和六塔组合3种组合,采用刚体测压风洞试验获得194个工况下的表面风压分布;再基于计算流体动力学方法对六塔组合最不利干扰工况冷却塔群的周边流场进行数值模拟。在此基础上,重点研究了六塔组合下冷却塔表面平均和脉动风压分布特性,对比研究了3种塔群组合下大尺寸冷却塔与小尺寸冷却塔的荷载干扰系数;同步分析了最不利风向角下冷却塔群周边速度流场和涡量变化,着重提炼出不同尺寸冷却塔群之间的风致干扰机理。研究表明,此类不同尺寸冷却塔群之间的干扰效应要远远大于同一尺寸的冷却塔群,具体表现为小尺寸冷却塔的增强效应和大尺寸冷却塔的遮挡效应;大尺寸冷却塔群干扰系数相比增加28%,小尺寸冷却塔群干扰系数相比降低6.4%;小尺寸冷却塔群之间的夹道效应引起的气流加速对于大尺寸冷却塔存在不利影响,能够显著增加大尺寸冷却塔的局部风荷载;而大尺寸冷却塔的遮挡效应能降低小尺寸冷却塔的整体风荷载。研究结论可为此类大型冷却塔增建工程抗风设计提供风荷载取值依据。

某大宽厚比超高层建筑风致扭转效应及风振控制研究

为了探究某大宽厚比超高层建筑的风致扭转效应及风振控制措施,开展了刚性模型风洞测压试验。对该建筑在不同风向角下的基底力矩系数、风振加速度响应和等效静风荷载进行了研究,分析扭转效应对舒适度指标的影响;针对结构风振加速度较大和平扭振动耦合的特点,采用主被动混合调谐质量阻尼器(ATMD)进行了结构的风振响应控制,并对ATMD控制系统的控制参数确定、地震等极端工况下质量块行程进行了研究。结果表明:大宽厚比建筑基底扭矩系数较大,且扭转向风致效应与沿建筑短边方向风致效应相关性较强,风致扭转效应对结构加速度响应有显著影响;大宽厚比建筑的横风向、扭转向的风荷载计算已超过现行建筑结构荷载规范的适用范围,且不能忽略,需通过风洞试验及风振响应分析确定;ATMD可以同时控制结构的平动和扭转风振响应,提高结构风振舒适度水平。

强/台风作用下大跨空间索桁体系现场风压风振实测研究

为保证我国东南沿海地区大跨预应力柔性体系的抗风安全性,并为规范规程的进一步修订做准备,建筑工程学院针对强/台风多发地区实际、典型大跨空间索桁体系-乐清"弯月"体育场,进行现场风压风振实测,以获得足尺结构在真实建筑风环境下的风荷载和风致效应.一方面,这是研究大跨柔性体系强/台风作用下的风荷载特性、风致效应及机理最为直接和有效的手段,测试数据最具有科学研究和实际应用价值.另一方面,亦是深入研究其在强/台风作用下结构抗风设计实用方法的基础.若能取得创新性成果,可显著提升我国大跨预应力柔性体系的抗风设计研究水平.

群塔布置对冷却塔整体风荷载和风致响应的不同干扰效应

为探究冷却塔群塔布置对整体风荷载和风致响应的不同干扰机理,通过刚体模型单塔和群塔风洞试验和结构动力响应计算,以风压环向分布模式对阻力系数C_D和子午向拉力F_T的不同影响为基础,对两者的干扰机理分别进行了分析。群塔布置下,目标塔表面风压的干扰效应主要表现为:前塔的遮挡效应(Ⅰ),主要使迎风区风压均值下降;侧边塔和侧后塔的吸力效应(Ⅱ),主要使背风区吸力均值增加;前塔和侧前塔的尾流涡激效应(Ⅲ),主要使迎风区和侧风区的脉动风压增加。这三种效应对C_D和F_T的影响并不相同:C_D主要受迎风区和背风区风压影响,所以效应Ⅰ和效应Ⅱ分别使C_D均值减小和增加,效应Ⅲ则使C_D根方差明显增加;F_T主要受迎风区和侧风区风压影响,所以效应Ⅰ和效应Ⅲ分别使F_T减小和增加,背风区风压的变化对F_T几乎没有影响。与单塔相比,各种群塔组合下F_T增加的主要原因是脉动风压的急剧增加。在工程常用塔间距范围内,干扰效应对风向的敏感性明显大于对塔间距的敏感性,群塔双排布置时的不利风向范围明显大于单排布置。渡桥电厂的群塔双排布置形式和事故当天风向恰使后排塔的风致响应有所增加。

混凝土烟囱高耸结构改建工程风工程分析与研究

混凝土烟囱高耸结构,具有结构高度较高、结构抗侧刚度相对较小的特点,对于风荷载高度敏感。针对混凝土烟囱改建为游乐观光塔的高耸结构,进行风工程的分析与研究。将缩尺比例的刚性模型,进行了高频天平测力风洞试验,并基于试验数据计算得到了结构的体型系数、等效静力风荷载及响应;此外,为了拟合风洞试验结果,并模拟钢结构和穿孔铝板幕墙的风荷载,通过风洞数值模拟技术,得出整体计算所需的高耸结构风荷载的等效体型系数和局部风荷载计算所需的参数等。最后,将风洞试验、数值模拟以及规范的风荷载进行对比,确定包络的设计风荷载,为结构设计提供必要的和可靠的依据。