下击暴流作用下低矮建筑风荷载大涡模拟

采用大涡模拟方法,研究非稳态雷暴风作用下低矮建筑的风荷载特征,分析下击暴流的不同发展阶段中建筑物所在的径向位置、屋面坡度和风向角等参数对建筑风荷载的影响.结果表明:下击暴流各发展阶段风荷载效应差异显著,当气流冲击地面后形成的首个环形涡掠过建筑时,建筑表面风荷载最大;当建筑物处于不同径向位置时,环涡经过建筑物形成的瞬态风压与同样位置处稳态射流作用下的风压差异较大;屋面坡度对迎风面风压系数分布影响较小,但对迎风侧屋面风压系数分布的影响非常显著,随着屋面坡度的增大,迎风屋面风压系数由负值逐渐变为正值;建筑物迎风前沿角部区域的风压系数受风向角的影响较为明显,在所测试的工况中,风向角为45°时影响最为显著.

风荷载和列车共同作用下风积沙包芯路基边坡稳定性研究

我国是世界上沙漠分布最多的国家之一,沙漠中蕴藏着丰富的矿产资源。西部大开发和“一带一路”倡议将进一步推进沙漠地区铁路建设。利用丰富的沙漠风积沙作为铁路路基填料具有重要的经济意义和推广应用前景,风积沙包芯路基是一种充分利用风积沙作为铁路路堤填料的新型结构。为研究列车荷载和风荷载共同作用下风积沙包芯路基边坡稳定性计算方法,基于折线滑动法原理,对路堤结构进行分层分区,采用极限平衡方法,推导出列车荷载和沙漠风荷载共同作用下铁路风积沙包芯路基的稳定性系数计算公式并编制计算程序。结合和若铁路风积沙包芯路基的工程实例,验证了该计算方法的可行性。基于该计算程序,研究了风荷载大小、风向角、路堤填筑高度、填料内摩擦角等影响因素对风积沙包芯路基边坡稳定性系数的影响,分析了风向角、填料内摩擦角等影响因素对风积沙包芯路基边坡砂卵石封层最小厚度的影响。计算结果表明,风积沙包芯路基边坡稳定性系数与风荷载大小近似呈线性负相关,与风向角大小呈非线性正相关。风积沙包芯路基边坡稳定性系数富余量与路堤填筑高度呈负相关。风积沙包芯路基边坡砂卵石封层最小厚度与风向角大小呈非线性负相关,与风积沙填料的内摩擦角大小近似呈线性负相关。建议风积沙包芯路基边坡设计中应考虑风荷载的影响。研究成果可供沙漠地区风积沙包芯路基设计借鉴和采用。

基于节段模型测力方法的塔式起重机风荷载特性研究

塔式起重机被广泛应用于铁道工程和土木工程施工过程,属于高耸结构体系,风荷载是塔式起重机结构设计的控制性荷载。为完善《塔式起重机设计规范》(GB/T 13752—2017)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中的塔式起重机斜风向设计风荷载计算方法,解决风向、吊臂、平衡臂位置等因素对塔式起重机遮挡和干扰引起的设计风荷载计算问题。选取平头塔式起重机为研究对象,对塔身、吊臂、平衡臂进行多工况的节段模型测力风洞试验,研究湍流强度、节段干扰和遮挡等因素对塔式起重机节段风荷载特性的影响规律,研究不同风向下节段阻力系数分布规律,对比标准化阻力系数与当前主要规范的异同,进而探讨节段斜风向标准化阻力系数计算方法。研究结果表明湍流强度对节段阻力系数影响较小,可忽略,而平衡臂和吊臂相邻节段的干扰会减小测试节段的阻力系数;在斜风向下,由于吊臂和平衡臂之间存在相邻节段干扰,国内外规范方法的计算值均会大于干扰工况的节段风洞试验值;当前主要国家规范规定的垂直风向塔身、吊臂、平衡臂阻力系数与风洞试验测得的阻力系数值较为接近,基于风洞试验结果给出典型风向的塔式起重机各节段的风荷载系数取值可用于结构设计;基于风洞试验测试结果推导的塔式起重机斜风向风荷载计算方法具有较好的拟合效果。研究成果可推荐相关工程应用,可为相关规范的修改或补充提供参考。

超高桥塔的气弹模型风洞试验及其等效静力风荷载

为研究超高桥塔的气弹模型风洞试验方法及其等效静力风荷载,根据某实际工程中的超高桥塔建立了有限元模型,进行了动力特性计算,进而设计了相应的气弹模型,并开展了风洞试验。在此基础上,开展了超高桥塔风致振动的非线性时程计算,并基于阵风荷载因子法,对比了以位移、内力和应力为单一目标的超高桥塔的等效静力风荷载。结果表明:斜风作用下的桥塔风致振动比较显著,其影响随着风速的增大而愈加明显;当风向角为75°~90°时,超高桥塔将在风速为35~50 m·s^(-1)的区间发生顺桥向的侧弯涡振,但幅值较小;基于应力的阵风荷载因子比基于位移或内力的阵风荷载因子更加稳定,这使得基于应力的等效静力风荷载要优于基于位移或内力的等效静力风荷载,比较适合于超高桥塔。

基于未知风荷载作用下拉索振动位移的拉索MR阻尼器失效破坏的原位识别方法

MR阻尼器在长期服役过程中可能由于各种因素导致阻尼器失效破坏。现有的对MR阻尼器的性能识别多为离线方法,需将阻尼器从斜拉索上拆卸下来后进行人工检测。该文提出一种基于斜拉索在未知风荷载作用下振动位移,对在役失效无模型的MR阻尼器作用力进行原位在线识别的方法。首先,建立模态坐标下斜拉索-阻尼器系统运动方程及观测方程,并进行模态截断以减少未知变量的数量。然后,将模态风荷载建模为随机游走过程并加入系统的增广状态中,并视MR阻尼器的作用力视为作用在斜拉索上的‘附加未知输入’,采用最近提出的无直接反馈的平滑最小方差无偏Bayesian滤波,对结构增广状态和MR阻尼器作用力进行识别。通过识别数值模拟的MR阻尼器三种典型的失效破坏模式,验证所提方法的有效性。

沿海地区台风荷载下陶粒加气混凝土砌块填充墙斜裂缝试验研究

为研究沿海地区低抗震设防烈度条件下陶粒加气混凝土砌块填充墙的开裂原因,采用PKPM软件分析了某13层框架结构住宅在台风荷载和6度抗震设防烈度下结构的层间位移,结果表明:在该地区基本风压下,该工程的最大层间位移角与6度抗震设防烈度时基本相当。同时进行了一榀足尺框架模型试验,结果表明,当主体结构还在弹性阶段时,模型的整体刚度就急剧下降,填充墙就已经开裂。当试件的位移角达到1/1 092时,填充墙开裂严重,此时相当于刚度修正后的13层框架住宅案例在1.27kN/m^(2)的风压下的表现。因此按照目前的结构设计参数取值和施工构造措施,沿海地区陶粒加气混凝土砌块填充墙的开裂在所难免。为避免该斜裂缝发生,应在设计和施工阶段采取新的设计方法和构造措施。

荷载作用下超高层建筑结构风荷载响应仿真

与一般建筑不同,随着高度的增加,超高层建筑结构本身的基本自振周期和柔度增加,阻尼比降低,在荷载作用下会产生一定的位移变化。为了提高超高层建筑结构的稳定性和安全性,提出荷载作用下超高层建筑结构风荷载响应分析方法。基于随机振动理论,建立超高层建筑异形结构在风荷载作用下的运动方程,分析结构位移变化情况;通过静力风效应和动力风效应对建筑异形结构的风效应展开分析;根据分析结果,采用荷载反向识别算法结合离散卡尔曼滤波理论完成建筑结构风荷载响应分析。仿真结果表明,所提方法可准确获得超高层建筑异形结构的湍流度、风速时程、风中心轨迹相关信息,说明该方法的风荷载响应仿真分析结果精度较高。

基于KPCA⁃XGBoost机器学习的大跨体育场风荷载预测

大跨空间结构风荷载的取值是该类结构抗风设计关注重点,通常借助风洞试验或数值风洞确定,但其费用高周期长等特点限制其广泛应用.机器学习方法近年受到关注,逐渐应用于结构的风荷载预测并取得了不错的效果.利用核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)对数据进行降维处理,借助可以集成学习的XGBoost机器学习模型,采用十折交叉验证对超参数进行选择,编写了基于机器学习的大跨空间结构风荷载预测程序.通过对多个已有工程项目风洞试验结果的学习训练和预测结果比对,证明该方法具有处理数据能力较强、预测效率较高及泛化能力较强等特点.随机选取未参与模型训练的风向角下数据进行模型准确性验证,结果表明模型的R2值均达到0.9左右,预测值与试验值较为接近,体型系数在迎风区的预测精度略低于背风区,而极值风压则在背风区的预测精度好于迎风区.

不同间距串列双球壳屋盖风荷载干扰效应大涡模拟

采用基于空间平均的大涡模拟方法,以串列双球壳屋盖为对象,研究了对不同中心间距下串列屋盖的风致干扰效应。首先,将球心距为160 m的双球壳屋盖大涡模拟结果与风洞试验进行对比,验证了数值模拟方法及参数的有效性;其次,对比分析球心间距分别为160 m和190 m时双球壳屋盖表面的风压分布特征,研究了不同中心间距对球壳屋盖表面平均和脉动风压分布的影响;最后,结合非定常绕流风场,研究了中心间距对串列双球壳屋盖风荷载的影响机理。结果表明:考虑的中心间距下,串列双球壳屋盖的平均和脉动风压系数的变化趋势类似;上游屋盖的遮挡效应减弱了下游屋盖迎风面的正压,但当间距比较小时,下游屋盖的阻塞作用会加剧上游屋盖的流动分离,使得顶部天窗的局部风吸力明显增加;随着间距的增大,上游屋盖背风面的分离涡由小尺度条带涡变化为大尺度弧形涡,使得屋盖顶部天窗、上游屋盖背风面和下游屋盖迎风面的风压脉动更为显著。

考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法

刚性直棒法作为一种简单高效的输电导线风偏响应估算方法,在输电工程领域得到了广泛的应用,然而其适用对象仅限于水平风作用下的未覆冰导线,对于线路常遇的覆冰以及二维风荷载情况未能涉及。该文采用阵风荷载包络线法(GLE法)推导了二维等效静力风荷载的表达式,获得了考虑二维风荷载作用的导线风荷载调整系数,通过引入二维等效静力风荷载改进了现有刚性直棒法,改进后的刚性直棒法综合考虑了线路是否覆冰、二维风荷载、上升气流以及风的脉动效应。建立了某真型输电线路的精细化有限元仿真模型,采用覆冰导线气动力风洞试验结果和非线性数值仿真验证了改进后刚性直棒法的准确性。基于改进后的方法分析了竖向平均风速和导线覆冰厚度对风偏响应的影响。研究表明:考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法是一种准确度明显提高的通用方法,能适用于常规的、覆冰的、有上升气流的多种工况下的导线风偏位移计算。

风荷载作用下储罐罐壁的力学性能

为研究大型钢制储罐在风荷载作用下的力学特性,借助有限元软件ABAQUS,建立了静力风荷载作用下储罐有限元模型,对比分析裸罐(不含抗风结构)与加强罐(含抗风结构)在风荷载作用下迎风面与侧风面罐壁的应力与变形结果,以及储液对储罐抗风性能的影响。结果表明:迎风面罐壁受风压力作用,罐壁内凹,侧风面罐壁受风吸力影响,罐壁外凸;风荷载对空罐影响较大,抗风结构可以有效地减弱空罐状态下罐壁顶部的变形;充液状态下,风荷载对罐壁的作用效果不明显,在储液压力作用下罐壁最容易破坏的位置出现在距离罐底高度2.42 m处。

大跨屋盖结构风荷载分布特性技术研究

现代建筑行业背景下,客观上促进了我国建筑工程领域内大跨屋盖结构的发展,并在多年发展中形成了多样性的形式,有着跨度大、自重轻、几何外形复杂的特点,属于风敏感结构。同时,针对大跨屋盖结构的周边风场绕流进行分析,同样伴随着复杂性特点,这使得大跨屋盖结构中往往容易出现旋涡脱落、再附、分离、气流撞击等问题,一般适用于拟定常假设,且在大跨屋盖结构表面风荷载特性进行描述的过程中同样不适用来流风荷载特性。因此,要求面对大跨屋盖结构的表面风荷载特性做好更深入地分析考量,对大跨屋盖结构的真实风荷载描述模型进行建立,在模型的导向下完成抗风设计。实践中,可对CFD数值模拟方式进行应用,提高分析研究结果的精准性。

基于激光扫描和形貌等效的行道树风荷载模拟

行道树风荷载的准确模拟是对其开展风致失效模式分析以及加固处置的先决条件.为精确模拟行道树的风荷载,提出一种基于三维(three dimensional,3D)激光扫描与树冠形貌等效融合的典型行道树风荷载数值模拟方法,对典型行道树的风致失效模式进行了探讨.首先通过移动式3D激光扫描建立山茶树和南洋楹两种行道树的点云模型,并采用树冠形貌等效方法构建了两种行道树数值分析模型;然后探讨等效建模方法中模型尺寸随风速变化的折减规律;最后分析行道树模型在不同等级风速作用下的风振响应特性和失效模式.研究表明,基于3D激光扫描和树冠形貌等效的行道树风荷载模拟方法可准确模拟行道树风荷载特性,行道树顺风向阻力模拟值与试验值的误差在5%以内;树木破坏形态以弯曲破坏为主,且树木各级枝干初始破坏呈现出3级枝条、2级枝条、1级枝条和主干的顺序特征,但在风速较大时则出现主干或重要枝干破坏先于次要枝干的现象.本研究提出的树冠形貌等效的行道树风荷载模拟方法精确性良好,对城市行道树风致易损性分析以及城市绿化系统的防灾减灾规划具有重要指导意义.

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。

风荷载下伸臂桁架-ATMD组合系统最优伸臂桁架位置研究

基于虚拟激励法和最优控制理论,提出伸臂桁架-主动调谐质量阻尼器(ATMD)组合系统的风振最优控制模型。首先推导伸臂桁架主体结构与ATMD耦合后的控制运动微分方程组并基于虚拟激励法求解该方程组,发展新的伸臂桁架-ATMD组合系统数值简化模型。基于新提出的组合系统数值简化模型,应用固定点理论求解ATMD最优控制力,获得伸臂桁架-ATMD组合系统的最优控制力模型。将新提出的伸臂桁架-ATMD组合系统数值简化模型和最优控制力模型进行有效数值组合,构建该组合系统的整体最优控制模型。将本文提出的基于固定点理论的最优控制模型与基于线性二次规划方法的最优控制模型、被动最优控制模型和无控制模型进行对比分析。最后应用基于固定点理论的最优控制模型对伸臂桁架-ATMD组合系统的最优伸臂桁架位置进行单参数敏感性分析,研究最优伸臂桁架位置对不同结构影响因素的敏感性以及ATMD对不同类型伸臂桁架系统的抗风控制效果。研究结果表明:主体结构伸臂桁架系统类型不同,不同控制方案的作用效果不同,且主动控制方案对加速度响应的控制效果优于对位移响应的控制效果;与纯伸臂桁架系统相比,风荷载作用下主动调谐质量阻尼器对组合系统的最优伸臂桁架位置影响不大,且最优位置对伸臂桁架刚度、核心筒刚度和外柱与核心筒间距离都有非常高的敏感性;风荷载作用下主体结构中的阻尼会限制ATMD对结构响应控制作用的发挥。

福建圆形土楼悬挑屋盖风荷载特性及气动抗风措施研究

福建圆形土楼悬挑屋盖属于风敏感结构,且处于我国台风多发区,为提升结构的风灾防御水平,保障其抗风安全,采用CFD数值模拟方法对屋盖表面风荷载分布特性进行研究,同时提出了增强其抗风性能的气动抗风措施。研究表明:圆形土楼悬挑屋盖迎风面风压较大,其中,内、外悬挑屋盖端部风压系数绝对值最大,分别达到1.5和0.75,属于风荷载敏感部位;在外悬挑屋盖端部加设竖直挡风板和波纹挡风板均可以一定程度地卸载上述风荷载敏感部位的风压值,综合比较,设置波纹挡风板较竖直挡风板对风压卸载效果更好;对于设置波纹挡风板,当其相对高度h/Hj=0.05(h为波纹挡风板高度,Hj为地面到屋脊处距离)、倾角θ=-45°、波纹圆弧半径R=5.5 m时整体对屋盖表面风压卸载效果最优,其内、外悬挑屋盖端部风压系数卸载率分别达到40.1%和54%,原因在于倾斜布置的波纹挡风板对悬挑屋盖表面来流起到阻挡作用,使得气流撞击形成的漩涡从屋盖悬挑端转移到挡风板表面,同时波纹的存在降低了内、外悬挑屋盖表面气流漩涡强度,从而达到卸载屋面风荷载的效果。

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。

风向角和倾角对光伏阵列风荷载的影响

该文通过数值模拟方法,系统研究单竖排光伏阵列的风荷载特性以及风向角和倾角的影响。结果表明:光伏阵列在横风作用下,迎风侧光伏组件的风荷载系数最大;光伏组件阻力系数、升力系数以及扭矩系数均随倾角的增大而增大,且在倾角小于20°时变化速率较大,大于20°之后体型系数趋于平缓;光伏阵列中,组件风荷载系数的遮挡效应十分明显,迎风侧光伏组件降低了背风侧组件的来流风速,使得位于下游区域的光伏组件所受风荷载显著减小,且倾角越大遮挡效应越明显。

联排凹曲面屋盖的风荷载特性试验研究

为了探究凹曲面屋盖的风荷载特性并为实际工程提供抗风设计参考,对3种联排凹曲面屋盖进行刚性模型风洞测压试验,系统分析联排数及风向角对凹曲面屋盖升力系数、平均风压系数和极值风压系数的影响.结果表明:屋盖整体升力系数随着联排数的增加不断降低,各屋盖的升力系数受风向角影响较大.在不同联排数及风向角下,屋盖整体承受向上的风吸力,屋盖的平均风压系数表现出复杂的波动性;在迎风屋盖边缘处的气流分离现象明显,导致该处存在较大风吸力;越远离迎风侧的屋盖,平均风压系数的波动越小,稳定于-0.1.联排数对极值风压系数的影响不可忽略,尤其是极小值负压系数,边缘屋盖分区极小值负压系数的最小值为-5.1,中间屋盖分区极小值负压系数的最小值为-3.3.基于试验结果,总结给出不同联排凹曲面屋盖分区的平均风压系数和极值风压系数.

基于风洞试验与规范规定值的光伏支架风荷载取值研究

为完善光伏支架风荷载研究,首先对比分析不同规范光伏支架风荷载计算原则及相关参数取值特点;其次对某固定可调式光伏支架进行刚性模型测压风洞试验,得到典型倾角与风向角组合工况下光伏结构体型系数,并利用风洞试验结果进行瞬态分析得到典型工况下光伏支架风振系数;最后将试验得到的风荷载取值和相关参数与参考的各规范取值进行对比。结果表明:各规范及风洞试验风压系数、阵风影响评价系数和风荷载均存在明显差异;风洞试验风压系数明显低于各规范规定值,风振系数结果远大于国内规范值1.0,超过其1.64~2.05倍,与国外规范也存在很大差距。总的来说,结构迎风时风荷载与风压系数小于结构背风时按照中国规范进行光伏支架抗风设计结果偏激进,按照国外规范则结果偏保守;常用规范中光伏支架风荷载规定并不合理,为安全合理地指导光伏结构抗风设计,还需进行更多抗风研究。