巨型射电望远镜结构关键技术研究

随着射电望远镜口径的增大,自重、风荷载和温度作用等对反射面的形状精度带来前所未有的不利影响,合理结构形式的选择及优化十分重要。从望远镜结构体系创新及轻量化、形状精度控制等方面,对作者团队近二十年来在巨型射电望远镜结构相关领域的研究作出总结:从副反射面支撑、俯仰机构、背架结构等三个方面改进巨型全方位可转动望远镜结构方案,提出改进遗传算法解决大规模型材式变量的优化问题,并给出风荷载和温度作用两个精度关键影响因素的作用机理及响应规律;针对新型式巨型望远镜结构,总结“中国天眼”500 m口径射电望远镜结构方案关键设计要点,并给出风荷载、温度作用以及变位疲劳等复杂作用的影响。基于改进的结构方案及优化算法设计的110 m口径全可动望远镜结构,在精度和轻量化方面具有明显优势,所研发的500 m口径射电望远镜结构新型式方案实现了预期的功能和精度要求。

建筑雪工程学研究方法综述

建筑雪工程学系指综合物理学、地球环境学、灾害学等交叉学科,从专业角度对建筑(群)及其周围环境冬季受降雪影响进行预测及研究,以抵御由雪灾诱发建筑物倒塌事故的一门学科。从该学科中主要的三种研究方法,即实地观测、试验研究以及数值模拟为切入点对三者的发展进行梳理与深入剖析。对于实地观测,总结了国外规范中考虑风致雪漂移和热力融雪等影响因素的研究历程与相应理论模型的建立,并指出今后我国实测工作应以对足尺建筑屋面积雪特性及其演变机理为重心;通过对近年来试验研究工作的概括总结,梳理了现今试验研究的四种手段,并明确了对应试验手段相似准则的建立与参数的选取,同时指出今后在我国建立专业风雪试验的必要性;通过对CFD数值模拟方法研究进展的回顾,总结了目前数值模拟已取得的成果与存在的不足,为考虑因素全面的新数值模拟方法的发展指明方向。

基于风雪联合试验系统的风致雪漂移试验相似准则研究

风致雪漂移现象导致了建筑屋面积雪的不均匀分布,给建筑结构带来了巨大的安全隐患。风洞试验是研究风致雪漂移的主要方法之一,而相似准则是进行风洞试验的基础,文中对Kind、Iversen和Tabler提出的相似理论进行了介绍,并归类整理了目前国内外学者主要采用的相似参数,包括弗劳德数、雷诺数、时间相似参数、速度相似参数等。应用哈尔滨工业大学自主研发的风雪联合试验系统,以日本学者Oikawa完成的户外实测作为参照原型,以边长0. 5 m立方体为试验模型,人造雪作为模拟颗粒,并在充分考虑不同相似参数的特点基础上,基于优选的相似参数进行了缩尺试验。根据实测结果与缩尺试验结果对比与分析发现,应用基于跃移层质量传输率相似的相似准则所得试验结果的侵蚀区和堆积区与实测结果吻合较好,精确地还原了实测结果的积雪分布形状,且以实测原型的平均风速为标准得出的试验结果优于以实测原型的最大风速为标准的试验结果。

中外荷载规范雪荷载取值及控制影响因素对比分析

基于对当今中外荷载规范雪荷载章节的梳理,以雪荷载对应取值及控制因素的差异为视角进行了深入的对比剖析,得出各国规范体系构架存在较高相似性,均采用由地面雪荷载(基本雪压)乘上一系列用以量化计算的控制因素系数而获得屋面雪荷载值,而屋面雪荷载按作用效应又可划分为基本雪荷载、漂移雪荷载与滑落雪荷载三类,且各类别在不同规范中取值具有差别。由此建议在中国新版建筑荷载规范雪荷载章节继承完善基本雪荷载和漂移雪荷载,并补充对屋面滑落雪荷载取值规定。另外,总结了各国规范中雪荷载控制影响因素,可归为外界环境与建筑本身两大类,并依据国外规范对控制因素的考虑权重,选取影响较大且我国规范尚未考虑的因素进行详细探讨。由此建议引入考虑降雨量与坡屋顶特性的雨雪联合因素,考虑宏观地貌气候与周围环境的建筑暴露状态因素,考虑室内采暖温度与屋面热阻的建筑采暖因素及考虑屋面光滑程度的屋面材料因素,以达到优化规范体系构架的目的。

采暖建筑结构屋面雪荷载实测研究

为考虑采暖建筑热环境对屋面雪荷载取值的影响,参考国外规范ASCE/SEI 7-10和ISO 4355:2013雪荷载章节中用以量化该影响的热力系数C_t的取值,设计一种装配式可变屋顶热阻及室内采暖温度的建筑实测模型,并完成对屋面自然降雪(低含水率)及人工造雪(高含水率)表观密度与雪荷载值在融雪期(日最高气温大于0℃)与非融雪期(日最高气温不大于0℃)的实测研究。结果表明,融雪期屋面积雪经历从下部融化湿润、湿润区上迁与融雪水外排的过程,其表观密度与环境温度呈正相关关系,而雪荷载值变化呈现出明显的"三段式"形式,即湿润段、质量损失段及再结晶段。相比而言,采暖建筑屋面积雪在非融雪期变化远小于融雪期的,但二者屋面雪荷载值均反映出随屋顶热量损失的增加而减小的规律。最后依据GB 50189-2015和JGJ 134-2010,计算出各组工况下用以量化计算建筑采暖影响的热力系数C_t值,并对室内需维持在0℃左右的建筑建议该系数取值1. 2。

基于规范对比的女儿墙屋面雪荷载实测分析

在女儿墙屋面雪荷载计算时,日本、美国及欧洲规范中充分考虑了风场对完全暴露屋面雪荷载的侵蚀作用、风力对积雪的搬运作用、上游积雪宽度对下游阻碍物处堆雪量的补充作用和降雪量对堆雪的补充作用。除此之外,也引入了室内采暖、雨雪联合等因素来更真实地实现对屋面雪荷载的估算。相较之下,我国规范仅考虑女儿墙高度的影响。故基于对带女儿墙屋面积雪分布的多年实测结果,参考国外规范中的影响因素,对哈尔滨地区女儿墙屋面积雪分布特征进行了分析。结果显示:风场作用下,积雪会更多地堆积于迎风向女儿墙处;随着上游屋面宽度增加,下游迎风向女儿墙处漂移积雪的峰值深度存在递增趋势,且随着风速增加,搬移堆积作用会增强;上游屋面宽度和地面降雪量对女儿墙处峰值雪深有较大影响,风速对于峰值雪深的影响依赖于地面降雪量,降雪越大,风速的影响越大,反之减小;女儿墙处堆雪长度与女儿墙高度比值多维持在3. 75左右,建议我国规范中堆雪长度与女儿墙高度比值取4. 0。