钢管-角钢组合输电塔杆件体型系数及 背风面风荷载折减系数的风洞试验研究

对钢管-角钢组合输电塔一类的风敏感结构,其各杆件的体型系数及折减系数是该结构抗风设计中重要的风荷载参数.以500 kV和110 kV输电塔为工程背景,首先设计缩尺比分别为1:8.5的塔身和1:2.5横担刚性节段模型,然后在3个不同均匀来流风速及不同风向角下进行同步测压风洞试验,得到角钢及钢管杆件的体型系数与背风面风荷载折减系数的变化规律.并以此归纳了塔身和横担各杆件的体型系数分布及不同风向角下节段模型整体体型系数,最后将试验确定的结果与国内外相关规范值进行比较.结果表明:来流风速对塔身和横担中的角钢体型系数几乎无影响.在0°风向角下,塔身角钢体型系数沿塔身节段呈上小下大的变化趋势.塔身杆件中的角钢折减系数与日本规范较吻合.在不同雷诺数下的塔身(3.10×104～4.34×104)或横担(5.57×104～8.00×104)节段模型折减系数的差值很小.塔身和横担节段模型阻力系数与日本规范较吻合,中国规范取值分别偏小7.2％和4.5％.     

锥形超高层建筑横风向风荷载模型

采用同步测压技术,进行了不同锥率的超高层建筑刚性模型风洞试验,根据试验结果得到了该类建筑物的横风向风荷载数学模型.根据作用机理,通过在已有矩形超高层建筑横风向风荷载功率谱模型中增加紊流机理项的方法,给出了精细化拟合公式,修正后的横风向风荷载功率谱模型在工程结构一般频率范围内与试验结果吻合较好.锥率没有改变超高层建筑横风向风荷载相干函数的频谱特性,已有超高层建筑相干函数模型对锥形超高层建筑仍然适用.本文提出的锥形超高层建筑横风向风荷载模型能够用于确定该类结构的横风向风致效应.     

格构式塔架动力风荷载解析模型

基于高频底座天平测力风洞试验, 得到了三种典型的格构式塔架的顺风向、横风向与扭转向一阶振型广义荷载谱与均方根广义力系数.在此基础上,利用最小二乘法拟合,建立了格构式塔架的一阶振型广义风荷载谱解析模型.该模型与风洞试验结果吻合较好,可在此基础上建立格构式塔架二维或三维动力响应的频域计算方法.     

稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究

雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性,采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场,进行高层建筑刚性模型测压试验,讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明:建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时,迎风面风压最大值出现在底部,明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性;径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部,横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变,而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.     

特高压长悬臂输电塔结构风振扭转响应

在分析±1 100 kV特高压长悬臂输电塔的风振扭转响应机制的基础上,通过有限元动力时程计算考察扭转效应对结构内力的影响。首先,计算特高压长悬臂输电塔结构横担部位的风振系数;其次,根据横担的位移时程结果明确输电塔结构的风振扭转效应;最后,定义等效扭转风振系数,计算脉动风作用下的附加扭转荷载,分析风向角和长悬臂输电塔横担总长度对结构扭转效应的影响。研究结果表明:在风荷载动力时程的作用下,长悬臂输电塔结构会产生约0.01 rad整体扭转,考虑附加扭转工况可以提高输电塔主材和斜材的设计可靠度,提高程度从高到低依次为塔身斜材、横担斜材、横担主材和塔身主材;应力包络程度从74.4%提升到93.6%,且对所有主材和斜材,考虑扭转荷载的静力计算结果对动力时程计算结果的包络程度均在90%以上;不同风向角时,输电塔结构的扭转效应和横担风荷载Y方向的分配系数呈正线性关系,其中0°风对应的等效扭转风振系数最大,达到0.75,而90°风对应的等效扭转风振系数为0。随着输电塔结构的横担总长度减小,结构的扭转效应也减小,0°风对应等效扭转风振系数先减小后稳定在0.55附近,且拐点与结构的扭转振型的阶次有关。当扭转阵型为低阶阵型时,长悬臂输电塔结构的风振扭转效应明显。     

拟建高大建筑对邻近建筑整体风荷载的影响

基于一栋既有高层建筑的刚性模型测压风洞试验,讨论了邻近更高大的拟建超高层建筑及周边其他建筑对其整体风荷载的干扰效应.试验结果表明,当拟建超高层建筑处在上游时,遮挡效应一般会减小下游既有建筑的顺风向气动力平均值,但尾流旋涡脱落现象会导致下游既有建筑的横风向风荷载峰值显著增大,这可能使得下游既有建筑的原始结构设计偏于危险.     

大开洞对高层建筑风效应的影响研究

在大气边界层风洞中开展了在0.5 H和0.85 H高度设置洞口的高层建筑刚性模型测力试验,获得不同洞口尺寸、高度、位置以及数量时的高层建筑风致基底反力.从基底弯矩系数和基底一阶广义气动力谱研究了不同洞口设置对高层建筑风效应的影响.研究结果表明:1)顺风向开洞能有效地降低顺风向基底平均弯矩,并且上部开洞效果优于下部开洞,开洞率越大效果越明显;横向基底平均弯矩比较小,大开洞提高基底横向平均弯矩,小开洞则相反;开洞对横风向与顺风向的基底脉动弯矩都有较大影响.2)不管是大开洞还是小开洞,在折算频率约为0.12位置处,均出现了与旋涡脱落频率相近的窄带峰值,且不同工况下,低频段的功率谱值差异略大于高频段.     

X型超高层建筑的三维风荷载及风振响应

以某X型超高层建筑为工程背景,研究了该超高层建筑顺风向、横风向以及扭转风荷载系数沿高度方向的分布规律.以质量和刚度相同、动力特性相近为原则使用简化的自由度缩聚模型代替结构精确有限元模型,计算结果显示结构位移与加速度响应均以一阶模态响应为主,该模型代替精确有限元模型能够满足工程计算需要.对质量中心和刚度中心重合的结构,扭转加速度响应在合加速度响应中占有的比例较小,结构在3个方向上振动的耦合程度不高.提出的合成位移投影方法计算出的沿坐标轴方向的风振系数能够保证X和Y方向最大位移与合成位移最大值的同步性,并考虑了横风向风振的影响略大于顺风向风振系数.     

高层建筑横风向风效应研究综述

高层建筑的横风向荷载及响应问题非常复杂,它与来流紊流、尾流和气动反馈3个方面的激励有关.虽然研究人员关注这一问题已有30多年,但迄今为止还没有形成被广泛采用的成熟的分析理论和方法,许多国家的规范中尚无相关的规定.国内外高层建筑横风向风效应研究成果主要分为3部分:横风向气动力的确定,横风向气动阻尼的识别和横风向等效静力风荷载的计算方法.风洞试验技术、数据拟合技术、参数识别技术是确定高层建筑横风向风效应的主要手段.通过分析国内外研究手段和方法的现状及优缺点,针对高层建筑横风向响应研究中存在的问题和不足,提出了应该关注的重点:高层建筑外形的复杂变化对气动力的影响、高层建筑横风向气动阻尼的识别方法以及形成机理和影响因素、等效静力风荷载计算方法和复杂形体超高层建筑顺、横、扭3种风荷载分量的耦合问题.     

考虑风偏角影响的大跨径拱桥横向风荷载试验

依据某大跨径拱桥全桥气弹模型风洞试验,研究了不同风偏角下结构的横向风荷载响应。试验对模型的动力特性和静力刚度进行了测定,并采用紊流场模拟桥址处的风环境,进行了0°～90°风偏角下不同风速的试验。试验验证了该拱桥的气动安全性。数据分析结果表明:当风向为正横桥向时,桥梁结构的风作用处于最不利状态,结构关键位置随风偏角的增大而增大;斜风向下桥梁实际风荷载效应比采用三角函数分解方法叠加得到结构风荷载效应更为不利。     

山地风场中圆形截面超高层建筑风荷载谱

为了研究山地风场中超高层建筑的风荷载和风振响应特性,必须了解复杂湍流变化对建筑风荷载的影响。在风洞中模拟了4种湍流度,通过3个不同高宽比圆形截面超高层建筑模型,考察了来流湍流度、建筑高宽比、层高度等因素对顺风向和横风向风荷载功率谱影响规律。针对2个方向风荷载功率谱的特点分别采用不同荷载谱模型进行了参数拟合,再以湍流度、建筑高宽比为基本变量对荷载谱模型参数进行二次拟合,初步建立了复杂山地圆形截面超高层建筑风荷载功率谱的数学模型。最后给出一个实例,通过具体山地风速和湍流度剖面,根据提出的建筑风荷载功率谱数学模型,比较了山地和平地圆形截面超高层建筑的风振响应。     

结构顺横风振综合被动控制的研究

在强风作用下，结构既可在两主轴方向产生顺风向风振，同时在两主轴之一产生顺风向风振时，另一主轴方向可产生横风向风振，当横风向结构自振频率与涡流频率一致时，可产生远大于顺风向风振的共振响应，因此在两主轴方向刚度等相差不大的情况下，两主轴方向在振动控制研究中都必须予以注意，文中采用交叉型被动阻尼器，为了充分发挥阻尼器的作用，采用作者建议的互通式管式液体阻尼器来代替单向的管式液体阻尼器，质量阻尼器也沿主轴     

MR阻尼器对桅杆结构风振响应的模糊控制

采用双输入单输出的模糊控制策略,研究了MR(Magnetorheology)阻尼器对桅杆结构风振响应的模糊控制问题,并进行了模拟仿真分析.结果表明,模糊控制是一种有效的控制策略,其控制效果优于基于位移的半主动控制.     

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.     

椭圆形高耸结构风荷载特性试验研究

结合武汉天河国际机场三期扩建空管工程塔台刚性模型同步测压风洞试验结果,对椭圆形高耸结构的风荷载特性进行了研究.讨论了典型风向角下不同测点层的平均风压系数和极值风压系数的分布规律;基于测点层的风荷载合力时程,采用快速傅里叶变换的方法,得到了椭圆形高耸结构在90°风向角(最大迎风面)下的三维层风荷载功率谱,并采用经验公式对其进行拟合,拟合效果较好.采用LRC法计算了平均风荷载、背景和共振等效静力风荷载,并将结果与荷载规范建议的惯性风荷载法对比,发现两种方法得到的等效静力风荷载吻合较好.     

桅杆结构的风振响应分析及实验研究

基于随机振动状态向量离散分析方法,研究了桅杆结构的风振响应。当考虑纤绳非线性对桅杆结构的影响时,采用高斯截断理论使非线性方程线性化。通过对一实际工程和风洞试验模型的分析可以看出,随机振动离散分析方法能准确计算出结构响应的均值和方差,并且风洞试验的结果揭示了桅杆结构随机风振响应更多的特性。     

门座起重机整机气动弹性模型的风洞试验研究

首次对港口10t 门座起重机整机气动弹性模型在均匀流风场及边界层模拟风场中进行了风洞试验,研究了在港口常见风速范围内,8个主要典型风向下3个有代表性的四连杆系统俯仰角时门庄起重机的激励特性、振动特性和危险工况.试验发现,拉杆在顺风向也有较强的涡激振动现象.根据试验结果,文中还建议了门座起重机抗风设计的两条主要原则.