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。     

超高层建筑横风向气动力谱

利用高频测力天平技术，在四种不同风场中对15种不同外形的超高层建筑的刚性模型进行了风洞试验，测量了这些模型的横风向基底弯矩，即一 阶横风向广义风荷载，考察了风洞类型、模型长细比、宽厚比及模型横截面角沿的修正对超高层建筑横风向广义气动力谱的影响规律，并拟合出一个以风场类型、模拟长细比、宽厚比为参数的超高层建筑横向风向广义气动力谱的闭合表达式。通过与国外有关文献给出的结果的对比，验证了拟合公式的精度。     

超高层建筑结构横风向风荷载研究

对于超高层建筑结构，我国荷载规范只给出了顺风向的抗风设计方法，对于横风向风荷载则并没有给出规定。而在实际工程中的超高层建筑，有时横风向风荷载远大于顺风项，为控制荷载，因此目前我国荷载规范在超结构的横风向抗风设计部分的规定是不完善的，需要补充该部分内容，本文则通过几个典型工程实例来说明该问题。     

三边形桅杆杆身风荷载特性风洞试验研究

应用高频测力天平技术,分别对有附属结构和无附属结构的三边形桅杆杆身进行了均匀流和两种紊流下的风洞试验,得到了桅杆的平均风力系数、均方根力系数和顺风向、横风向及扭转向风荷载谱.分析了雷诺数、紊流度、风向角、附属结构等对风荷载系数的影响,对比了试验体型系数和不同国家规范关于桅杆及其附属结构体型系数的规定.谱分析结果表明,顺风向风荷载谱和脉动风速谱的基本特征相同,横风向、扭转向风荷载谱主要由低频部分的紊流激励谱和高频部分的旋涡脱落激励谱组成,无附属结构模型旋涡脱落谱有一个峰,峰值折减频率在1.8左右,带附属结构模型在90°风向角下出现两个明显的旋涡脱落谱峰,峰值折减频率分别在0.9和2.2左右,探讨了格构式塔架旋涡脱落谱的特性以及附属结构对其的影响机理.     

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.     

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.     

风向对某超高层建筑等效静风荷载的影响

风向和平均风速联合分布是风荷载的基本特征之一,本文研究风向对某超高层建筑等效风荷载的影响,主要包括以下三个部分:(1)获取建筑物所在地区气象站的风向风速气象资料,并统计得到各个风向上的设计风速;(2)对某超高层建筑进行36个风向角下的刚性模型同步测压风洞试验,试验中模拟了周围建筑对超高层建筑的干扰作用;(3)结合各个风向上的设计风速,基于风洞试验结果,用随机风振理论计算超高层建筑的等效风荷载.本文得到的结论为超高层建筑设计提供参考.     

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.     

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.     

格构式塔架顺风向脉动风荷载空间相关性研究

为了研究格构式塔架顺风向脉动风荷载的空间相关性,选取2段典型的格构式塔架节段模型,采用2个高频测力天平同步测力风洞试验技术,得到了不同水平距离和竖向距离情况下的模型基底剪力和弯矩的风荷载时程.在此基础上,通过数据处理分析,得到了各工况下塔架的顺风向风荷载相干函数.试验结果显示:格构式塔架顺风向风荷载相干函数与频率,水平距离和竖向距离等参数有关;结构顺风向风荷载相干函数与顺风向风速以及高层建筑等结构的风荷载相干函数存在一定差别.最后,采用最小二乘法,拟合得到了格构式塔架顺风向风荷载相干函数经验公式,试验结果与经验公式吻合较好,可为格构式塔架风荷载及风致响应计算提供有用的参考.     

某拟建838m高楼多自由度气弹模型风洞试验研究

为了考察某拟建超高层建筑(总高838m)在设计风速下的风致响应,对该大厦进行了多自由度气弹模型风洞试验.模型自振特性测试表明,该气弹模型各横截面对两个正交的水平主轴对称,每个轴向1阶和2阶频率误差分别在1%和28%以内,1阶阻尼比约为2%,平动振型与实际结构有限元模型计算结果较为一致.分析不同风速和风向角下风致响应发现,该大厦顶部在100年重现期设计风速下最大动态侧移为0.89m,且动态位移本身并未使结构顶部位移超标,而10年,50年和100年重现期下风致加速度响应超过规范阈值幅度分别为16%,23%和29%.另外,该大厦横风向涡振使得临界风速附近横风向风致响应明显偏大,如果假定风荷载谱为白噪声,则横风向1阶气动阻尼比对总响应的贡献达37%.若欲保证该建筑在百年一遇风速下加速度在允许范围内,则须使其结构阻尼比在2.9%以上.     

大跨度平屋面结构的气动抗风措施及其机理分析

通过综合一些典型大跨度平屋面结构的风洞试验结果,分析了这种结构风敏感方向的风压分布特征及其产生机理.用频域相干分析法间接地证实了锥形涡的存在,并指出它是造成此类结构角区附近负压显著偏大的主要原因.针对此类结构的风压分布特征,提出了气动抗风措施.试验结果显示它可以干扰锥形涡的形成,大大削减风敏感部位的风荷载值,使平均局部体型系数降低约50%.     

基于实测的脉动风随机幅值谱模型

风荷载建模问题是结构抗风设计和安全评估的关键,已有规范给出的脉动风功率谱密度函数很难全面反应原始随机过程的概率信息,为此,根据量纲分析给出脉动风幅值谱的一般化表达形式,并结合某桥的实测风速数据的谱估计,给出Davenport形式的随机幅值谱模型,并采用PSO(partical swarm optimization)算法估计该模型的参数,最后给出该模型的3种具体使用方式.与实测风幅值谱的统计特性进行对比,表明提出的随机脉动风幅值谱模型能真实描述当地风场概率统计特性,可以提高该桥所在地区风荷载的建模精度.     

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.     

方形截面超高层建筑全风向气动阻尼的试验研究

超高层建筑质量小、阻尼低,极易在设计风速下产生明显的气动弹性效应,出现明显的气动阻尼.考虑一阶线性弯曲模态,制作了方形截面超高层建筑的单自由度气动弹性模型,高宽比8∶1,模型比例1∶600,进行风洞试验测量了各风速下建筑顶部的加速度响应,采用随机减量方法对全风向下方形截面超高层建筑的气动阻尼进行识别.其中,顺风向和横风向的气动阻尼结果与文献结果趋势吻合良好.研究结果表明:当风向角在84°~90°范围内时(90°为横风向),气动阻尼特性与横风向结果趋势一致;当风向角在0°~12°范围内时(0°为顺风向),气动阻尼特性与顺风向结果趋势一致;在某些特定的风向角下(例如16.5°),临界风速降低,气动负阻尼的起始风速也降低.     

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.     

高层建筑背景静力等效风荷载分布

根据典型高层建筑模型的风洞试验结果,得到了脉动风荷载在高层建筑顺、横风向沿高度的分布规律及其相关性,对有关文献中多种背景静力等效风荷载分布规律表述方法的精确性进行验证;根据对比结果,拟合出具有不同几何参数的高层建筑背景静力等效风荷载在顺、横风向沿高度的分布规律公式,并验证.结果表明,所给出的典型高层建筑背景静力等效风荷载的分布公式精度高,简单适用,对修订高层建筑风荷载规范具有参考价值.     

降低超高层建筑横风向响应的气动措施研究进展

随着科学技术的进步,现代超高层建筑向高柔方向发展,其横风向荷载和响应问题越来越显著,成为结构设计中必须重点关注的问题.降低超高层建筑横风向荷载和响应的措施主要有空气动力学措施(简称气动措施)、结构措施以及外设阻尼器措施三种,其中气动措施的机制是通过设计合适的建筑外型(或适当的局部修正)使其满足抗风要求.对超高层建筑抗风气动措施的研究成果进行了总结,这些措施主要有:选择气动性能好的基本截面形状,横截面角部处理、横截面沿高度变化、立面开洞等.同时,还指出目前研究和工程应用中需要注意的问题,以及对今后研究提出建议.     

表面粗糙度对超高层建筑风荷载与风振响应的影响

为了研究表面粗糙度对高层建筑风荷载与风振响应的影响,选取粗糙条、砂纸两种改变模型表面粗糙度的方法,进行方形建筑刚性模型同步测压风洞试验,获得不同粗糙度工况下模型的表面风压分布特征,在此基础上分析了其气动力系数、气动力功率谱和风振响应.研究表明:高层建筑的表面风荷载与粗糙条的间距、厚度有一定的关系,在突出系数小于0.4%时,影响不明显;砂纸可明显减小中间层迎风面的平均风压、侧风面和背风面的平均风压绝对值,以及脉动风压,但会增大顶部迎风面的平均风压和负压区的平均风压绝对值(影响率均在25%以内);表面粗糙度对顺风向气动力功率谱的影响较小,但会使横风向漩涡脱落的周期略降低(5%以内),涡激力减小.建筑物表面的局部突出在一定范围内可略减小建筑风荷载和风振响应,建筑物表面的粗糙化处理总体上有利于结构抗风.     

基于风振舒适度的高层建筑生命周期费用模型

根据感知结构在风荷载作用下振动的人数所占比例将超高层建筑舒适度性能水平划分为五个等级,并以结构水平振动加速度作为控制指标,建立了超高层建筑舒适度性能的评价方法。通过虚拟激励法进行频域分析求得结构在随机风荷载作用下的响应特性,获得一次强风作用下结构各性能水平的可靠度;考虑工程场地可能出现的风荷载水平得到建筑生命周期内各舒适度性能水平的可靠度;同时根据 “投资-收益”准则建立基于舒适度性能的超高层建筑生命周期费用模型;该模型可以考虑不同设计方案下的生命周期费用,并可依据生命周期费用最小原则进行投资决策,是基于性能的抗风设计的具体应用。利用该方法对某超高层建筑进行了调频质量阻尼器(TMD)安装与否进行了投资决策,说明了本方法的适用性。