考虑地形效应的大型电视塔等效静风荷载分析

以在建的位于南京秀山顶部某大型电视塔工程为背景,考虑山顶地形三维效应的影响,对其进行了周边地形风洞试验和高频天平测力(HFFB)试验.基于改进的等效静风荷载(ESWLs)组合方法,对不同风向角、荷载工况和等效目标下该电视塔的基底内力和各层ESWLs进行了研究.在此基础上,进一步探讨了山顶地形、阻尼比和等效目标对此类电视塔结构风力分布特性的影响规律,并推荐了5种典型的最不利荷载组合工况下的各层ESWLs.结果表明:山地效应对于此类电视塔结构风力分布的影响显著;各层ESWLs沿高度分布规律受风向角、阻尼比以及等效目标的影响较弱;等效目标和阻尼比对主体结构的各层ESWLs数值大小影响明显,但对桅杆部分的影响则较弱.     

起伏地形下复杂形体大跨网格结构风压与等效静风荷载数值模拟

以大跨空间建筑结构实际工程为对象,数值模拟分析复杂形体大跨网格结构在起伏地形下的风压分布、风载体型系数和等效静风荷载.运用Fluent软件计算不同风向角下的结构风载体型系数,发现风向角对结构风载体型系数影响较大.基于谐波叠加法模拟生成风速时程并转化为风压时程,采用ANSYS软件建立结构有限元模型,施加模拟所得的风压时程和风载体型系数,分析结构风致动力效应.定义风振动力放大因子以考虑共振响应的影响,并将其与特定时刻的瞬时风压分布相结合以形成结构的等效静风荷载.数值计算分析了基于基底竖向反力最小值的等效静风荷载及其分布.     

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.     

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.     

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载研究与参数分析

等效静风荷载是描述大跨空间结构动力风荷载的有效方式。运用Ansys软件进行结构风致响应时程分析,进而研究大跨双坡屋盖结构等效静风荷载。针对风向角、屋面坡度、结构高度和跨度等参数,系统性开展双坡屋盖结构的等效静风荷载的参数分析,为工程设计提供参考依据。研究表明,在0°风向角下屋盖结构等效静风荷载值最大;随着风向角增大,结构的等效静风荷载减小;随着结构高度和跨度的增加,结构等效静风荷载增大,且其分布发生变化;屋面坡度对于结构等效静风荷载的影响较为复杂,适当增大屋面坡度对结构抗风有利。     

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载参数分析

等效静风荷载是描述大跨空间结构动力风荷载的有效方式。运用Ansys软件进行结构风致响应时程分析,进而研究大跨双坡屋盖结构等效静风荷载。针对风向角、屋面坡度、结构高度和跨度等参数,系统性开展双坡屋盖结构的等效静风荷载的参数分析,为工程设计提供参考依据。研究表明,在0°风向角下,屋盖结构等效静风荷载值最大;随着风向角增大,结构的等效静风荷载减小;随着结构高度和跨度的增加,结构等效静风荷载增大,且其分布发生变化;屋面坡度对于结构等效静风荷载的影响较为复杂,适当增大屋面坡度对结构抗风有利。     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

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。     

基于风洞试验的大跨航站楼屋盖风振响应分析

大跨屋盖结构对风荷载十分敏感,但尚无统一的规范计算方法。因此,对某机场航站楼进行了刚性模型测压风洞试验,得到大跨航站楼屋盖表面的平均、脉动风压系数。对其分布特性进行了研究,并讨论了周边建筑对结构表面风压分布的影响。对屋盖进行了风振响应时程分析,得到了脉动风荷载作用下此类大跨度屋盖在各个风向角的响应规律。结果表明,屋盖各区域的最不利风向角是各自的迎风角度;上游周边建筑对屋盖有遮挡效应,会减小屋盖表面的平均风压;屋盖开洞周边的风振响应较大;为该类结构抗风设计提供了参考。     

伞形膜结构风压和风振模拟与分析

针对工程常见的八角伞形膜结构,基于ADINA软件开展结构表面风压和结构风振响应的数值模拟,分析结构风致位移响应、速度响应、加速度响应、等效应力等关键风效应,研究膜结构的矢跨比、风向角、膜初始预张力、膜帽处开敞与封闭情形等关键参数对表面风压和结构风振的影响规律,揭示了此类膜结构风振规律和结构风压系数.研究成果可为此类结构的抗风设计计算提供参考.     

7500吨浮式起重机风载荷特性分析

采用1∶200的几何缩尺比制作模型,高频动态天平测力技术,按0~180°范围内不同风向角、3种不同臂架幅度及两种风场地貌确定了78种试验工况,完成了7 500吨浮式起重机基底响应的风洞试验.对基底响应试验数据无量纲化后,分别从风向角、臂架幅度及风场地貌3个方面各自对风载荷特性的影响进行了全面研究分析.结果表明:1)等轴侧方向(135°风向角)浮吊的实际风载荷达到最大,如果只沿主轴方向(90°风向角)进行结构或整机风载荷稳定性校验,则可能漏掉整机实际最大风载荷;2)不同臂架幅度下结构迎风面积不同,将导致基底响应不同;3)开阔海域的A类地貌和近岸海域的B类地貌下基底响应的差异不显著.     

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.     

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。     

Y形平面高层建筑风荷载研究

介绍了Y形平面高层建筑结构刚性模型在均匀流场和紊流场中三种风向角下的三维风荷载风洞试验结果，分析了Y形平面建筑物三维风荷载的数值模型，获得了一些对工程设计有参考意义的数据和结论．     

大跨屋盖风载特性风洞试验研究

对基于缩尺比为1:250某大跨建筑在B类地貌下进行了25个不同风向角下的刚性模型测压试验,分析了屋盖结构表面风荷载特性.试验结果表明:全风向角下,屋盖表面均受风吸力作用且各升力系数随风向角变化趋势一致;来流下游区域屋檐受再附剪切层和尾流的影响,受脉动风压与负压较强;45°风向角下脉动与极值风压系数最大值大于其他风向角,为最不利风向角.     

大跨距仓棚结构表面风压分布特性试验研究

结合某一跨度82m、高度30.8m的实际仓棚工程,通过风洞试验研究了不同风向角、端部敞开或封闭的结构形式以及是否考虑周边建筑及地形等情况下仓棚表面的风荷载分布规律.研究结果表明:斜风作用下仓棚抗风更为不利,端部的敞开或封闭对仓棚结构的风荷载分布有较大影响,端部局部区域存在较为明显的风压增强现象,周边建筑及地形的存在使得仓棚表面风压的分布更为复杂.结合仓棚表面风压分布特点以及结构抗风验算的不利状态,将仓棚表面划分为5个特征区域,并给出了可用于工程抗风设计的分块体型系数建议取值.     

高层建筑底部区域行人风环境试验研究

对单个方形截面高层建筑底部区域12m范围内的行人高度风环境进行试验研究。研究了不同风向角下加速比、平均风速比等参数的分布与变化规律,并以广州为例,利用Lawson风环境评价准则对该区域处于强风下的风环境进行了评价。结果表明各风向角下的最大加速比大致相等,约为1.9,且均出现在建筑背风面角隅位置。平均风速比大于0.75的区域也出现在建筑背风面角隅,此处易引起行人风环境不适。建筑周围12m范围内风环境不适的区域面积在与墙面正交风向时达到最大,应重点关注下洗(Downwash)效应造成行人高度处风速增大的影响;在斜风向20°～70°范围内通风不利的区域面积较大,对空气污染物扩散不利。建筑迎风面和背风面角隅位置出现最大等效阵风风速,应当对建筑角隅区域行人活动加以限制或提醒。     

地域典型强风作用下异型建筑风荷载分布研究

为了更加了解异型建筑表面风荷载分布规律和提高建筑抗风能力,采用计算流体动力学(CFD)方法,结合乌鲁木齐地区风环境特征,以异型建筑新疆大剧院为例,根据英联邦航空咨询研究会(CAARC)高层建筑标准模型的风洞试验和数值模拟对比,选择出最符合流场真实情况的可实现(Realizable)k-ε 湍流模型,研究了不同风向角下异型建筑表面的风荷载分布规律.研究结果表明:在采用Realizable k-ε 湍流模型的数值模拟下,新疆大剧院周围流场符合钝体绕流现象;在45°、90°和135°风向角下,因内外壳截面变化造成了建筑壁面体型系数的复杂分布;根据规范要求提出了新疆大剧院分区风荷载体型系数的建议值,可为类似异型建筑的风荷载取值和抗风设计提供参考.     

基于层内力等效的偏心高层建筑三维等效静力风荷载

对于质心和刚心不重合的偏心高层建筑，由于结构三维振型耦合与气动力耦合等因素的影响，其等效静力风荷载的评估变得十分复杂. 基于振型加速度法，推导了考虑三维气动力耦合和振型交叉项贡献的偏心高层建筑各层拟静力项和惯性力项内力（剪力和弯矩）响应计算方法. 在此基础上，基于各层内力响应等效，建立了能合理反映荷载沿高分布信息的结构三维等效静力风荷载评估方法. 随后，结合3种典型矩形截面高层建筑刚性模型测压风洞试验，分析了荷载相关性、结构偏心率和截面长宽比对偏心结构三维等效静力风荷载的影响. 研究表明：对于偏心截面高层建筑，振型交叉项和荷载相关性对结构风致响应与等效静力风荷载的贡献不可忽视，若忽略两者则会低估偏心高层建筑三维等效静力风荷载，特别是扭转向等效静力风荷载. 此外，偏心率和截面长宽比同样影响偏心高层建筑等效静力风荷载的大小和分布情况. 相关研究可为偏心高层建筑的抗风设计提供一定的指导.     

偏转风场下高层建筑设计风速的风向折减因子

提出了超高层建筑设计风荷载估算过程中考虑风场偏转影响的强风风速风向折减因子修正方法。在风洞中模拟了一个方形截面超高层建筑刚性模型。在偏转风场和无偏风场工况下,根据提出的修正方法计算了北京地区和南京地区高层建筑设计风速的风向折减因子,分析了风场偏转对高层建筑气动力风向折减效应的影响。结果表明,偏转风场会使建筑风压存在偏移现象,最不利风压出现的风向角与无偏风场下不同,而在考虑风向折减效应的风荷载估算方法中,如果忽略风场偏转的影响就可能导致超高层建筑风荷载的低估,使得结构设计偏于危险,提出的修正方法能够有效解决这一问题。