偏心超高层建筑的风振研究

基于结构随机振动理论,考虑了结构振型耦合以及风力相关性的影响,推导了偏心超高层建筑弯扭耦合风振计算公式.利用风洞试验获得的脉动风力数据计算了矩形截面偏心结构的风振响应,从舒适性角度研究偏心位置和截面厚宽比对结构风致振动加速度的影响.研究结果表明,当建筑短边迎风且刚心和质心在顺风向偏离时,风振响应显著增大.     

邻近建筑对超高层建筑风振响应的干扰效应

在同济大学TJ-2边界层风洞中进行了上海环球金融中心气动弹性模型的风洞试验,分析了距离较远且高度约为环球金融中心一半的周边建筑以及距离较近且高度与环球金融中心相当的金茂大厦对环球金融中心顶部平动和转动平均位移、均方根位移和绝对最大加速度的干扰效应.结果表明:当高层密集建筑群(不考虑金茂大厦)集中在上游或上游偏一侧时,会对平均值和均方根有一定的影响,特别是扭转响应,当高层密集建筑群集中在下游时,影响很小;当金茂大厦位于环球金融中心的上游或上游稍偏一侧时,会减小环球金融中心的平动平均位移响应,表现为挡风效应,其尾流会增大环球金融中心的平动均方根位移响应,而当遮挡效应使得平均或脉动压力在形心轴两侧分布不均时会增大转动平均或均方根位移响应.与以往研究不同的是,当金茂大厦位于环球金融中心下游或下游偏一侧时,会改变环球金融中心的漩涡脱落频率,当漩涡脱落频率和结构第一阶固有频率接近时,会在该频率振动方向产生显著的涡激共振现象.当金茂大厦位于环球金融中心一侧时会产生狭道效应(穿堂风),可能会对水平和扭转的平均和均方根位移响应产生影响,视狭道方位和压力分布状况而定.     

超高层建筑施工塔吊的动力特性和地震响应规律研究

由于施工塔吊的广泛性和周转使用期限为20年甚至更长,致险地震发生概率也会相应增加。为了研究超高层建筑施工塔吊抗震性能,通过对某实际工程中的动臂式塔吊进行了现场监测并获取其实测自振频率,同时以此为依据对塔吊有限元模型进行有效修正。在此基础上,为了探究超高层建筑在施工过程中塔吊的地震响应规律,分析地震作用下超高层建筑与塔吊的耦合效应,结果表明,超高层建筑—塔吊模型存在多个共振区域,滤波后的时程分析进一步验证该结论。在超高层建筑施工过程中,塔吊爬升过程中有两次地震响应放大现象,需要重视其抗震性能的动态变化。探讨塔吊的动力特性随施工过程的动态发展规律和破坏效应,发现塔吊的应力热区集中在塔身的顶部和起重臂根部,在大震下易出现相应位置的弯折破坏。     

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.     

多TMD控制下超高层建筑风振响应的快速算法及其应用

基于谐波激励法,提出一种适合大型复杂结构多调谐质量阻尼器(MTMD)风振控制的快速算法,该算法可根据刚性模型风洞试验获取的风荷载时程数据计算结构在MTMD作用下的风致响应.以高度为439 m的深圳京基金融中心(KFT)的风振控制为例,计算了单调谐质量阻尼器(STMD)作用下的结构风致响应,分析了STMD固有频率、阻尼比及质量等参数对结构风致响应的影响,进而对不同形式MTMD的结果进行对比分析.研究表明:采用快速算法进行风振控制计算是正确有效的;安装在顶层的STMD可有效控制KFT的风振响应;在TMD总质量相同的条件下,采用MTMD较STMD对结构的控制效果有所减弱,但MTMD方式仍可使结构顶部的峰值加速度响应降低约30%.     

超高层建筑通用气动弹性模型设计

设计制作了一外形和动力特性在一定范围内可调的超高层建筑多自由度气动弹性模型,通过调节结构,它可模拟不同外形、刚度、质量、振型等参数的超高层建筑,对此模型进行了一系列的风洞试验,并将其试验结果与高频测力天平试验结果进行了详细比较,得到了满意的结果,此通用模型,可用于其它超高层建筑的抗风研究。     

典型塔式起重机塔架结构风致动力响应与疲劳分析

将谐波叠加法与自回归法相结合,构建了新型风时程混合模拟方法,数值模拟三维风速时程,并转为风荷载时程;针对典型塔式起重机塔式结构,建立参数化力学模型.基于Newmark-β方法进行结构风致动力响应分析.基于结构关键点的应力-时间历程并引入S-N曲线法,分析塔架结构的疲劳损伤效应.研究发现,塔架结构节点的风致位移响应、速度响应和加速度响应均较稳定且风致位移响应具有周期性特征,塔臂两端部和塔顶的风致位移和疲劳损伤较大.研究成果可为此类塔架结构的抗风设计提供技术支撑.     

超高层建筑风压的频域特性

对10个典型的超高层建筑模型进行了细致的风洞试验，对模型表面的脉动风压系数的功率谱、水平相关系数和竖向相关系数、水平和竖向相干函数进行了细致分析，讨论了风场对脉动风压频域特性的影响．迎风面脉动风压的主频接近来流脉动风速主频；而侧面脉动风压的能量主要集中在漩涡脱落频率处．脉动风压的水平和竖向相干性均高于风速的相干性．     

平面张弦梁结构风致响应的频域分析

采用频域分析法对一工程实例平面张弦梁结构进行了风致响应分析,并重点讨论了直接影响计算结果的一些主要参数,包括参与组合的振型数量、振型耦合项的取舍、相关函数的选择和结构阻尼比．研究表明．组合振型数在10阶以内取值时,计算结果的差异很大,大于10阶取值时,差异很小,并且当大于20阶时,这种差异微平其微,故组合振型数应取10阶到20阶之间为宜;振型耦合项的取舍对结构两端部的影响较小,对跨中部位的影响较大,最大差异达到14．3％;采用与频率有关的相干函数比无关的相干函数计算得到的结果偏大,最大差异可达224％;采用不同的阻尼比所造成的计算结果的差异很小,仅在4％以内;此外,频域法与时域法相比,计算结果偏大．     

近地边界层脉动风数值模拟

在研究以往脉动风时程模拟方法的基础上,采用非均匀圆频率间隔的方法,改进以往谐波合成法模拟的周期性缺点.改进前后2种方法的对比表明,在时程曲线方面,原有方法显示的明显周期在改进方法中已经较难发现;在自功率谱方面,改进方法以较小的波动更加贴合目标曲线,提高了模拟精度.对改进方法与实测数据在功率谱、方差和湍流强度等相关参数方面进行了比较,相差均较小.这说明了该改进数值模拟方法的可行性和有效性.     

超高层建筑风致振动的背景与共振响应相关性

国内外风工程界在超高层建筑结构的风振分析中习惯把风振响应分为背景和共振2部分,再通过平方和开方法计算结构总的响应,这种处理方法忽略了背景与共振分量的相关性,从而有可能导致风振响应的计算结果产生误差.文章以530 m高的广州东塔为例,进行高频底座天平测力风洞试验,采用近似算法与精确算法分别计算其风振响应,对背景响应和共振响应的相关性进行分析,并采用相关性系数来定量表达2者的相关性.结果表明,对于本案例,多数风向角下2者的相关系数大致在-10%~10%之间变化,但在结构响应峰值处其相关系数往往较大,最高可达-86%.忽略背景响应与共振响应的相关性在部分情况下会导致响应被低估,而在有时则会导致响应被高估.因此,建议直接采用精确算法计算超高层建筑的风振响应.     

不同外立面超高层建筑窗口羽流火焰数值模拟研究

目的 研究室内外温差对不同外立面超高层建筑窗口羽流火焰的影响以及火焰温度的变化规律.方法 对无侧墙、L型、凹型外立面超高层建筑模型在室内外温差为45℃条件下,采用火灾动态仿真模拟软件PyroSim进行数值模拟,通过对不同工况下窗口温度分布等温线和温度曲线进行分析,并引入危险温度540℃.结果 超高层建筑竖向连续两窗口至...     

脉动风作用下塔架结构的风振响应分析

 简述了应用线性滤波法中的自回归模型(AR)模拟出给定风速功率谱的风速时程序列,并验证其与目标谱(Davenport谱)的一致性,再通过规范公式推导脉动风载与风速之间的关系,从而得到作用在各节点的脉动风荷载时程样本。以某42m高的通信塔架为原型进行了模拟计算分析,用有限元分析软件ANSYS建立其有限元模型,并用Matlab获取了塔架迎风面各节点上的风荷载时程信号作为动力输入。利用ANSYS对结构进行了模态分析,结果显示结构的前几阶振动均是平面振动,第3阶振动开始出现扭转模态和局部振动模态;同时,基于ANSYS时程分析方法计算了结构在脉动风载作用下的风振响应。结果表明,在仅考虑脉动风作用的情况下,本塔架结构顶部的水平位移低于规范规定的位移限值,但塔架截面变化拐点处的弦杆在风载作用过程中会产生较大应力,在塔架设计中予以注意。     

300m级超高层建筑表面风压的数值模拟

以位于广州珠江新城CBD核心区的303m高利通广场超高层建筑为对象,基于Fluent平台模拟结构表面的风压分布,对比了不同湍流模型下的计算结果,并与刚性模型测压风洞试验结果进行了比对．研究结果表明,采用本研究的参数设置和求解方法可以得到与经典文献相同的风压分布规律;观察到了流场中气流分离、再附和尾涡等现象;模拟结果与风洞试验结果具有一致的趋势,最大模拟误差小于25％,位于尾流区的背风面和侧面;Realizable k-ε模型在气流分离区可以得到与风洞试验更加接近的结果．     

风作用下凹型超高层建筑窗口羽流火焰数值模拟分析

目的 研究在风作用下凹型超高层建筑窗口羽流火焰融合高度及窗口处火焰温度变化规律.方法 对无风、水平风向、竖直风向,风速为2 m/s、6 m/s条件下的凹型超高层建筑火灾模型采用火灾动态仿真模拟软件PyroSim进行数值模拟,分析窗口温度分布等温线及温度曲线,并引入危险温度540℃.结果 在不同风速条件下,连续纵向三窗口...     

大型风力机塔架在脉动风下的动力响应特性研究

采用Kaimal脉动风功率谱,考虑脉动风的空间相关性,采用AR模型模拟风电场脉动风速时程,并验证脉动风速谱与目标谱的一致性;通过有限元方法计算风力机塔架结构在风载荷作用下的动力响应特性。计算结果表明:AR模型对实际风场风速进行有效模拟,考虑脉动风的影响,塔架的风振响应显著增加;随着风速的增加,塔架的振动也随之增加,这为风力机塔架的风致响应分析和抗风研究提供了实用方法。     

天然气管道悬索跨越结构风致响应研究

针对天然气管道悬索跨越结构的风致响应问题,以普光悬索跨越为例采用等效风荷载方法进行风致响应分析以及结构安全性评价。研究结果表明:抗风索迎风面的应力要远大于背风面的抗风索的应力,两个端点处的应力最大,跨中处的应力值最小。主索主要提供竖向刚度,桥身桁架和抗风索主要提供横桥向的刚度。主索、抗风索和主塔的内力组合的最大值接近于主索和风索的最大允许应力,而桥身桁架和吊索的最大应力值远远小于其最大允许应力,桥身桁架中弦杆的应力大于腹杆。建议进行此类跨越结构设计时在满足结构设计要求下尽可能增大主索和抗风索截面并减小桥身桁架中腹杆截面。     

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.     

任意六面体网格系统的建筑风致干扰数值模拟

采用任意六面体同位网格系统对控制方程进行离散,显式修正了网格非正交性和两相邻网格的错位,构建了与网格系统相适应的SIMPLE算法,并编制通用的建筑间风致干扰的数值模拟程序WSB.应用WSB和任意六面体同位网格系统,对中国沿海地区典型的低层双坡建筑物与上风不同体型建筑物之间的风致干扰进行数值模拟和分析.结果表明:任意六面体同位网格系统的生成、控制方程的离散、SIMPLE算法的实现以及程序WSB正确且有效;上风建筑对抗风起着积极的作用;上风建筑及其体型的不同对低层双坡屋面建筑坡面风压大小和分布形态影响显著.     

柳树风致响应的实测分析与预测

为探究在不同时距和不同风速条件下树干各个高度的风致加速度响应的分布规律,对单棵柳树的树前风场及其树干加速度响应进行了现场实测.结果表明:树前顺风向脉动风速与风致树干加速度响应的概率分布特性有显著区别,树前顺风向脉动风速近似高斯分布,树干顺风向加速度响应的概率分布为明显的尖峰非高斯概率分布;柳树的风致响应为一个强迫振动的过程;采用广义Pareto极值算法计算其极值加速度响应,当时距为180 s时树前平均风速与树干顺风向极值加速度响应的相关性最高;对树前不同平均风速下树干不同高度的极值加速度响应进行拟合分析与预测,发现其树干顺风向极值加速度与树前平均风速呈二次非线性关系.关于柳树的风致响应规律特性的探究,对于研究树木抗风具有重要的意义.