关键词： 风敏感结构   气动抗风措施   风荷载特性   风洞试验   数值模拟  

摘要： 风敏感结构是指具有质量轻、柔性大、阻尼小、自振频率低等特点的一类特殊结构,包括超高层建筑、大跨度悬挑屋盖及大跨度桥梁等,风荷载是其结构设计主要控制性荷载。减小风敏感结构的风荷载及其风致效应一直是结构风工程研究的核心问题之一。根据空气动力学基本原理,作用于建筑表面的风荷载与建筑物外形密切相关,调整建筑物外形或周边环境、设置导流装置等气动抗风措施是提高风敏感结构抗风性能最为经济的方式。 本文以典型风敏感结构(超高层建筑、大跨度悬挑屋盖及大跨度桥梁)为研究对象,采用风洞试验与数值模拟相结合的方法对其风荷载特性进行研究,并在此基础上,通过改变外形或周边环境、设置导流装置等多种途径,对风敏感结构的气动抗风措施进行了研究,用于提高该类结构的抗风性能。具体内容如下： (1)超高层建筑：将超高层外形截面设置为沿高度逐渐减小的锥形是一种有效的气动抗风措施。本文采用风洞试验的方法,从频域的角度确定了锥率对超高层建筑风荷载特性的影响；根据试验结果,采用最小二乘拟合方法得到了超高层建筑层风力数学模型,与其它经验模型相比,本文提出的层风力数学模型更适合于设置一定锥率的超高层建筑。 (2)大跨度悬挑屋盖：以典型大跨度悬挑屋盖为研究对象,采用风洞试验与数值模拟相结合的方法,对该类结构的风荷载分布特性进行了分析；试验与数值分析结果表明,本文所建立的数值模型可以较好模拟复杂大跨屋盖绕流问题；通过本文建立的数值模型,从气动抗风的角度研究了屋盖倾角、附属建筑物对屋盖表面风压的影响。 (3)大跨度桥梁：以典型大跨度独塔自锚式悬索桥为研究对象,建立了主梁节断模型的二维绕流数值模型,并通过与已有实验数据对比,验证了本文所建立模型的有效性；根据本文建立的数值模型研究了主梁三分力特性,从气动抗风的角度研究了稳定板和导流板对主梁三分力的影响。

关键词： 湍流模型   计算风工程   风洞试验   涡激振动   数值模拟  

摘要： 近二十年来,超高、大跨度和轻质建筑物中,结构对风作用的敏感性大大增强,风荷载成为此类建筑物控制设计的主要荷载之一。如何计算风对建筑物的作用已成为理论与工程界关注的热点问题。伴随着计算机软硬件技术的迅速提升,数值模拟技术以其显著的优势和展现出的良好前景在结构风工程领域的研究中引起了越来越多的关注,并承担起越来越重要的角色。由于现代建筑体型日趋复杂,各国荷载规范所能提供的风载体型系数及风振情况又十分有限,国内外一般都通过风洞试验的方法来确定体型系数及其风振情况。本文依托FLUENT软件平台,对常州东经线120景观塔工程进行了涡激振动相关方面研究。 本文首先详细阐述了CFD技术及其基础理论,总结出应用计算流体力学软件FLUENT对钝体建筑物绕流风场进行模拟时其计算流域、网格划分、边界条件、湍流模型以及计算参数等的确定原则及方法。 其次,针对该工程做了风洞试验相关研究。风洞试验进行了紊流场和均匀流场两种情况的分析工作,研究作用于建筑物上的风荷载及风致振动特性,为结构设计提供依据。气动弹性模型试验的主要目的是获得风可能引起的涡激振动、抖振、驰振等风致振动,从而对其抗风特性进行全面评价,并得到规范要求的风振系数。 再次,对该塔出现涡激振动现象进行了数值模拟。数值模拟分为二维和三维模型进行模拟。分别用RNG k-ε和LES两种湍流模型进行计算,用软件所得数据推导换算涡激振动频率值。 最后,利用软件所得数据推导换算涡激振动频率数值与风洞试验进行了比较,最后详细分析了计算值与试验值间存在差别的原因。通过具体工程分析表明数值模拟是可靠的,采用计算流体动力学方法进行建筑物涡激振动研究是可行的。

关键词： 超高层建筑   风洞试验   空气动力学措施   风致响应   相干性  

摘要： 随着经济建设的发展和科学技术的进步,国际发达城市超高层建筑迅猛发展,超高层建筑的高柔,轻质,低阻尼等特点,使得其风致响应成为了结构设计的控制性问题。采用空气动力学措施和阻尼器措施通常是超高层建筑抗风控制的两大类方法,在我国由于超限审查等原因,加阻尼器的方法往往难以直接应用于具体的工程实践当中,故空气动力学措施愈显重要。 本文首先采用同步测压试验,深入探究超高层建筑三种气动措施对改变结构风荷载特性和降低风致响应的抗风效果,三种气动措施包括:截面收缩、横截面切角和局部开设通风走廊;然后采用高频底座力天平试验,将局部开设通风走廊的方法应用于广州西塔和天津高银117大楼两实际建筑以探究其抗风效果。主要结论如下: 1.在本试验中,正方形截面存在主、次两个漩涡脱落,且基本排除由于建筑高度所致,主漩涡脱落对应于传统正方形截面的漩涡脱落,次漩涡脱落的频率更低,能量更小。 2.随着截面收缩(锥率增加),结构主漩涡脱落能量降低,主漩涡脱落折算频率附近的层间相干性降低,而主漩涡脱落频率增大,从而结构气动荷载功率谱的主漩涡脱落峰值右移,使得收缩后的结构在主漩涡脱落频率附近的基底气动弯矩功率谱密度反而比收缩前大,当计算结构基底弯矩和顶部加速度响应时,如果结构固有频率的取值正好处于收缩后结构的主漩涡脱落频率附近,收缩后结构的响应将比收缩前大。 3.横截面切角处理削弱了结构主漩涡脱落,并降低了主漩涡脱落频率附近的相干性,采用切角处理的结构在较宽的周期变化范围内均显示出较好的气动性能,尤其当结构固有频率靠近主漩涡脱落频率时效果更为显著。 4.在不同楼层的角区进行局部开洞形成的通风走廊可使得结构基底弯矩功率谱在全频段内都有不同程度的降低,在结构主漩涡脱落频率附近降低幅度最大。对于正棱柱体和截面收缩结构,当计算频率靠近主漩涡脱落频率时气动效果最好,而对于横截面切角结构,由于结构主漩涡脱落被削弱,气动效果相对比前两者要差一些。综合比较,通风走廊设置于结构中部为最佳,其次分别为结构上部、下部。 5.由于在50～100年重现期风速时广州西塔的漩涡脱落频率与结构固有频率非常靠近,因此在广州西塔的避难与设备层开设通风走廊能够取得非常不错的气动效果;天津高银117大楼由于采用截面收缩且四周切角的建筑外形,开设通风走廊的气动效果较西塔要差一些。这一结果进一步印证了以上第4点结论。

关键词： 轻型钢结构   设计   抗风柱  

摘要： 随着我国社会经济的快速发展,在一些工业和民用建筑中轻型钢结构的应用,深爱人们的青睐.钢结构行业以其质量好、造价低、自重轻、施工周期短、可再利用、利润丰厚等六大优势,吸引了一大批企业进入该行业.近几年来,随着我国改革开放政策的实行和推进,我国的经济建设工作取得了突飞猛进的进展.本文对轻型钢结构设计方面进行了相关的研究与论述.

关键词： 计算风工程   多块结构网格   非匹配   风场   大涡模拟  

摘要： 计算风工程中对风场进行大涡模拟是从流体角度诠释风压产生、发展、分布的数值方法.风场需分割为多个子块,并根据风活跃程度分别指定不同的网格密度,在各块界面上网格非一一匹配.本文针对三维子块,提出了一种搜集非匹配信息的算法,用以计算子块间的风流体通量.根据结构网格规律性,将公共界面上两个子块的网格线合并为一套网格,从而将公共界面划分为小面,形成联接信息进行全场联立求解.典型算例表明可在节省计算资源的同时保证精确性,同时实现网格密度平滑过渡,为大跨度结构风场模拟解决了一个基础问题.

关键词： 超高层建筑   风荷载   风致振动   风洞试验   气动抗风措施  

摘要： 深圳京基金融中心高439m,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。采用高频底座力天平方法对该建筑模型进行了风洞试验,考察了利用其顶部设备和避难层进行开敞形成不同的风走廊（气动措施）对结构风荷载和风致响应的影响。试验结果表明：在重现期100a敏感风向作用下结构漩涡脱落频率明显低于结构基阶固有频率;气动措施可显著抑制和削弱脱落漩涡的强度,当没有受到明显干扰影响时,气动措施显示出良好的抗风效果。不同气动措施可使重现期100a结构基底弯矩减少8.2%~21.2%,使重现期10a峰值加速度减少5.3%~16.0%;受到来自于地王大厦的干扰效应的影响,在所关注重现期风速范围内的结构风振响应为上游地王大厦的尾流所控制,影响了气动措施的控制效果,但在发生涡激共振的临界风速时气动控制措施效果显著。

关键词： 大跨度拱桥   颤振稳定性   涡激振动   抖振响应   抗风措施  

摘要： 文章以大宁河特大桥为工程依托,建立了空间有限元模型,对该桥的颤振稳定特性、涡激振动和抖振响应进行分析与计算,得到该桥的颤振临界风速、涡振锁定风速、涡激共振振幅以及抖振位移。结果表明,拱桥成桥后刚度较大,抗风设计通常满足要求;施工中,通过制定具体的抗风措施,如设置抗风缆,能够保证抗风安全。

关键词： k-ε湍流模型   计算风工程   壁面函数   大气边界层  

摘要： 以同济大学TJ-2风洞模拟的缩尺比为1:300的B类风场为来流边界条件,通过调整湍流模型常数和物理粗糙高度,详细讨论了基于标准k-ε湍流模型的大气边界层的数值模拟方法。作为数值模拟方法的应用,结合作者提出的修正的壁面函数,基于标准k-ε湍流模型、MMKk-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型,给出了B类和D类数值风场。数值模拟结果表明:对于粗糙度比较小的风场,现有的标准壁面函数可以实现大气边界层的模拟;而对于粗糙度比较大的风场,采用修正的壁面函数可以获得更好的结果。数值风场基本满足现行的建筑结构荷载规范关于平均风速和湍流强度的规定。

关键词： computational wind engineering   finite element method   mesh adaptation   high-rise building   low-rise building   boundary layer wind tunnel  

摘要： This paper addresses the critical issue of the accuracy of CFD predictions for wind engineering. Flows around the Silsoe Cube, a high-rise building (the Jin Mao Tower), and a low-rise large-span building (the Pudong International Airport) are computed with the Navier Stokes solver FENSAP and compared with measurements. Computations are carried out for two wind directions, by solving the steady-state ensemble-averaged Navier Stokes equations with the Spalart Allmaras one-equation turbulence model. Pressure coefficients compare well with wind tunnel experiments and the accuracy of the flow solutions is further improved via an automatic mesh adaptation that dynamically places grid points where the flow physics require them, while keeping the number of unknowns and solution time substantially at the same level. Copyright (C) 2009 John Wiley & Sons, Ltd.