关键词： grassland areas   photovoltaic panels   wind load   wind tunnel test   windproof wall  

摘要： Solar photovoltaic panels are more and more widely used in grassland areas. At present, most of the research directions on wind resistance of photovoltaic panels focus on flat ground and roof environment, while the research on wind load distribution in grassland landform environment is less involved. Therefore, the wind tunnel test was conducted to explore the wind pressure distribution of solar photovoltaic panels under three working conditions that are no shelter, vegetation shelter and wind wall. The results show that although the overall wind pressure distribution pattern of photovoltaic panels is basically the same when the average height of vegetation is 0.45 m, the wind pressure of panels with vegetation is reduced to the maximum of 30.85%. When using a baffle wall, the wind pressure on the surface of photovoltaic panels decreased to 34.6% that is more significantly than that on vegetation. Therefore, the shielding effect of setting up a windwall is obviously better than that of vegetation. At the same time, the interference factor was introduced to analyze the interference effect of the average wind pressure coefficient of photovoltaic panel surface, and the wind pressure distribution data of solar photovoltaic panel under grassland landform was obtained, which provided a theoretical basis for the reasonable design of photovoltaic panel array. © 2023 Science Press. All rights reserved.

关键词： 非平稳强风   谐波叠加法   大涡模拟法   SIMPLEC数值计算   气动措施  

摘要： 大跨度空间结构体量大、构造复杂等特点决定了它容易受到风的影响而发生振动,强风会严重影响大跨度建筑的安全和使用寿命。本文以河南省某一干煤棚大跨度空间双筒网壳结构被超强风吹毁为题,由于没有当时详细的强风数据资料,且双筒网壳建筑周围流场情况复杂,无法对该结构的破坏情况进行深入研究。本文通过模拟得到非平稳强风下该双筒网壳建筑周围流场情况并重现该结构被风吹毁的破坏情况,通过对该结构关键区域内关键节点的风压时程、风荷载时程、风振响应等数据对结构破坏情况进行深入分析。根据建筑周围风场的流动情况,提出通过设置局部开合的气动措施方法来改变建筑周围流场的流动情况,进而改善结构抗风性能,提高结构抗风极限承载力。主要工作有如下5项:(1)本文基于河南当地的基本风压信息、场地类别等参数,参考自然风的模拟方法结合超强风的非平稳特性,使用MATLAB软件结合谐波叠加法并使用快速傅里叶变换法加快模拟得到非平稳脉动风,并使用短时平均法得到时变平均风,将非平稳脉动风与时变平均风相加得到非平稳强风。通过对比空间四点非平稳风速时程、非平稳脉动风速时程、功率谱与目标功率谱吻合情况、相关函数等信息,验证该非平稳强风模拟的准确性及可行性。(2)通过ANSYS ICEM CFD和FLUENT软件对该风洞试验模型及其流场建模并计算,选择LES-大涡模拟法结合亚格子模型进行修正模拟的湍流效应;选择壁面自适应局部涡粘(WALE)模型处理壁面效应;选择棱柱体网格划分边界层并且采用三种网格划分方法(结构化网格、非结构化网格、混合网格),采用SIMPLEC算法来计算流场中的压力和速度耦合,对流项选用二阶迎风格式;时间项离散采用有限二阶隐式格式;压力方程采用二阶精度离散格式的方法计算得到建筑表面风压信息,通过Tecplot 360软件绘制建筑表面风压系数云图与李元齐风洞试验数据和模拟数据云图进行对比分析,验证了本文流场模拟方法和数值计算方法的准确性及可行性。(3)首先,根据本文已经验证准确性及可行性的方法模拟得到102.4s的非平稳强风风速时程、功率谱、相关函数等信息。通过ANSYS ICEM CFD和ANSYS FLUENT软件结合已验证准确可行的风场模拟方法合计算方法,构建结构模型及其流场并计算得到最不利风向角下的非平稳强风对结构的作用情况,得到建筑表面风压时程信息。其次,采用非线性静力分析(Pushover法)使用SAP2000软件分析杆件中塑性铰的情况,并结合该双筒网壳结构建筑表面平均风压、风压极值、脉动风压等信息综合判断该结构中的关键区域。详细分析关键区域中各监测点风压时程信息,并通过风压时程结合已验证正确性的STADS软件计算得到该结构各节点风荷载时程信息。最后,结合结构模态分析下的结构关键振型下的频率得到的结构阻尼系数,通过SAP2000采用Newmark法计算该网壳结构风振响应情况。通过分析关键区域中关键节点的位移时程结合不同瞬时风速下结构的塑性铰发展情况,进而重现该结构被强风破坏的情况。(4)大跨度双筒网壳建筑周围流场相较于单筒网壳建筑更为复杂,需要对其周围流场进行细致分析,为其他类似建筑周围空气流动情况提供依据,且由于该建筑为现实建筑,可能具有特殊性,因此本文对比了该建筑实际模型和理想化模型建筑周围流场及建筑表面风压情况。经过对比分析得出可对该建筑进行普适化处理,该建筑模拟得到的结果同样适用于同类型大跨度双筒网壳建筑。本文参考大跨度屋盖结构和高耸建筑的气动措施设计方案和相关研究,提出对该大跨度双筒网壳在不增加杆件或改变材料类型的前提下,通过设置局部开合的气动措施方法来改善该双筒网壳结构的抗风性能,并根据理想化建筑与现实建筑模型周围流场、建筑表面风压、塑性铰区域、节点风荷载时程、节点位移时程等情况进行综合分析,得出在双筒建筑B的背风面h区域设置气动措施。(5)首先对比分析气动措施建筑与原建筑周围流场情况;其次采用同(3)中方法计算得到设置气动措施前后的气动措施建筑与原建筑的关键区域、关键节点的风压时程数据、风荷载时程数据、位移时程数据,并对这些数据进行对比分析,论证气动措施对建筑的影响;最后通过对比分析结构极限风荷载下气动措施建筑与原建筑的塑性铰类型与分布情况,得到通过设置局部开合结构的气动措施方法能够通过改变建筑周围流场的方式来改善结构的抗风性能,提高结构抗风极限承载力。本文提出了一种基于建筑表面局部开合的气动措施方法,不同于传统增强结构刚度的抗风加固方法,此方法是通过改变建筑周围流场来提高并改善结构抗风性能和结构抗风极限承载力,为其他双筒网壳建筑周围复杂流场的研究提供了依据以及为该类建筑抵御超强风的抗风设计方法提供一种经济化的新思路。

关键词： 太阳能光伏板   斜屋顶   体型系数   抗风措施  

摘要： 风荷载是光伏阵列系统主要承受的外部荷载,光伏板的破坏与振动现象主要由风荷载引起。光伏板上的风荷载受多种因素所控制,本文首先通过风洞试验与数值模拟进行对比,验证了数值模拟的准确性,最后通过大量的数值模拟研究了倾角、风向角、檐口长度、山墙高度、空隙等因素对光伏板风荷载特性的影响。研究结果表明:风洞实验中,屋顶倾角设置为30°,当风向角为0°～90°时,迎风前缘体型系数均为负值,随着风向的转动正压区逐渐减少,负压区随着风向偏移至角区,角区承受向上的风吸力,为危险区域。在0°风向角下,当倾斜度α=5°、10°、15°时,光伏板上的风荷载由气流回流所控制;当倾斜角度α=20°、25°时,光伏板上方存在涡流;当倾斜角度α=30°、40°、55°时,气流基本没有分离,整个板面呈下压力。180°风向角下,气流的回流对光伏板的影响较大,低角度产生的回流对光伏板造成负压,高角度的回流对光伏板造成正压。当风向为顺风风向时,屋顶倾斜角度α小于等于20°,光伏板上表面的体型系数影响,均为负值;屋顶倾斜角度α大于20°,光伏板上表面体型系数均为正值;合并后的整体的体型系数在顺风向均为正值,呈先增大后减小的变化趋势。当风向为逆风风向无论上表面、下表面还是合并后的整体,体型系数均在0附近波动。通过数值模拟与各国设计规范的对比,光伏板承受正压时中国规范参考性更强,当光伏板承受负压时,三个国家的规范相对来说都比较保守,且数值模拟数据中的上、下表面分开对比与规范相比较为接近,但模拟数值整体体型系数与规范相比较小。在0°风向角下,檐口长度为0m时,倾角越大,屋面光伏板体型系数越大;倾角小于30°时,随着檐口长度的增加,体型系数逐渐增大;倾角大于等于30°时,随着檐口长度的增加,体型系数逐渐减小。在180°风向角下,倾角小于30°时,屋面光伏板体型系数多为负值;倾角大于等于30°时,屋面光伏板体型系数多为正值;由于屋脊的遮挡,檐口长度的改变对屋面光伏板所受到的风荷载影响不大。不设置山墙,屋面光伏板的体型系数基本属于最大,增加两侧山墙和周围山墙的设置后,光伏板的体型系数有明显的下降。设置山墙后会明显的减小光伏板所受的风荷载,但在逆风风向下,山墙的存在对光伏板所受风荷载影响不大。山墙越高对光伏板上的风荷载削弱程度越明显。封闭情况下,光伏板与屋面之间没有空隙,气流快速经过光伏板上表面导致压强减小,使得光伏板承受上拔力,在不同风向角下的体型系数都为负值。增加空隙后,气流在空隙中加速通过,导致下表面的风吸力大于上表面的风吸力,使得光伏板承受下压力,空隙ΔS=0.05m时体型系数最大。空隙存在时,屋面上表面和光伏板下表面体型系数等值线图基本一致。因此在数值模拟计算中只在屋面上表面和光伏板下表面设置数据提取点,便可得出整个光伏板的体型系数大致分布规律。图[77]表[17]参[65]

关键词： 基底隔震高层建筑   抗风控制   弹塑性风振响应   风致碰撞   主动控制  

摘要： 基底隔震技术因其良好的减震性能,近年来已逐渐应用于高层建筑。然而,隔震技术使高层建筑自振频率与风荷载卓越频率更加靠近,风敏感性更加突出。我国隔震设计标准要求风荷载作用下的隔震层位移不能超过其屈服位移,即要求隔震层需具有足够大的刚度,但这与设置刚度较低隔震层的抗震设计初衷和抗震需求相矛盾,并可能使隔震层难以通过抗风验算而影响结构设计,尤其对于高风压地区的隔震高层建筑。此时,若允许隔震层在强风作用下产生一定程度屈服,便可利用其增大的滞回阻尼减小风振响应,并能同时协调抗风和抗震对隔震层的刚度需求。其次,在现行弹性抗风设计框架下,(半)主动控制技术可在强风作用期间给隔震建筑施加控制力,也是理想的抗风减振和抗风抗震协调措施之一。目前关于隔震建筑风致弹塑性响应的相关研究,仅分别考虑了顺风向或横风向等单向风荷载作用下结构响应特征,忽略了真实三维风荷载作用以及风向对响应的影响,导致允许隔震层在风荷载作用下屈服时的最不利风向角、不同方向下的响应相关性等抗风关键问题仍不明确。另外,既有研究关注上部结构的风振响应为主,忽略了隔震层屈服后变形增大并与隔震沟边缘限位装置发生碰撞的问题。对于(半)主动控制技术,目前只能采用赋值试算与耗时的数值计算相结合的方法确定控制参数及控制后各风振响应,缺乏成熟理论通过解析方法快速确定相关参数及响应,制约了该技术在实际工程中的推广。针对上述问题,本文以最常见的方形平面基底隔震高层建筑为分析对象,并以协调抗风和抗震对隔震层的刚度需求及减小风振响应为目标,采用理论推导和数值计算相结合的方法,对允许隔震层在风荷载作用下发生屈服、采用(半)主动控制技术的抗风减振问题进行了系统分析,本文主要工作总结如下:(1)基于刚性模型风洞同步测压数据,详细分析了允许隔震层在强风作用下产生一定屈服时基底隔震高层建筑各风振响应在时、频域内的响应特性;通过与对应非隔震建筑的响应对比,明确了真实风荷载作用下隔震层屈服对上部结构各风振响应的减小作用;对比分析了不同结构主轴方向各风振响应的均值、均方根值和峰度等统计量,发现屈服后横风向位移极值小于顺风向,这与传统非隔震方形建筑认识相反;阐明了隔震层屈服后各弹塑性响应极值及彼此间的相关系数随风向角的变化规律,明确了允许隔震层屈服时的最不利风向角仍为0度风向角,揭示了隔震层屈服对各风振响应的影响机理。(2)针对隔震层屈服后其变形增大的问题,建立了隔震建筑与隔震沟边缘限位装置发生碰撞的响应分析模型。详细分析了隔震建筑分别在横风向和顺风向发生碰撞后各响应在时、频域内的响应特性;阐明了碰撞对各风振响应均值、均方根值、峰度、偏度和极值等统计量的影响规律,揭示了碰撞对各风振响应的影响机理;最后,通过参数分析,探究和对比了各限位装置参数对碰撞后风振响应的影响。(3)研究了(半)主动控制技术对基底隔震高层建筑的抗风减振效果,并针对经典主动控制设计过程中繁琐的“赋值+试算”过程、以及需在时域内采用复杂耗时的数值方法计算控制力和各风振响应的问题,建立了模态坐标下考虑主动控制权重系数的等效线性模型,提出了同时考虑隔震建筑结构参数、主动控制权重系数和风荷载的控制力和各风振响应的解析表达式,建立了基于LQR主动控制算法的基底隔震高层建筑控制力和各风振响应的频域分析方法,最后通过数值算例验证了该分析方法的准确性。

关键词： 计算风工程   分离涡   高层建筑   流固耦合   风致响应  

摘要： 高层建筑多为非流线型的钝体结构,且相较于传统建筑柔度更大,更易受风荷载影响。对钝体结构而言,结构外形即使发生微小的变化,也可能对结构的空气动力学特性产生很大影响,建筑结构相对较大的柔度同样使得结构与风的流固耦合效应变得不可忽视,所以对不同外形的高层建筑进行系统的流固耦合效应抗风研究是十分必要的。本文在ANSYS WORKBENCH平台进行了不同方形高层建筑风致响应的数值模拟,主要工作和结论如下:(1)以标准CAARC模型为研究对象,基于其物理特性建立了气弹性模型,采用DSRFG方法与DES模型,对标准模型进行了单双向流固耦合数值模拟;将模拟结果与风洞结果进行对比,验证了数值风洞的可靠性与模拟方法的准确性;模拟结果表明,流场方面,气弹性模型比刚性模型有着更广泛的近尾流区域;响应方面,气弹性模型较刚性模型响应有减小趋势。通过对流场和响应进行频域分析,得出了模拟实验下的斯特罗哈尔数为0.097,结果与风洞试验基本吻合。(2)在标准模型基础上对模型做了5%、10%的倒角率或锥度比处理,采用与标准模型相同的材料特性,对模型进行模态分析,结果表明,不同倒角率或锥度比之间前五阶模态差异较小,但不同处理方式之间前三阶模态有很大差异,其中倒角模型前三阶为X向、Y向与扭转向一阶,锥度模型为X向一阶、Y向一阶和X向二阶,这种差异也使得两种处理方式的模型在响应特性方面存在较大的不同。(3)采用与标准模型相同的材料特性、风场和实验设置,对5%、10%的倒角率、锥度比模型进行了单双向流固耦合等8种工况的数值模拟;将单向模拟结果与HD-2刚性风洞试验进行对比,结果表明,平均风压系数、阻力系数以及阻力系数的脉动值与风洞吻合良好。在刚性模型之间,结构的荷载均以顺风向为主,随着锥度或倒角的增加,顺、横风向气动力有所降低,其中5%、10%倒角模型平均阻力系数较标准模型降低17.8%、29.8%,5%、10%锥度模型为16.2%,23.2%,说明对结构进行一定的倒角或锥度处理有助于优化结构的气动力特性。考虑了耦合效应的气弹性模型较刚性模型风致响应有减少趋势,其中气弹性标准模型顶部顺风向平均位移较刚性标准模型减少2.5%,5%、10%倒角模型为15.1%、29.1%,5%、10%锥度模型为9.0%、10.2%,倒角处理较锥度处理对平均位移值的影响更大。

关键词： 超大跨度悬索桥   施工猫道   静风稳定性   非线性分析   抗风措施  

摘要： 超大跨度悬索桥的桥址一般风环境恶劣,风荷载会成为影响桥梁施工和运营安全的关键因素。猫道作为悬索桥上部结构重要的临时施工平台,其特点是相比桥梁具有更小的刚度和阻尼,对风的作用更加敏感,易发生静风失稳问题,影响施工进度和威胁施工人员的生命安全。 为考察超大跨度悬索桥施工猫道的抗风性能,本文以某2180m主跨的悬索桥施工猫道为研究对象,通过风洞试验和数值仿真试验,计算分析了该猫道的非线性静风稳定性,并进一步探讨了不同抗风结构措施对该猫道抗风性能的影响。首先利用猫道节段模型的风洞试验,测得了其三分力系数。接着通过ANSYS的参数化设计语言建立了猫道有限元模型,分析了其抗风稳定性,计算了不同主缆架设率时猫道和主缆的非线性静风响应。最后提出了不同的猫道抗风结构措施,并计算分析和对比了不同措施及其布置对猫道静风响应的影响。 猫道静风计算结果表明:猫道满足抗风稳定性的要求。不设置主缆限位器时,由于主缆的重力作用,使得主缆竖向位移对主缆架设率的变化不敏感,且在大于40%架设率时有微小增大的趋势。设置主缆限位器后,猫道和主缆将成为一个系统,使得主缆横竖向位移对架设率的变化变得敏感,主缆的横竖向位移相对无限位器时分别最大增大了179%和27%;猫道的横竖向位移都大幅减小,且减小幅度随着主缆架设率的增大而增大,最大分别减小了90%和37%。 结构措施计算结果表明:增加横向通道数量对猫道的横竖向刚度影响不明显,但可显著改善扭转刚度,当横向通道的数量由3个增加到5个和14个时,跨中附近的扭转角分别减小了35%和61%。水平制振索能抑制猫道的横向位移,但会增大扭转位移,10m/s风速时扭转角最大最小值的差值增大到2.2倍,且水平制振索布置区域越大,对抑制横向位移越有利。当风速是10m/s和18m/s时,门架斜索的纵桥向长度由48m增加到102m和156m后,猫道跨中的横向位移均分别减小了6%和11%;门架斜索的纵桥向长度由48m增加到156m后,猫道跨中扭转角值的大小分别增大了4%和减小了88%。外索抑制横向位移的效果随着风速增长钝化,且对外索与承重绳的距离变化不敏感;在某些风速下出现了外索的设置不利于扭转的情况,但是风速如果可以进一步加大会重新显现外索的积极作用。3个横向通道的猫道设置斜拉索后,风速10m/s时横向位移减小了31%,而斜拉索和猫道面层联结处的扭转角增大了390%和488%。

关键词： “天鸽”强台风   坡屋面   块瓦   风致破坏   抗风构造措施  

摘要： 在广东省珠海市金湾区机场登陆的2017年“天鸽”强台风,使珠海、江门、中山、中国澳门等地区建筑物遭受几十年一遇的罕见风灾。为了分析块瓦屋面的风灾特征,对20个珠海市的块瓦屋面风致破坏进行调查,提出针对块瓦屋面风灾特征的破坏等级评级方法,分别对多层建筑、高层建筑块瓦屋面风揭破坏及灾后完好的案例进行风灾特征进行对比分析,以单块瓦为研究对象,分析单块瓦负风压集中力、单块瓦砂浆粘结集中力、重力垂直屋面分力、单块瓦砂铜线拉力之间的关系,结果发现影响块瓦屋面抗风性能的主要因素是抗风构造措施及、卧瓦层砂浆饱满度,温度应力等原因导致实际砂浆粘结集中力比理论计算值小。结论是钢筋卧瓦层双股铜线无空腔湿贴法的块瓦屋面抗风构造措施满足抵抗14级强台风的抗风性能要求。

关键词： 超高层建筑   风洞试验   横风效应   干扰效应   气动抗风措施  

摘要： 采用高频底座测力天平技术,对位于华南沿海城市的一建筑综合体的两栋超高层建筑(主塔和副塔,其高度分别为300 m和257 m)进行了风洞试验,考察了在副塔立面不同位置角区实施不同局部修改(包括凹角、切角和阳台不封闭)时相临主塔和上游高215 m的酒店对副塔横风向效应的影响。结果显示,副塔单体情况下,50 a横风向峰值基底弯矩和10 a重现期最大峰值加速度分别达到10.08 GN·m和0.50 m/s^(2),综合体的建筑布局可使副塔的峰值基底弯矩和最大峰值加速度分别减少64%和54%,但上游的酒店可使副塔最大峰值加速度增加16%;只考虑综合体时,推荐的上部凹角和下部阳台不封闭方案可使副塔的最大横风向峰值基底弯矩和最大峰值加速度分别减少20%和15%;考虑所有周边建筑的干扰效应时,推荐方案可使10 a重现期的最大峰值加速度减少12%,且在1~10 a重现期风速作用下的平均减振效果为11%。

关键词： 金属屋面   超纯铁素体不锈钢   深化设计   抗风措施  

摘要： 平潭海洋国际会展中心采用的不锈钢屋面系统主要构造层多达13层,屋面为起伏的曲面,面积约4.6万m^(2)。该工程所处的平潭岛,属于多阵风地区,全年大风日数多。该项目在金属屋面的安装过程中,对每个支座的位置和标高进行单独计算、准确定位,并对大量弧形檩条、弧形板、扇形板等非标构件单独设计、下料、加工。通过BIM技术建模,实现精确下料、精细化加工、准确定位安装。该项目选择超纯铁素体不锈钢作为屋面主板材,采用全自动连续焊缝机,并通过多种施工工艺创新和质量保证措施顺利完成了金属屋面的安装任务。

关键词： Wind-pressure     Computational fluid dynamics  

ISBN: (纸本)9781119845058

摘要： "Computational Fluid Dynamics for Wind Engineering give readers a detailed understanding of the use of CFD in understanding the wind loading on structures. The reader will gain knowledge of fluid mechanics, turbulence in fluid mechanics, turbulence modelling, mathematical modelling of wind engineering problems, the finite difference method for CFD, solutions to the incompressible Navier-Stokes equations, visualization and animation in CFD, and the application of CFD to building and bridge aerodynamics. In addition, the book will be written with a strong emphasis on the application of CFD to practical problems in wind loading to ensure the reader is able to apply CFD to real problems of turbulent flow around buildings and bridges, and can compare CFD analysis with wind tunnel measurements, field measurements and the ASCE-7 pressure coefficients."--