雄安站大跨结构风洞试验与风致响应研究

雄安站屋盖体型独特,属于风荷载敏感结构,抗风设计非常重要.为明确风荷载取值,对雄安站进行了刚性模型风洞试验.在风洞试验的基础上,着重分析了屋盖悬挑部分风荷载的分布情况.结果表明,屋盖悬挑上表面在剧烈流动分离的影响下风荷载体型系数可达到-2.3;雨棚局部镂空区域对风荷载的影响较小.基于风洞试验得到的风压时程,对屋盖结构进行了风致响应计算,并给出高架候车厅屋盖及雨棚各结构单元不利风向角.最后,采用有限元软件Fluent对过站列车风进行数值模拟分析,得到列车风风压的空间分布形态.列车过站时,结构上的列车风压力峰值随车体与结构距离增大迅速衰减,在列车以350km/h速度运行通过时,高架候车层可满足舒适性要求.     

曹妃甸煤堆防风网架气弹模型风洞试验

目前复杂网架结构风荷载通常采用刚性模型风洞试验确定,但由于忽略了结构与流体之间的耦合效应,其结果与实际结构存在偏差。气弹模型则可真实反映结构在自然边界层中的响应,但由于网架结构非常复杂,需要适当简化相似准则和选择结构主要响应振型进行设计。基于曹妃甸煤堆防风网架结构,设计1颐50气弹模型。通过应变片测试支架根部内力,得到了B类风场不同风速下网架内力风振系数;通过激光位移计测得顺风向位移响应,求得结构顺风向位移风振系数。最后比较分析了两类风振系数,为同类结构气弹模型设计制作和风振系数计算提供参考。     

基于CFD方法的大跨度结构体型系数计算

基于CFD方法建立了数值风洞模型,采用标准k-ε湍流模型,数值模拟大跨度结构屋盖风场风压,获取其风载体型系数。首先,采用数值模拟计算落地球面网壳屋盖体型系数,并与文献风洞试验结果进行对比发现吻合较好,验证了本文计算方法和湍流模型参数选取的合理性。然后,研究了不同风向角下大跨屋盖风载体型系数的分布,分析及其产生的机理。计算结果表明:在不同风向角时,屋面风载体型系数变化较大。结合当地实际风环境对比分析后获得的最不利风压分布,才可应用于实际工程的抗风设计。     

基于CFD方法的大跨度结构体型系数计算

基于CFD方法建立了数值风洞模型,采用标准k-ε湍流模型,数值模拟大跨度结构屋盖风场风压,获取其风载体型系数.首先,采用数值模拟计算落地球面网壳屋盖体型系数,并与文献风洞试验结果进行对比发现吻合较好,验证了本文计算方法和湍流模型参数选取的合理性.然后,研究了不同风向角下大跨屋盖风载体型系数的分布,分析及其产生的机理.计算结果表明：在不同风向角时,屋面风载体型系数变化较大.结合当地实际风环境对比分析后获得的最不利风压分布,才可应用于实际工程的抗风设计.     

基于CQC算法的大跨屋盖结构风致响应研究

笔者以大跨屋盖结构的风洞测压数据为基础,基于CQC快速算法理论编写了Matlab风致响应计算程序。计算风致响应时同时考虑了风荷载谱的实部和虚部对风致响应的贡献,能够有效准确的判定参振模态数、模态耦合项、以及背景共振相关系数。     

大跨度平屋盖表面风荷载体型系数研究

通过平屋盖刚性模型风洞测压试验,基于分离泡作用机理,以顺风向及横风向风压为研究对象,对屋盖表面的风压特征进行分析,进而提出合理的分区体型系数。①基于顺风向平均、脉动风压变化曲线和脉动风压谱,发现分离泡作用下的平屋盖表面可以分为主涡作用区、次级涡作用区以及旋涡脱落区;②提出风压相关长度的概念,计算横风向互相关长度,结果表明在旋涡作用范围内,各相关长度相差无几,超出旋涡区后风压相关长度出现衰减;③基于面积平均压力的概念计算刚性平屋盖表面的分区体型系数。通过面积平均压力的累积概率曲线对准定常理论和我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)中的规定系数-0.6进行验证,发现在分离泡作用下准定常理论是适用的,我国规范在迎风前缘附近的强吸力区和屋盖中后部分别低估和高估了实际体型系数;将本文的体型系数取值与美国规范(ASCE7-98)、加拿大规范(NBC-1995)以及日本规范(AIJ-2004)进行对比,发现本文的体型系数计算结果与美国规范较为接近。     

大跨屋盖结构风致抖振响应研究

建立基于非定常风荷载的大跨屋盖结构风致动力响应的试验和分析方法。该方法采用多通道测压系统扩大同步测压点的数目,更全面地获得屋盖表面风压的时空特性,为准确计算结构风致响应奠定了基础。在动力分析方法上应用CQC法计算屋盖结构的风振响应,考虑多模态及模态间的耦合影响,编制了结构风致动力效应计算程序SWDP。最后对上海铁路南站工程屋盖结构的抖振响应结果进行了计算和分析。结果表明,采用多通道测压系统可以有效地扩大同步测压点的数目;基于非定常风荷载的CQC方法是计算复杂大跨屋盖结构风振响应的有效方法;背景响应对于总响应的贡献通常是不可忽略的。     

大跨度柱形屋盖风荷载数值模拟研究

大跨钢结构屋盖具有柔性大、阻尼小的特点,为风敏感结构。CFD数值模拟方法是近年来发展起来的一种风荷载研究手段,本文基于Fluent软件平台,利用雷诺应力湍流模型(RSM)对某钢结构大跨钢结构屋盖进行了风场数值模拟研究,得出屋盖结构体型系数和风速分布,为结构设计人员确定屋盖结构表面风荷载时提供参考。     

设置粘滞阻尼器网架结构的风振响应分析

建立大跨平屋盖网架结构数值模拟分析模型,施加风洞模型试验获得的屋盖节点风压时程,分析附加粘滞阻尼器对屋盖结构风致振动响应减振效果,结果表明,附加粘滞阻尼器对大跨网架结构的风致振动响应可取得较好的减振效果;阻尼器布置数量增多,屋盖结构风致振动响应减振效果增强,但受阻尼器布设位置影响,距离较远时效果减弱。非线性阻尼器减振效果优于线性阻尼器,随着阻尼指数的增加减振效果减弱。     

某典型细长索膜结构风振效应的数值模拟分析

基于计算流体动力学(CFD)和结构有限元方法,数值模拟分析桅杆支承式细长型索膜结构风振效应.运用谐波叠加法模拟生成风速时程,并与SSTk-ω湍流模型结合作为风场计算域入口条件,运用ADINA有限元软件,数值计算考虑风致流固耦合作用的某典型细长索膜结构关键响应,包括索膜结构节点的风致位移响应、速度响应、加速度响应等,分析不同风向角对索膜结构风致效应的影响,计算获得基于结构风致位移响应的风振系数.研究成果可为工程抗风设计提供技术依据.     

长悬挑圆弧形大跨屋盖结构风荷载特性研究

对青海花土沟机场航站楼长悬挑圆弧形大跨钢屋盖的风荷载特性进行风洞试验研究。基于计算流体力学软件Fluent 6.3,选用RNGκ-ε湍流模型对屋盖结构的平均风压系数分布、局部体型系数、风速矢量以及风场流迹线等风荷载特性进行系统研究。结果表明:数值模拟可以较好地反映实际风荷载对建筑物的作用,且具有直观呈现风场流动特性的优势;屋盖挑檐部分受到下顶上吸的叠加作用,长悬挑区域最大净体型系数试验值达-3.17,对屋盖结构极为不利;在前挑檐上开设洞口可有效减缓其承受风荷载作用,尤其能减缓斜向迎风作用下的风荷载作用。     

大跨度气膜煤棚风致响应及风振系数试验研究

大跨度气膜煤棚结构对风荷载较为敏感且流固耦合效应明显,而其风致灾害机理仍不明确。为此,在B类地貌风场中进行了3种典型矢跨比的大跨度气膜结构气弹模型风洞试验,通过数字图像相关技术测量了不同矢跨比、风向角、内压、风速及是否加索下的膜面位移、应变,并测量了不同拉索的应变,分析了结构的风致响应规律,给出了考虑流固耦合效应的的响应风振系数。研究结果表明：风荷载作用下,结构顶部向上隆起,迎风面及背风面凹陷明显,侧面向外变形较小;结构的迎风面及顶部的平均位移较大;增大初始内压、减小矢跨比或施加拉索,结构平均位移明显减小;随着风速增大结构内压减小明显。考虑流固耦合效应的大跨度气膜煤棚位移分区风振系数在1.2～1.3之间,最大主应力分区风振系数在1.1～1.4之间,拉索应力风振系数取1.5。     

1/4球面开口屋盖风荷载体型系数的数值模拟分析

基于计算流体力学（CFD）理论,采用雷诺时均法,利用FLUENT软件对1/4球面开口屋盖进行数值风洞模拟.计算得出屋盖表面的风压分布,进而得出不同风向作用下结构的风荷载体型系数,以供工程设计参考.计算结果表明,利用数值风洞模拟建筑物表面风荷载体型系数是可靠的.     

复杂环境下组合形体大悬挑建筑的风压和风效应分析

针对实际工程,构建复杂大跨空间结构三维模型.采用基于雷诺应力平均法的SST k-ε湍流模型,运用FLUENT软件数值模拟结构周围风场绕流,计算不同风向角下的结构风压系数和风载体型系数.基于ANSYS软件建立结构有限元力学模型,施加数值模拟所得的风压时程和风载体型系数,计算分析结构风致动力响应,与风洞实验的结果进行对比分析,得到结构表面的风压分布和结构竖向反力.     

大跨双层屋盖结构风洞试验与风振响应研究

对南太湖湿地奥体公园复杂体型体育场双层屋盖结构进行了风荷载的风洞试验与风致动力响应研究。屋盖由高低两个开口椭圆屋面叠合而成,两屋面之间设置观光走廊。利用风洞模型试验测定了双层屋盖上下表面的平均和脉动风压时程数据。通过计算分析得到了屋盖结构局部测点的极值风压以及平均风荷载整体合力与最不利风向角。然后基于有限元方法对该屋盖进行了风振响应的动力时程分析,获得了结构风振系数、等效静力风荷载的分布图以及考虑风振效应的最不利风向等数据和结论。     

膜结构风振响应中的流固耦合效应研究进展

对膜结构风振响应中的流固耦合效应进行了探讨,介绍了解决该问题的两种思路:简化气弹模型方法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法。简化气弹模型方法是先将流固耦合效应用附加质量和气动阻尼的形式来表达,再通过某些近似解析理论和气弹模型风洞试验来确定附加质量和气动阻尼的大小。计算流体力学数值模拟方法则是将计算流体力学技术和计算结构力学技术整合在一个有限元程序中,通过数值模拟得到结构流固耦合响应的全过程信息。基于这两种方法,开展了相应的理论推导、风洞试验和数值模拟工作,获得了关于风与膜结构相互作用机理的一些初步认识。最后提出了一种具有操作性的简化数值分析方法并给出了算例。研究结果表明:流固耦合效应对结构风振响应的影响在多数情况下是有利的,即考虑流固耦合效应的风振响应分析结果要比不考虑流固耦合时小30%左右,但也不排除在某些特殊情况下因出现气弹失稳而导致结构异常破坏的可能性。     

大跨网架结构风振响应及阻尼减振分析

设计制作了带挑檐大跨度平屋盖刚性结构模型,对其进行风洞试验,得到不同模型屋盖表面测点的平均风压与脉动风压系数,利用本征正交分解(POD)法计算节点处的风压系数,采用有限元分析软件ANSYS对原型屋盖网架结构进行风振响应以及减振分析。结果表明:挑檐部分由于上下表面风压叠加作用,负风压较大;在挑檐角部设置黏弹性阻尼器,对挑檐风振响应控制效果显著;存在一定程度既有锈蚀的网架结构,设置黏弹性阻尼器对风致响应减振效果明显,风致响应随锈蚀深度增加而增大,锈蚀深度小于1 mm时,位移响应均方根值减振系数达到10. 3%～21. 0%,加速度响应峰值减振系数达到26. 3%～39. 6%。     

凉都体育场屋盖平均风压与风振系数研究

结合凉都体育场的建筑造型和周围环境,采用Realizablek-ε湍流模型对屋盖的平均风压进行了数值模拟,得到屋盖的平均风压分布.利用MATLAB编制了线性滤波器的自回归法(AR法)的脉动风速时程模拟程序,模拟了屋盖节点的脉动风速时程;并结合屋盖的平均风压和脉动风速时程数值模拟结果,编制了时域法风振效应分析程序,分析了牛角形屋盖的风致响应规律,得出了屋盖的位移风振系数.研究了屋面荷载、平均风速、结构阻尼比等参数对牛角形屋盖风振系数的影响,得出一定偏差范围内可忽略上述参数取值偏差对牛角形屋盖风振响应影响的结论.     

风致内外压下圆弧形落地大跨屋盖结构风荷载特性

对某墙面开洞的圆弧形落地大跨钢屋盖机场航站楼风荷载特性进行了风洞试验研究;基于计算流体力学软件FIUENT 6.3,采用RNG ?κ-ε?湍流模型对墙面开洞屋盖结构的内外表面平均风压系数分布、分区净体型系数、风速矢量以及风场流迹线等风荷载特性进行了系统研究,并将数值模拟结果与风洞试验结果进行比较分析。结果表明:数值模拟的净体型系数和平均风压系数分布规律与试验结果吻合良好;墙面洞口全开的情况下,由于迎风洞口与背风洞口处压力差的作用,屋盖内表面风压均表现为风吸力,风压分布亦受到洞口的影响;墙面洞口对屋盖上表面平均风压系数分布影响较小;屋盖迎风挑檐区域受到风荷载下顶上吸的叠加作用,最大净体型系数达-2.83。     

大跨度可开合空间网架屋盖风致效应

大跨度屋盖结构作为风敏感性较强的结构,风荷载是其控制荷载之一,可开合屋盖由于外形和结构的多变性,其风致效应更为复杂。以某大跨度可开合空间网架屋盖结构为研究对象,利用刚性测压风洞试验实测了屋盖内外表面的风压系数,对比了开合状态下屋盖表面风压的分布特征。基于本征正交分解(POD)及瞬态动力有限元分析,得到屋面节点的位移响应时程,分析了屋盖开合状态下的位移响应和风振系数分布特征,研究了结构阻尼比对风振系数的影响。研究表明：屋盖翻转开启形成的悬挑结构会强化流动分离,使得屋盖整体最小净风压较闭合状态进一步减小。闭合状态下风振位移响应中背景响应占主导,背景响应和共振响应之间的相关性较小;开启状态则反之。对于对称的屋盖结构,在对称的屋盖分区上,风振系数会呈现与位移均值相反的分布特征。风振系数与结构阻尼比呈现明显的非线性关系,阻尼比越小,风振系数越大,且对阻尼比越敏感;风振系数随阻尼比演变趋势依赖结构风致平均响应及脉动响应共振分量占比。