高层建筑顺风向荷载气动导纳研究

高层建筑顺风向的脉动风荷载通常是基于准定常假设,由来流风速的功率谱密度函数和相干函数求得,其中风荷载和风速功率谱密度对气动导纳函数影响较大。依据10个典型高层建筑模型的同步测压风洞试验数据,对高层建筑各层高度处顺风向荷载的功率谱密度函数和气动导纳函数的特性进行分析,提出了顺风向荷载气动导纳函数的表达式,并针对公式中的具体参数进行了拟合。采用该表达式对一栋实际高层建筑的顺风向风致动态响应进行计算,并与其模型的试验结果进行对比。结果表明:高层建筑顺风向荷载的气动导纳曲线沿高度变化不大,但与其截面形状关系较大,曲线整体呈指数分布,当折减频率小于0.1时,气动导纳数值均接近于1.0。算例结果表明,采用所建议的气动导纳拟合式计算出的风致响应结果与风洞试验计算结果较为吻合,误差在10%以内。     

高层建筑风荷载相干性研究

利用高层建筑刚性模型测压风洞试验结果,对顺风向风荷载竖向、水平相干性,迎背风面相干性以及横风向、扭转方向风荷载相干性的主要特征进行研究。利用算例说明了迎背风面相干性以及横-扭风荷载相干函数对于风振响应的影响。从计算结果来看,迎背风面全相干假定将使顺风向风振响应计算结果偏于保守;当结构刚心和质心偏离时,假定横扭风荷载相干性等于零会低估横风向和扭转方向风振响应。     

高层建筑顺风向响应规范计算及试验研究

作为对高层建筑起控制作用的风致振动,顺风向响应在抗风设计中尤为重要。多国风荷载规范均给出了典型的矩形断面形式的高层建筑顺风向响应计算方法,但不同的计算方法导致结果存在偏差。以某矩形高层建筑为例,基于风洞试验比较研究中国、美国及加拿大规范计算方法。研究表明:因平均风速定义的差异,中国风振系数取值要高于美国的阵风影响系数;相比频域法的计算结果,中国规范中采用的惯性风荷载法计算结果偏大;在相同风荷载作用下,中国和加拿大规范方法得到的顺风向最大位移响应值偏大,结构设计偏于保守。美国规范的计算结果相对偏小,相对偏于不安全;相比于加拿大阵风荷载因子法,中国惯性风荷载法风致响应偏小。     

X形超高层建筑层风激励谱计算模型研究

通过X形超高层建筑刚性模型多点同步测压风洞试验,研究高层建筑风荷载阻力系数和升力系数平均值、均方根值沿高度的变化规律,并与矩形高层建筑均方根升力系数进行比较.提出X形高层建筑顺风向与横风向动力风荷载功率谱密度函数、相干函数的计算模型,并根据风洞试验数据进行拟合计算,结果表明该计算模型与风洞试验结果吻合较好,可以以此为基础进行类似高层建筑顺风向与横风向动力响应的频域计算.     

考虑二阶振型的高层建筑顺风向风振响应简化计算

为评估高层建筑风振的舒适度,应建立简单实用的结构风振响应计算方法。而我国GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的高层建筑顺风向风振响应简化计算方法没有考虑二阶振型的贡献。基于准定常理论,采用频域法进行了考虑二阶振型贡献的高层建筑顺风向风致响应评估,并分析了二阶振型对结构风致响应的贡献。结果表明：二阶振型对高层建筑顺风向动力位移响应的贡献一般在2%以内,但对顺风向动力加速度响应的贡献最大能达到18%。在评估结构顺风向风振加速度响应时,二阶振型的贡献不能忽略。在此基础上,推导了考虑二阶振型的对称等截面高层建筑顺风向风振响应简化计算方法。将此简化方法得到的结果与频域法和规范公式得到的结果进行对比,其误差在5%以内,表明简化公式具有较好的精度和适用性。     

CAARC高层建筑标准模型层风荷载谱数学模型研究

用风洞试验方法在B、D两种地貌下研究了CAARC高层建筑标准模型在不同高度处的顺风向和横风向风荷载的功率谱特性和相干特性。结果显示:不同高度的无因次风荷载功率谱密度具有较好的一致性;在顺风向,不同高度风荷载间的相干特性显示出指数式的衰减规律;在横风向,风荷载在漩涡脱落频率附近有很强的相关性,相干函数值接近于1。根据风荷载沿结构高度变化的特征,进一步采用拟合方法确定了各层风荷载的功率谱密度和层间荷载相干函数的经验公式,建立了层风荷载谱数学模型,并给出了以此为基础计算标准模型风振响应的计算流程。将按照本文模型计算得到的广义力功率谱与高频底座力天平试验的结果作比较,结果吻合较好,证明了本文所提出模型的正确性。     

POD在大跨屋盖风致响应计算中的应用

根据风洞试验同步多点压力扫描技术和本征正交分解方法重构作用于圆拱顶屋盖的脉动风力。对重构的脉动风荷载的时间历程曲线及其统计性质与实测风荷载进行比较。计算部分测压点上重构的风荷载的自功率谱、互功率谱及相干函数,并用实测荷载的功率谱作了检查。提出一种采用缩阶技术用完全二次型组合法计算大跨屋盖的风致响应的方法,这种方法利用少量本征模态计算缩阶的主坐标功率谱而得到脉动风荷载功率谱。为检验方法的效率,给出采用不同数目主坐标的圆拱顶屋盖部分节点竖向均方根位移的计算时间和计算误差,以及采用不同数目主坐标的缩阶技术得到的全部节点的竖向均方根位移响应的误差分布。     

基于风洞试验的对称截面高层建筑三维等效静力风荷载研究

基于刚性模型表面测压风洞试验建立高层建筑三维风荷载模型,进而运用振型加速度法求解风振响应动力方程,得到了包含拟静力项和惯性力项的弹性力响应解,并推导了对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向风致随机内力响应。在此基础上提出了基于内力响应等效的可考虑高阶振型贡献的对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向等效静力风荷载计算方法。结合某一对称截面高层建筑工程实例,对采用上述方法计算得到的结构三维等效静力风荷载进行分析并与我国规范方法顺风向等效静力风荷载计算结果进行比较。结果表明,高层建筑结构抗风设计应该考虑三维等效静力风荷载,且二阶振型对高层建筑等效静力风荷载的贡献不可忽视。     

用瞬态测压法研究高层建筑的等效设计风荷载

基于瞬态脉动测压方法 ,分析了典型断面高层建筑结构各层合力的相干特性 ,结果显示横风向脉动风荷载在漩涡脱落频率处存在和顺风向不同的显著相关性 ,相干函数值接近于 1。采用拟合方法提出了一个各层横风向脉动风荷载的相干函数公式 ,并给出了采用脉动测压技术分析高层建筑风振响应与等效荷载的简化方法。采用CAARC高层建筑标模做了风洞试验 ,将其结果与高频底座力天平方法的试验和规范方法的计算结果作了对比 ,结果较为满意。采用本文方法可以克服力天平方法要求结构的基阶模态必须线性且不能给出结构沿高度的荷载分布等缺点。最后结合一具体的工程实例 ,分析了深圳新万基国际大厦的风振响应和等效设计荷载     

顺风向等效风荷载及响应——主要国家建筑风荷载规范比较

详细地比较了中、美、欧、日、加、澳等国风荷载规范中顺风向响应的计算内容。通过对基本风压、平均风速剖面、湍流强度剖面、脉动风速谱、相关函数等多个方面的详细分析比较 ,指出中国规范在湍流强度、响应峰值系数的选取、相关函数的选用等方面可能存在的问题 ,并用各国风荷载规范完整地计算比较了一幢高层建筑结构的顺风向等效设计风荷载和顺风向风振响应     

厦门市高层建筑群风场的数值风洞模拟分析

针对高层建筑群的风压、风荷载的分布问题,应用数值风洞方法模拟厦门市高层建筑密集区的风场,并根据数值模拟结果分析高层建筑群静力风效应的一些基本特点。分析结果表明:风场上游的高层建筑对下游的建筑有一定的遮掩效应;当建筑物之间间距较小时,容易产生狭缝效应;在建筑群的外围,迎风面平均风压力较大。同时根据上述分析结果,提出了一些具体的设计建议。     

稳态冲击射流作用下平地及坡地高层建筑的风荷载特性

现行规范的设计风荷载以普通大气边界层风场为主,其平均风剖面为指数型或对数型。下击暴流风场的典型风剖面与普通边界层风场差异很大。基于稳态冲击射流试验和数值模拟分析,考虑平地与坡地两种地形以及坡地坡度的影响,研究冲击射流风场中的高层建筑物表面风压分布特性与风荷载情况。风洞试验和数值模拟结果表明：冲击射流风场中建筑表面风压分布不同于大气边界层风场,迎风面最大风压出现在建筑下部;坡地上建筑物迎风面风压小于同等情况下平地上建筑物迎风面风压,而在侧面和背风面则呈现出相反的规律。对不同坡度坡地上的模型分析结果表明,随着坡地坡度的增大,建筑迎风面风压逐渐减小。     

Distribution of background equivalent static wind load on high-rise buildings

In this paper, the along-wind and cross-wind fluctuating load distributions along the height of high-rise buildings and their correlations are obtained through simultaneous pressure measurements in a wind tunnel. Some typical methods proposed in some relative literatures, i.e., load-response correlation (LRC), and quasi-mean load (QML) and gust load envelope (GLE) methods, are verified in terms of their accuracy in describing the background equivalent static wind load distribution on high-rise buildings. Based on the results, formulae of the distribution of background equivalent static load on high-rise buildings with typical shapes are put forward. It is shown that these formulae are of high accuracy and practical use.     

某超高层建筑风洞测压试验

依据某超高层建筑,着重介绍了风洞试验的方法,描述了在考虑有、无环境建筑影响下,该高层建筑一些典型的表面风压特性以及一些测点风压随风向角的变化规律。结果表明:迎风面中上部风压系数较大,接近1.0;底部部分风压系数达到1.0;侧风面和背风面风压系数大多为负值,特别是靠近角落处由于涡旋脱落,其值可达到-2。环境建筑对该高层建筑表面风压的影响较大,特别在建筑中下部。为其进行结构设计提出一些参考。     

Experimental and numerical investigation on the distribution characteristics of wind pressure coefficient of airflow around enclosed and open-window buildings

In the present paper, the distribution characteristics of the wind pressure coefficient of the air flow around enclosed and open-window buildings were studied by using wind tunnel model tests and numerical analyses. A typical high-rise building model was designed and wind tunnel tests were performed for the airflow around the building for an enclosed and an open-window condition. The experimental findings were complemented by the numerical analysis. This study shows that the opening windows of a building has little influence on the wind pressure coefficients in the area around the window of adjacent area from window edge; the wind pressure coefficient increases slightly after opening the windows of the buildings. Opening the windows in the rooms adjacent to this window decreases the ventilation efficiency of the room although the influence is small. The time-average value of the wind pressure coefficient can effectively represent the magnitude of the instantaneous wind pressure coefficient. The wind pressure coefficient is independent of the wind velocity of inflow. Furthermore, this study also proposed the distribution characteristics of wind pressure coefficients with different incident angles of wind.     

Temperature- and wind-induced air flow patterns in a staircase. Computer modelling and experimental verification

The typical infiltration load for a residential building has been found to range from one-third to one-half of the total space conditioning load. However, most infiltration measurements have been made on single-family houses. Information about the role of infiltration in the energy consumption of large buildings is limited. Furthermore, the prediction of infiltration rates in high-rise buildings is a complex problem. The forces that drive this flow result from the superposition of wind pressure on the faces of the building and the stack effect across the height of the building. Infiltration models have shown the latter effect to be significant in single-family residences, particular in colder climates and, consequently, the stack effect is even greater in high-rise buildings. For this work, we performed tracer gas and fan pressurization measurements on a 30 m tall University of California dormitory in order to determine the importance of both wind and stack effect upon infiltration. Measured pressure and tracer gas distributions were compared with those from a predictive infiltration computer model for high-rise buildings. To study the influence of the air flow pattern around the building, this model uses various wind velocity profiles characteristic of urban areas and different sets of surface pressure coefficients derived from wind tunnel experiments.     

外凸式矩形高层建筑风压研究

针对外凸式矩形高层建筑结构外形复杂且其风荷载值无法通过建筑荷载规范直接获得的情况,以丝绸之路世界贸易中心外凸式矩形高层建筑为研究对象,通过风洞试验获得其风荷载值,并与规范给出的矩形结构体型系数进行对比,总结外凸式矩形建筑结构风荷载规律。基于Fluent软件,选用不同湍流模型,对外凸式矩形高层建筑进行数值模拟,并将计算结果与风洞试验结果进行比较,验证数值模拟方法的可行性。结果表明:该高层建筑迎风面的体型系数与规范接近; 背风面底部区域的体型系数比规范值大约70%,其他区域与规范值接近; 侧面体型系数均大于规范值,且最大负压出现在侧面; 对于外凸式矩形高层建筑结构,外凸结构风压较相邻区域增大,凹进结构的风压较相邻区域减小; 体型系数沿高度方向变化较大,凸出结构为迎风面时,其下方相邻区域体型系数比规范值小近50%; 数值计算结果与试验数据整体趋势基本一致; Realizable k-ε模型的数值模拟结果要优于Standard k-ε模型; 对于矩形高层建筑,凸出结构为迎风面时,其相邻上部区域和背风面下部区域风荷载不仅受凸出结构的影响,而且还受到凸出结构宽度的影响,其对体型系数的影响幅度为±20%之间。     

高层建筑外表面对流换热系数的数值模拟研究

通过西安市1幢既有高层住宅建立几何模型,以西安地区的自然气候条件为基础,运用CFD软件模拟外墙外表面的对流换热系数情况。研究结果表明风速对高层建筑对流换热系数影响很大,并成正比例关系;建筑高度对对流换热系数也有一定影响,主要表现在迎风面上成正比,背风面上无明显影响;风向投射角也会影响高层建筑表面的对流换热系数,在迎风面上随着夹角的变大对流换热系数也变大,对背风面无太大影响。     

风沙绕流建筑物流场的数值模拟研究

利用计算流体力学模拟软件FLUENT,选用基于雷诺平均的标准k-ε湍流模型对风沙绕流建筑物的三维定常风流场进行数值模拟,分析建筑物周围风流场的分布情况和沙尘绕流建筑物的运动轨迹。计算结果表明建筑物迎风面受到压力最大,背风面受到负压的影响,风流绕流建筑物发生风流的分离,脱落,涡旋,汇合等现象。模拟结果为沙尘防治和城市建筑风环境的改善提供参考。