罩棚影响低矮建筑局部极值风压试验研究

采用缩尺比为1∶20风洞试验刚性模型,以风向角和屋面坡角为变量,针对单体低矮建筑及罩棚与低矮建筑组合而成的罩棚式低矮建筑的屋面局部极值风压展开风洞试验研究,深入探讨罩棚结构对与之配套的低矮建筑屋面迎风屋檐、屋脊及角部局部测点极值风压系数差的影响。结果表明:在垂直屋脊来流风向(风向角0°)下罩棚对低矮建筑迎风屋檐处测点极小值风压系数差的影响随着屋面坡角的增大而减小;随着风向角的改变,迎风屋面靠山墙边缘及角部区域测点极大值、极小值风压系数差受罩棚的影响增大,且45°风向角下达到最大;当来流风向平行于屋檐方向(风向角90°)时,随着屋面坡角的变化,罩棚结构对低矮房屋迎风屋檐、屋脊、角部等局部易损区测点极大值、极小值风压系数差的影响最小。屋面坡角为45°时,随着风向角的改变,屋面局部测点极小值风压系数差受罩棚的影响较其他屋面坡角的小。     

考虑极值风速方向性的围护结构设计风荷载概率估计方法研究

对于围护结构的设计风荷载（一定重现期的极值风压）,目前工程上普遍采用最不利值方法进行估算,这类方法不符合概率统计意义。只有统筹考虑极值风速和极值风压系数的随机性、方向性及相关性才能给出较为准确的设计风荷载。为此,提出一种全面考虑极值风速和极值风压系数随机性和方向性的围护结构设计风荷载概率估计方法。首先,提出了极值风压计算所需的三个要素,即各风向的极值风速分布、Cook-Mayne极值风压系数和风向相关性;然后,通过极值风压的概率分布理论分析,给出一个以上述三要素为输入的计算过程简便实用的围护结构风荷载估算公式;最后,以上海地区一栋高层建筑为例,通过与工程上常用最不利值方法相比,验证了本文方法的精确性和实用性。     

七里河体育场罩棚风压分布数值模拟研究

以兰州市七里河体育场为工程背景,基于ANSYS-CFX 19.0软件平台,采用SST k-ω湍流模型对体育场罩棚12个风向角下表面风压分布特性进行了数值模拟,分析了风向角和周围建筑物对风压分布的影响,获得了罩棚表面风压分布的规律,并探讨了罩棚周围流场的绕流特性,最后根据罩棚的结构形式及风压分布特点,给出了最不利风向下罩棚表面的分区风压系数以及罩棚设计风荷载的计算方法。结果表明：周边干扰建筑物对体育场中心周围的风场和表面风压有明显的影响,数值模拟结果符合钝体绕流规律;风向角对风荷载的影响较大,不同风向角下,来流的分离和漩涡脱落作用均有较大的不同;屋面最大负风压区出现在沿风向的屋面前缘角部,且迎风向前端出现正压区,模拟结果可供实际工程采用。     

罩棚结构对低矮建筑局部风载影响规律试验

采用缩尺比为1∶20风洞试验刚性模型,以风向角及屋面坡角为变量,针对单体低矮建筑及罩棚与低矮建筑组合而成的罩棚式低矮建筑屋面局部风载展开风洞试验研究,采用风压系数差深入探讨B类地貌下罩棚结构对配套低矮建筑屋面迎风屋沿、屋脊及屋面角部等局部测点风压影响变化规律。结果表明:不同风向下罩棚对低矮建筑迎风屋沿处风压的影响随着屋面坡角的增大而减小,对背风屋面各分区的影响较小。随着风向角的改变,迎风屋面靠山墙边缘及角部区域受罩棚影响呈增大趋势。45°斜风向下,平屋面(β=0°)迎风屋沿测点6风压系数变化最大,风压系数差为-2.01。当来流平行于屋沿方向时,罩棚结构对迎风屋沿、屋脊、屋面角部等易损区的风压系数随坡角的变化影响最小。     

奥运网球中心赛场风荷载和风环境数值模拟分析

奥林匹克公园网球中心10000座中心赛场体型为花瓣型,12个结构单元(花瓣)间有较大开洞。开洞体型对风荷载非常敏感,迎风看台锥面的导风作用以及大开洞的穿透性,使得网球中心赛场的看台、罩棚的风压分布以及场内风环境明显不同于常规体育场。采用计算流体力学方法对该结构进行了风荷载和风环境的数值模拟分析,计算所得的风压系数与风洞试验吻合较好。同时,比较了封闭式看台和开洞型看台的风场特性,讨论了罩棚仰角对风场的影响,对赛场内的风速比、流场特性等可能影响网球比赛的因素进行了模拟和评价。     

悬挑式张弦梁结构的风振分析及抗风设计

以浦江某体育场悬挑式张弦梁结构为研究对象,探讨了基于风洞试验数据的结构风振响应及等效静力风荷载。建立了考虑拉索几何非线性的有限元模型,采用插值方法将试验测点的风速时程按控制面积等效为有限元节点的荷载时程,并进行结构的风振响应提取。分析表明:若实际工程中采用荷载时程与其他效应组合进行设计,其过程将过于繁琐;采用荷载风振系数建立结构动态响应与等效静力风荷载间的联系,是可靠有效的设计方式。同时基于等效静力风荷载,对罩棚结构进行了几何非线性分析,表明:罩棚不同位置的风振系数存在明显的差异,在进行结构设计时宜采取0°～180°风向角下多分区的风振系数,确保安全性和经济性。     

台风风场作用下体育场罩棚风压分布风洞试验研究

通过刚性模型测压风洞试验研究了台风风场高湍流、强变异性等特征对大跨结构风压分布特性的影响。以某体育场罩棚为原型制作1∶300刚性模型,进行了常规B类风场和台风风场作用下的测压对比试验。基于试验数据,从测点风压和总体升力角度对两类风场作用下体育场罩棚结构的风压分布总体特性进行了分析,重点比较了典型测点在典型风向角下的风压分布规律及相互关系。结果表明：两类风场作用下平均风压的分布规律基本类似,但各风向角下台风风场中的屋盖总体升力比B类风场增大8%~25%;台风风场的高湍流特性导致基于极值负风压求得的各风向角下屋盖总体升力比B类风场大27%~46%,各测点的极值风压均明显高于常规B类风场作用下的对应值,比值约为1.13~1.70,因此对于台风多发地区的大型体育场屋盖设计,必须考虑台风风场高湍流所致的脉动风压增大效应。     

基于短期观测记录的重现期风速预测

在偏僻地区或山区建设重要建筑物、构筑物或桥梁时,通常在附近安装风速观测仪器,获得至少1年的短期风速记录。提出了根据短期风速记录预测指定重现期风速极值及风压方法,为结构抗风设计提供了科学依据。提出独立风暴法提取短期风速记录的最大值,建立极值I型概率分布模型,采用最好线性无偏估计方法确定概率分布参数。依据短期风速最大值概率与年风速最大值概率的变换关系,建立年发生最大值的概率分布及重现期风速、风压的表达式。算例结果表明,重现期风速预测值的离散性与风速阈值有关,在预测值离散系数较小的情况下可确定重现期风速及其置信区间。     

大跨度悬挑曲面屋盖结构风洞试验研究

大跨度悬挑曲面屋盖结构属于风荷载敏感结构,又因其造型独特,风荷载特性复杂,故其抗风设计尤为重要。通过对青岛西站铁路站房进行1/200缩尺比的同步多点刚性模型测压风洞试验,系统分析了大跨度悬挑曲面屋盖在不同风向角下的平均压力系数分布规律及50年重现期极值压力统计值分布规律,并基于此数据分析屋盖体型变化对风压分布的影响。结果表明:屋盖整体呈现负压力;屋盖风压分布受风向角、屋盖体型的影响明显,在不同风向角下,屋盖体型对风压分布的影响程度不同;屋盖的挑檐、边角及屋脊处的平均压力系数绝对值要比其他区域大;站房表面极值压力绝对值最大值达4.4kN/m²,主要分布于站房的挑檐部分,因此在设计时需着重考虑挑檐的抗风设计。     

架空钢结构连廊风荷载体型系数数值模拟研究

使用数值模拟方法对某市民服务中心工程架空钢结构连廊的风荷载体型系数在0°、30°、45°和60°风向角下连廊迎风墙面、背风墙面、上表面和下表面的体型系数进行了研究。结果表明:(1)在0°、30°、45°、60°风向角下,对于连廊的迎风墙面,风压以正压为主,而在背风墙面、上表面和下表面,风压均全部表现为负压。(2)连廊迎风墙面、背风墙面、上表面和下表面风压均随着风向角的增大而减小,最不利工况均出现在0°风向角时。根据数值模拟结果对连廊的背风墙面、上表面和下表面分区域给出了体型系数建议值,工程设计中可参考采用。     

开洞大型超高单层厂房墙面及排架风载体型系数研究

对不同开洞工况下的超高单层厂房模型进行风洞试验,研究不同开洞工况对厂房纵墙内外表面风压分布的影响,给出风压体型系数沿纵墙长度方向的变化规律并与规范值进行对比。试验结果表明：当山墙单一开洞时,对外风压分布影响不大;当两端山墙均开大洞时,纵墙内外表面风压沿来流方向衰减较快;山墙单一开洞会导致纵墙所受的极值风压增大,靠近开洞山墙的纵墙端部受风荷载较大,可以称之为端部效应;对山墙单一开洞厂房,纵墙在近开洞的端部区和其他区的最不利负风压（吸力）分别出现在0°（开洞墙面为正迎风面）和15°风向角;对于两端同时开洞工况,两端部区最不利负风压（吸力）出现在45°和135°风向角,非端部区则出现在150°风向角;所有工况中以较小开洞工况受力最为不利;对于迎风端部区排架水平受力最不利的工况为两端山墙都开大洞的情况。     

高层建筑风荷载特性数值模拟研究

为研究某超高层双塔结构风荷载特性,采用数值模拟技术对建筑周围流场、建筑表面风压分布以及风荷载体形系数进行了详细研究。结果表明,在建筑角部流场风速加速效应明显,双塔结构角部存在较大的负风压,层风荷载体型系数受风向角影响较大,被遮挡的塔楼整体层风荷载体型系数较小。数值模拟可以给出建筑风荷载及附近流场特征,为建筑结构设计提出合理建议。     

流线型单脊膜结构表面风压特性数值模拟分析

风荷载是大跨度空间结构及膜结构设计的控制荷载。以流线型单脊膜结构的实际工程为例,基于Reynolds时均方程,选取剪切应力传输湍流模型(SST k-ω模型),采用ANSYS-CFX14.0流体分析软件对膜表面的风压分布进行数值模拟。通过对比分析不同风向角下膜表面风压分布规律、平均风压系数及湍流特征,得出该结构最不利风向角取值范围以及膜表面不同分区平均风压系数、风荷载体型系数值。结果表明:60°～90°为此结构的最不利风向角,在此风向角区间内,膜结构表面的湍流特性复杂多变。迎风面屋檐形成较高的正压,背风面屋脊形成较高的负压,该部位更易遭受破坏;整个背风面形成较大的负压区,在结构中部产生明显的漩涡,主要表现为吸力。     

考虑地貌影响平屋面低矮建筑屋面局部风压特性试验研究

基于缩尺比为1∶20的平屋面低矮房屋风洞试验模型,在A、B、C三类不同地貌条件下,以风向角为变量,研究地貌对低矮建筑屋面局部平均、脉动以及极值风压分布的影响。试验结果表明:屋面局部区域受风向角影响较大并呈现一定规律性。迎风屋面边沿区域以及角部区域受风向影响最为明显且风压大于其他区域;在斜风向45°风向角时,迎风屋面边沿区域角部测点平均、脉动、极值风压系数最大,为该类房屋最不利风向角;不同地貌对低矮房屋屋面平均风压系数影响较小,对脉动、极值风向系数影响较大。在0°、90°风向角时迎风屋面边沿平均风压系数受地貌影响较大,在斜风向下地貌的改变对屋面平均风压系数影响不大;随湍流度的增大屋面平均、脉动、极值风压系数绝对值也相应增大。     

平板型高层建筑风能集聚效应研究

为研究平板型高层建筑的风特性影响,本文采用CFD数值模拟方法,以表面风压、风速增大系数作为评价指标,选取风机安装高度、风向角等作为控制变量,通过建立多组工况研究建筑物周围风能集聚效应。结果表明:对于不同的开洞高度,通道内的风压是比较均匀的,随着开洞高度的增加,洞口表面风压会逐渐增大;而风场的风压系数随着建筑物的高度方向是比较均匀的,大约在建筑全高2/3处到达最大;随着风向角的增大,建筑背风面的驻涡会逐步往洞口通道侧移动,当风向角约为15°-30°和60°-75°时,建筑尾流区有"卡门涡街"现象发生。     

开洞门式刚架房屋风荷载的数值模拟

结合风洞模型试验对门式刚架房屋在不同风向来流风作用下的屋面风压进行了数值模拟分析．通过分析比较数值模拟结果和风洞试验结果发现,开洞位置和风向角对轻钢门式刚架的风压具有显著影响,当开洞的大小一定时,越接近屋面的位置,对建筑风荷载减小的程度越大,风向角在0°到90°的范围内,随角度的增大,屋面的减压效果越来越明显等相关结论。     

不同坡角低矮建筑屋面局域风压极值分布规律研究

针对4种不同坡角、缩尺比为1∶20的双坡低矮房屋风洞试验刚性模型,以风向角、坡角为变量,重点研究均匀湍流风场下坡角影响双坡低矮房屋屋面区域极值风压的分布规律。研究结果表明:0°～45°风向下坡角对双坡低矮房屋屋面易损区域风压特性影响显著,60°～90°风向下不同坡角房屋易损区域风压特性变化趋势相近,其中30°坡角房屋屋面所受风荷载较小。     

阵列式分布高层建筑群风致干扰效应研究

基于实际超高层建筑群的风洞对比试验,研究了阵列式分布高层建筑群建筑主体结构轴向风荷载静力、动力干扰效应及围护结构干扰效应,并结合CFD计算结果及基底弯矩谱分析了干扰机理.研究表明:①阵列建筑群角部建筑平动方向平均风荷载不高于单体建筑,但平均扭矩会有较大幅度增加,且横风向振动可能加强;②临近角部的边缘建筑,由于前方来流加速,平均风荷载相对于单体建筑约增加20％;风速增加导致横风向功率谱谱峰向高频方向移动,对结构横风向均方根响应影响较大;③受遮挡效应影响,离角部相对较远的边缘建筑主体结构平均风荷载不超过单体建筑;④两侧建筑干扰引起边缘中部建筑前方来流风速增加,与单体建筑相比,边缘中部建筑的迎风面极值正压增加,侧面极值负压增加.     

低矮建筑风致内压数值模拟与分析

国内外多次台风灾后调查数据显示,造成建筑物严重破坏的主要原因是由于门、窗以及围护结构突然破坏致使结构表面出现洞口后瞬间增大的风致内压与外风压的联合作用。通过应用计算流体力学软件Fluent 6.3对风致内压进行了多种工况的数值模拟。与已有模型实测结果及理论预测值的对比显示,数值模拟方法具有较高精度,证明了数值模拟应用于内风压研究的有效性,并对误差产生原因进行了详细分析。分别对0°风向角下5种单一主洞口、0°风向角下多洞口和一定面积比不同风向角等3个方面进行了模拟。当结构表面出现单一主洞口时,平均内风压系数等于洞口处外风压系数平均值。在0°风向角多洞口工况下,内风压系数随着迎风纵墙与山墙开洞面积比的增大而增大。在一定面积比不同风向角工况下,内风压系数和屋面升力均随着风向角的增大而减小。根据研究所得到的结论,建议沿海台风多发区的结构设计应考虑风致内压。     

大跨弧形屋面风荷载特性的风洞试验研究

根据榆林机场航站楼风洞试验结果,详细分析了大跨弧形屋面及弧形挑篷上的平均风荷载、脉动风荷载及其极值分布,研究了平均风荷载、脉动风荷载的分布特性。根据分析可知,大跨弧形屋面上同时存在压力和吸力,压力主要分布在屋面弧面起坡处,吸力主要分布在屋面挑篷部位;大跨弧形屋面的峰值吸力对风向角的变化特别敏感。给出了100年重现期屋面极值风荷载等压线图和体型系数,所得结论对于西部地区此类结构的抗风设计有参考作用。