开洞矩形截面超高层建筑局部风压风洞试验研究

基于一栋立面上有多个开洞的矩形截面超高层建筑的刚性模型表面压力测量风洞试验结果,分析了矩形截面超高层建筑在长边立面上不同开洞工况下建筑各表面平均风压系数和最不利风压系数的变化规律。试验结果表明:当建筑长边迎风时,开洞使得背风面洞口附近的平均风压系数绝对值增大,但迎风面上的平均风压系数变化很小;当建筑短边迎风时,开洞对洞口附近的平均风压系数和最不利正风压系数均只有微弱影响,但对其最不利负风压系数却有很大影响,特别是中部开洞,将使其周围的最不利负风压系数增大一倍以上;开洞对短边立面上的最不利风压系数不产生明显的影响。为有结构开洞的高层建筑洞口附近的围护结构设计提供了参考数据。     

外附网架对高层建筑立面围护结构风荷载影响研究

基于刚性模型表面压力测量风洞试验,对一外附网架且外形复杂的高层建筑立面上典型测点的最不利风压系数进行研究,分析外附网架和复杂周边环境的影响。试验结果表明,高层建筑立面上的最不利正风压系数在风向近似正对测点时发生,最不利负风压系数通常在来流风向与测点所在面大致平行时发生;外附网架使得建筑绕流的分离点向下游方向移动,这种效应在大曲率曲面或是边缘有尖角的面上作用很微弱,而在小曲率曲面上的作用则很显著;复杂周边环境对目标建筑的遮挡效应十分明显,目标建筑在受干扰时的气动力谱中,分布在高频区段的能量高于未受干扰的情况,这可能导致结构风振响应的共振分量增大。     

凹凸变化截面超高层建筑围护结构风荷载研究

基于一凹凸变化截面的刚性模型表面压力测量风洞试验结果,对超高层双塔建筑立面上测点的最不利风压系数进行了研究,分析了复杂截面及邻近的姊妹塔楼对建筑立面上围护结构风荷载的影响,得到了一些有用的结论。     

一大跨度悬挑雨篷的风荷载及开洞比较

对一座将建于强风区的悬挑屋盖(雨篷)结构模型进行了风洞试验,研究了大跨度悬挑屋盖上的风荷载特性。不同工况下屋盖表面的风压分布特性表明,周边建筑对所测建筑的风荷载有较大的干扰影响。还研究了在顶部开洞情况下屋盖表面的风压分布特性,结果表明开洞后屋盖上的风压有一定程度的降低。     

上海铁路南站平均风荷载的风洞试验和数值模拟

介绍了上海铁路南站模型风洞试验和风荷载数值模拟的主要结果。通过风洞试验,给出了这一大跨度屋盖结构在无周边建筑和有周边建筑情况下屋面的风压分布特性。总的来说,挑篷迎风前缘有较大的负压,且梯度较大;前缘中部压力系数接近零;屋盖顶部又呈现负压状态;屋盖背风处一般是正压。同时,基于CFX5.5软件平台,利用RSM湍流模型,对屋盖上的平均风压进行了数值模拟,并将计算结果与测压模型风洞试验数据进行了对比。对比结果显示两者较为吻合。此外,通过降低悬挑部分的高度以研究几何参数变化对平均风荷载的影响。数值模拟表明,降低悬挑高度可以显著减小悬挑部分的平均风荷载。     

复杂型体悬挑屋盖风荷载风洞试验与数值模拟

基于Fluent 6.1软件平台,将Realizablek-ε模型与非平衡壁面函数搭配使用,对位于海岛强台风地区的某海洋文化中心屋盖风压分布进行了计算流体动力学(CFD)数值模拟,同时也对该建筑进行了风洞试验。模拟结果与风洞试验数据的对比显示数值模拟可较准确地反映实际风压。风洞试验和数值模拟均显示悬挑屋盖受到了很大的吸力,对屋盖结构极为不利,对此问题采取在屋盖悬挑部分开洞的减压措施,以改善屋盖悬挑部分的受风特性。对开洞后的建筑进行了CFD建模与计算,结果表明在屋面前缘开洞可有效降低屋盖悬挑部分的最大风压和所受的竖向升力,大大改善屋盖结构的受力状态。     

高层建筑立面装饰构件设计风荷载探讨

现代建筑外立面大量使用装饰构件,如遮阳板、扶手、百叶与女儿墙等,且风荷载一般为该类构件设计的控制荷载。由于风洞试验都采用缩尺模型,很难在常规风洞中直接测量小构件上的设计风荷载。为了确保外立面装饰构件在风荷载下的安全性与经济性,需要对高层建筑外立面装饰构件风荷载取值的合理性进行探讨。通过文献调查该类小构件所采用的风洞试验研究方法与分析主要国内外规范中有关外立面装饰构件荷载取值的相关规定,对我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中存在的问题进行了探讨,指出了当前设计规范与风洞试验方法存在的不足。然后,基于已有荷载规范与ARUP项目经验,给出了高层建筑立面小构件设计风荷载的估算公式,并结合ARUP典型项目中有关外立面小构件的风洞试验,对外立面构件试验方法的合理性与幕墙构件荷载取值进行讨论。最后指出了装饰小构件设计风荷载当前存在的问题与并给出了相应的对策建议,可供工程设计与规范修订提供参考。     

超高层建筑的风荷载及风能发电应用研究

珠江城商务写字楼高309.6m,在大楼中上部安装有4个风能发电机进行风能发电,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。对该建筑进行了大比例尺(1∶150)模型的风洞试验,根据试验结果计算了该结构的基底等效风荷载,分析了吸风口附近和各立面风压分布的特点、吸风口内风速放大的特点以及高层建筑中应用风能发电的可行性,并将基底等效风荷载与小比例尺模型的风洞试验结果进行了对比。结果表明:根据不同比例尺模型的风洞试验结果计算的基底等效风荷载会有所不同;在超高层建筑中开设吸风口应用风能发电,对减少结构总体风荷载是有益的,但风机运行时,吸风口内测点极小值风压比无风机时最大增加65%。在超高层建筑中应用风能发电是一种开创性的策略,在超高层建筑中可获得比10m高度处大29.5倍的风能,但要充分利用高层建筑进行风能发电需进行深入研究。     

双坡低矮建筑风压系数的概率统计特性分析

基于低矮建筑表面风压测量风洞试验数据,分析了低矮建筑各部位风压系数的概率统计特征。分析结果显示,在迎风墙、屋盖上风区和侧墙上风区以及斜风时屋盖某些关键测点上,风压系数的偏度系数和峰度系数都严重偏离高斯过程对应值,表现出很强的非高斯性;在背风墙、屋盖下风区和侧墙下风区,尽管风压系数的偏度系数接近高斯过程对应值,但峰度系数仍然偏大,风压系数仍然是非高斯性的。将利用峰值因子法得到的模型各测点上的最不利正、负风压系数与直接观察法得到的结果进行了对比,结果表明,峰值因子法低估了墙面上的最不利正、负风压系数,低估了屋盖上的最不利负风压系数,但高估了屋盖上的正风压系数,估计误差率在-37%～+120%之间。     

大跨度刚性屋盖数值模拟及女儿墙对风压影响分析

为研究不同围护结构对主体结构及自身承受风荷载的影响,对三种不同围护结构体系的平屋盖刚性模型(普通平屋盖、设女儿墙平屋盖和设悬挑平屋盖模型)的风洞试验进行CFD数值模拟,数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,利用建立的CFD数值模拟模型,对三种不同高度女儿墙的平屋盖刚性模型进行数值模拟分析。对不同围护结构的屋面风压分析表明:悬挑部分对主体屋面前缘风压降低效果明显;女儿墙设置可减小屋面迎风前缘与角部区域的负值风压,屋盖后部出现了局部正压。对不同高度女儿墙模型数值模拟表明:女儿墙高度主要影响屋面1/3范围内的风压、角部区域风压及屋面风压梯度,女儿墙越高,女儿墙承受风压越大,在实际工程中应考虑风压对女儿墙的不利影响。     

高层建筑顺风向脉动荷载相干性研究

在确定高层建筑顺风向风致响应及等效静力风荷载时,顺风向荷载的竖向相干函数是非常重要的因素之一。目前的大多数研究均是以风速的相干函数来代替风压的相干函数,导致计算结果的误差较大。根据多个高层建筑模型表面测压风洞试验结果,详细分析高层建筑脉动阻力在B、D两类风场中的竖向相干特性,给出顺风向阻力竖向相干函数衰减指数CDz的公式,并与有关文献中提出的Davenport、Shiotani、ECCS等三种风速相干函数的表达公式进行比较,指出阻力相干性要明显大于风速相干性。结合准定常理论,计算一栋实际高层建筑的顺风向风致响应。结果表明:利用给出的阻力竖向相干函数得到的结果与根据风洞试验数据计算的结果相吻合,而其他几种表达公式导致的响应误差则较大,最大可达30%。     

设有外镂空装饰结构的扭转体型高层建筑风荷载研究

对设有外镂空装饰结构的扭转体型高层建筑的风荷载采用风洞试验方法进行研究,分析扭转体型高层建筑风压和风荷载合力的分布特征,研究装饰结构对主体结构风压分布的影响、装饰结构自身内外表面的风压分布特点,比较有无装饰结构的扭转体型高层建筑风荷载合力。结果表明：扭转体型对主体结构的局部风压和扭矩产生较大的影响,但对主体结构X向和Y向风荷载合力的影响不大;装饰结构对主体结构迎风面和背风面的风压影响较小,但能明显减小主体结构侧风面风压的平均值和脉动效应,使得主体结构的极值负压得到降低,有利于围护结构的抗风设计;装饰结构上同一位置内外表面的平均风压非常接近,合成的净压值很小;装饰结构对于主体结构的平均风荷载影响较小,但降低了主体结构风荷载的脉动效应,对主体结构的抗风有利。     

竖向外伸肋板对高层建筑气动力特性影响的试验研究

为研究建筑外表面竖向外伸肋板对高层建筑气动力的影响,试验中采用了1个未设置肋板的参考模型和4个不同肋板布置形式的研究模型,通过模型测压风洞试验,获得了不同风向角下各模型的表面风压,进而对比分析了各模型的基底弯矩系数和层风力系数。试验结果表明：在所有试验模型中,外伸宽度d(d=7.5%D,D为模型长度)较小且靠近建筑边缘(b=15%B,b为肋板与模型边缘距离,B为模型宽度)的竖向肋板可以有效降低横风向脉动层风力系数,最大降幅为40.17%;竖向肋板可以有效降低基底弯矩系数的极值,顺风向和横风向的基底弯矩系数极值最大降幅分别为28.64%和39.02%。通过对比横风向气动基底弯矩功率谱密度发现,无肋板参考模型与加肋板模型的功率谱密度接近,说明竖向肋板的作用并非改变横风向脉动风荷载的能量分布,而是降低其强度;通过研究基底弯矩的相平面轨迹发现,当竖向肋板外伸宽度较小时,顺风向和横风向基底弯矩相关性随着竖向肋板外伸宽度的增大而增强。总体上,通过合理的竖向肋板布置能够取得较为显著的气动优化效果。     

高层建筑三维非定常风场并行计算的数值模拟

为了分析风洞试验中观测到的高层建筑模型尾流有规律的漩涡脱落现象,基于计算流体动力学软件CFX和消息传递接口(MPI),利用局域网搭建了并行计算平台,实现了单台计算机无法实现的高层建筑三维非定常风场数值计算。采用剪应力模型(SST)进行数值计算,捕获到了高层建筑尾流的漩涡脱落现象,并与风洞试验数据做了比较。结果表明,三维非定常计算获得的高层建筑表面风压变化规律,较之三维定常和二维非定常计算所得的风场,能更真实地反映风场流动情况。     

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。     

Effects of grid curtains on the wind loads of a high‐rise building

The effects of grid curtains on the local and overall wind loads of a high‐rise building are investigated in detail according to a series of wind pressure and wind force tests on rigid model in a wind tunnel. The effects of grid curtains on the mean and fluctuating wind pressures on windward and sideward walls when the wind direction is parallel to the geometrical axes are investigated, along with the effects of the most unfavorable wind pressures for all wind directions. Furthermore, the effects of grid curtains on the mean and fluctuating aerodynamic forces on the entire building are also analyzed for various wind directions, along with the effects of grid curtains on the aerodynamic force spectra when the wind direction is parallel to the geometric axes. The test results indicate that grid curtains affect the mean and fluctuating windward pressure slightly but greatly influence the large sideward negative pressures. Grid curtains increase the mean and fluctuating windward aerodynamic forces and reduce the fluctuating aerodynamic torsions. According to the aerodynamic force spectra, grid curtains can mainly affect the wind forces in the low‐frequency range. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

女儿墙对平屋面低矮建筑风荷载特性的影响

对平屋面低矮建筑进行1∶25缩尺刚性模型测压风洞试验,研究了无女儿墙工况和4种不同高度女儿墙的平屋面低矮建筑的风荷载分布规律。无女儿墙的平屋面主要承受风吸力作用,斜风向锥形涡诱导的最不利吸力区域为屋面迎风边缘角部区域,为全风向下最不利区域。女儿墙的存在可明显减小屋面的平均风吸力和极值风吸力,平均风吸力减小幅度可达150%,同时最不利平均风压系数和极小值风压系数的出现位置逐渐远离了屋面角部区域;随着女儿墙高度的增加,极值风吸力进一步减小,极值风压力增大,最大的极大值风压系数出现在尾流区;采取分区的方式给出了不同女儿墙高度的屋面体型系数建议取值。     

Investigation of indoor air pollutant dispersion and cross-contamination around a typical high-rise residential building: Wind tunnel tests

The dispersion of air pollutant in complex building environment has become of great concern as more and more people live in large and crowded cities. The present work is aimed at investigating the indoor air pollutant dispersion and possible cross-unit contamination with typical high-rise residential building design in Hong Kong. Experiments were performed in a boundary layer wind tunnel for a 1:30 scale model that represented a 10-story residential building in prototype. Tracer gas, simulating exhausted room air, was continuously released from three different floor levels, and its concentrations on the adjacent and opposite envelope surfaces were measured using fast flame ionization detectors, while the pressure distributions along building facade were also measured and examined under a typical incoming wind profile. By analyzing the pressure and concentration distribution, the risk of air cross-contamination was evaluated under two wind directions. The experiment results illustrated that, in the so-called re-entrance spaces, the pollutant can spread in both vertical directions, not only in the upward direction that was found under buoyancy effect, but also in the downward direction. Furthermore, dispersion can also occur in the horizontal direction, indicating a potential risk of cross-contamination in the horizontal adjacent flats could not be overlooked as well. The study on this physical process is directly useful for the purpose of prevention and control of infectious diseases outbreak in the residential environment. In the long run, the wind tunnel test data will serve to develop computational tools to assist natural ventilation design for high-rise buildings.     

基于风洞试验的高层建筑风荷载研究及抗风设计

基于刚性模型同步测压风洞试验结果,采用覆面积分频域计算方法,对广州松日总部大楼风荷载进行了研究.结果表明:相比顺风向而言,大楼楼层横风向振动曲一致性更强;不同风向角下顺风向与横风向基底弯矩分量组成各不相同,其与建筑立面形式相关;大楼振动舒适度满足规范要求.通过进行等效静风荷载和峰值加速度的敏感度分析,为结构优化设计提供了指导.