大高宽比方形截面高层建筑的横风向风荷载及风致响应研究

基于一栋高层建筑的刚性模型表面压力测量风洞试验数据,分析了高宽比较大且截面为方形的高层建筑横风向风效应的共同特征。得到如下结论:高层建筑横截面为方形时,其横风向风荷载主要由规则性旋涡脱落导致的尾流激励构成,为窄带随机激励;当高层建筑的高宽比较大时,基阶固有频率相对较低;当高层建筑兼具方形截面和大高宽比这两个特征时,其基阶固有频率可能接近其尾流的旋涡脱落频率,从而发生剧烈的横风向涡激共振。建筑结构截面的小幅增大可使这种剧烈的横风向涡激共振得到有效控制。上部外形的适当处理,也可能有效降低高层建筑的横风向等效风荷载。低矮群楼的出现将在一定程度上影响高层建筑的风荷载。     

Interference effects on wind loading of a row of closely spaced tall buildings

Interference effects on a row of square-plan tall buildings arranged in close proximity are investigated with wind tunnel experiments. Wind forces and moments on each building in the row are measured with the base balance under different wind incidence angles and different separation distances between buildings. As a result of sheltering, inner buildings inside the row are found to experience much reduced wind load components acting along direction of the row (x) at most wind angles, as compared to the isolated building situation. However, these load components may exhibit phenomena of upwind-acting force and even negative drag force. Increase in x-direction wind loads is observed on the upwind edge building when wind blows at an oblique angle to the row. Other interference effects on y-direction wind loads and torsion are described. Pressure measurements on building walls and numerical computation of wind flow are carried out at some flow cases to explore the interference mechanisms. At wind angle around 30° to the row, wind is visualized to flow through the narrow building gaps at high speeds, resulting in highly negative pressure on associated building walls. This negative pressure and the single-wake behavior of flow over the row of buildings provide explanations for the observed interference effects. Interference on fluctuating wind loads is also investigated. Across-wind load fluctuations are much smaller than the isolated building case with the disappearance of vortex shedding peak in the load spectra. Buildings in a row thus do not exhibit resonant across-wind response at reduced velocities around 10 as an isolated square-plan tall building.     

基于极值相关性的超高层建筑风荷载组合研究

为研究不同长宽比超高层建筑三维风荷载组合,通过高频测力天平风洞试验得到了5种长宽比的矩形超高层建筑基底剪力、弯矩和扭矩时程。基于试验数据和计算结果,分析了三维风荷载效应的分布及其极值相关性。在此基础上,对比分析了不同长宽比的超高层建筑顺风向与横风向、顺风向与扭转向以及横风向与扭转向之间的风荷载效应极值分布规律和统计参数。最后,采用概率统计方法评估了不同长宽比对结构三维风荷载组合系数的影响,并给出了一组基于极值相关性分析的结构三维风荷载组合系数推荐值。结果表明：对于超高层建筑,虽然不同方向风荷载效应之间相关系数可能很低,但其三维风荷载效应极值相关性不可忽略;以横风向或扭转向为主方向进行组合时,其余方向同步比值存在明显的非高斯分布特性;对于不同长宽比超高层建筑,其极值相关性的差异会导致组合系数存在差别,在确定风荷载组合方法时,应考虑长宽比的影响。     

高层建筑的横风向激励特性和计算模型的研究

将高层建筑的横风向激励分解为横风向紊流和涡激力激励。根据10个典型高层建筑模型的风洞试验结果,分别研究了两种激励的特性和计算模型,给出典型建筑的横风向紊流激励力系数、涡激力系数和相应的形状系数。特别着重研究涡激力功率谱函数和相干函数,总结出的结果可加深对高层建筑横风向荷载特性的认识,所建立的典型高层建筑的横风向荷载计算模型可用于实际工程。     

超高层建筑结构抗风性能研究

针对按规范公式计算得到的超高层建筑结构风致振动不尽合理的问题,以西安环球贸易中心超高层建筑为工程背景,首先通过风洞试验测得各楼层的风荷载,再利用ANSYS参数化设计语言编制了能够精确求解超高层建筑风振系数及等效静风荷载的程序,进而对超高层建筑的抗风性能进行研究。结果表明:当风向角接近90°时,结构中部出现了极值位移风振系数,且其迎风面顺风向的变形和内力都达到了最大值,横风向的变形和内力则最小;当风向角为20°~70°时,位移风振系数随着楼层的增高而增加,其峰值出现在顶层;随着风向角的变化,结构扭转加速度峰值在各区间都是先减小后增大,特别是风向角呈45°左右时,结构扭转变形和基底扭矩达到了最大值;提出的将风洞试验与有限元分析相结合的新方法可为同类工程的抗风设计提供参考。     

有关高层建筑结构风振荷载的比较分析

本文根据作者收集到的有关资料与研究成果,发现国外有关规范中根据风洞试验数据给出的横风向脉动风压谱与原型观测数据有一定的差异,文中通过对作用在结构上脉动风荷载进行对比分析,对横风向风振响应计算方法提出了一些改进意见,从而达到不低估设计基准期内最大风速的横风向风振反应值的效果。由于超高层的横风向振动可能大于顺风向振动,文中建议在风振反应分析中,应同时考虑顺、横两个方向引起的作用力。     

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。     

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。     

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。     

高层矩形建筑横风向风力特性试验研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转方向的风荷载,整理了横风向风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数,分析了流场绕流的特点,总结了横风向风力对扭转的贡献。得到如下结论:选取分离点作为参考点时,横风向水平相关性随厚宽比增加变化较大,通过确定其零点位置可以定量确定再附点位置;横风向风力竖向相关性受所选基点位置影响程度较小;竖向相干性随厚宽比增大而降低;模型厚宽比大于1.5时,结构扭矩谱几乎全部由横风向贡献。     

典型超高层建筑风荷载频域特性研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行了测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转风荷载,对风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数进行了细致分析。得出以下结论:方形建筑阻力系数谱的峰值频率基本上与来流纵向风谱保持一致,升力系数谱的频带随着地面粗糙度的增大而变宽,能量减小,扭矩系数功率谱的能量随紊流度的增加而增加;矩形建筑长边迎风时,升力和扭矩系数谱均表现出很强的旋涡脱落特征,斯特罗哈数约为0.11,短边迎风时,升力和扭矩系数谱的频带明显变宽,峰值频率降低;升力和扭矩系数的相关性比较强,而阻力系数和升力系数、扭矩系数之间的相关性则相对小些;在旋涡脱落频率附近,升力系数和扭矩系数的相干性都明显增强。     

超高层建筑表面风荷载数值模拟研究

该文通过计算流体力学数值模拟技术对某超高层建筑进行了表面风荷载分布的数值模拟。结果表明：由于漩涡脱落,在结构侧面边缘出现了较强烈的负压区;在周边建筑干扰高度范围内,结构表面风压分布较混乱,结构在干扰高度以上部分风压分布比较规律;局部部位的设计风压应参考各风向角下风压峰值。     

不同圆角率下矩形高层建筑风荷载特性

通过刚性模型风洞测压试验,对4种不同圆角率（即圆角半径与模型短边迎风宽度之比分别为0、5%、10%和20%）的矩形截面高层建筑表面风荷载特性进行研究。对比了不同圆角率下建筑表面的风压分布与相关特性：圆角处理使得建筑迎风面边缘倒圆角处出现较大平均风压、极值风吸力和脉动风压;在侧风面上,平均与脉动风压梯度变化范围随圆角率的增大而逐渐减小,且横向相关性明显增强。分析了建筑顺风向与横风向的整体风力,圆角处理通过促进再附着从而减小尾流宽度,可降低高层建筑的顺风向阻力和倾覆弯矩,降幅随着圆角半径的增大而提升,同时,横风向升力和倾覆弯矩也将有所下降。     

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。     

超高层建筑风荷载的试验研究

超高层建筑的风致振动是结构设计的主要控制因素之一。但目前对横风向风荷载的研究远不能满足工程应用和规范制定的需要。本文应用高频动态测力天平技术,对常见的１３种典型断面的超高层建筑模型进行了不同风场条件下的风洞试验,研究了其风荷载,特别是横风向风荷载。结果表明,外形和风场对风荷载有很大的影响,而长细比对无量纲风荷载的影响甚微。本文最后给出的一阶横风向广义风力系数谱的拟合公式,可供规范修订参考。     

Across-wind loads of typical tall buildings

Previous studies have indicated that the across-wind dynamic responses of super-tall buildings are usually larger than the along-wind ones. With the increase of heights, the across-wind dynamic response of super-tall buildings has been a problem of great concern. In this paper, 15 typical tall building models are tested with high-frequency force balance technique in a wind tunnel to obtain the first-mode generalized across-wind dynamic forces. New formulas for the power spectra of the across-wind dynamic forces, the coefficients of base moment and shear force are then derived. Parametric analyses of the effects of factors on the across-wind loads of the buildings are performed. Besides, a SDOF aeroelastic model of a square tall building with an aspect ratio of 6 is selected from the above buildings and is tested to investigate its across-wind dynamic response and aerodynamic damping characteristics. The power spectrum of the across-wind force of the square building is employed to compute its across-wind dynamic responses with and without considering the effect of the aerodynamic damping. The computed responses are then compared with the corresponding responses from the aeroelastic model test to verify the present formulas of the across-wind loads of buildings.     

Effect of aspect ratio on the aerodynamic performance and correlation of square section building exposed to twisted wind profile

This study investigates the aerodynamic performance of three square-section buildings with different aspect ratio (AR = 1:1, 1:4, and 1:6) exposed to twisted wind profile (TWP) by pressure measurement test. The effect of AR on the correlation of wind loads specifically for TWP is systematically revealed from both time–frequency domain and local–global perspective. Results show that compared with its counterparts in conventional wind profile (CWP), the effect of AR on aerodynamic load under TWP becomes significantly different and more prominent, which can be categorized into two types of patterns. For pattern low-rise building, TWP is more resembling the condition of CWP with certain attack angle. For pattern high-rise building, TWP results in stronger momentum exchange along building height but suppresses fluctuating feature associated with Karman vortex. As a result, under TWP, mean base moments of all buildings are enhanced except for longitudinal component of case AR = 1:4 and 1:6; while the fluctuating base moment for three AR cases is all reduced, which indicates that dynamic pattern of wake flow is suppressed. Moreover, the discrepancy of local wind load between case CWP and TWP concentrates on the lower-middle location for high-rise building but distributed evenly along all low-rise building height. Additionally, it is found that the effect of AR on aerodynamic correlation exhibits different mechanisms and patterns when building is under the impact of CWP or TWP.     

单重和多重调谐质量惯容阻尼器控制连体超高层建筑风振响应比较研究

连体超高层建筑因存在强烈的气动干扰,在强风下可能会出现大幅相对振动,调谐质量惯容阻尼器(TMDI)是一种振动控制装置,其惯容器两端的相对加速度较大时,TMDI振动控制效果较好。结合两者各自的特点提出了多重调谐质量惯容阻尼器(MTMDI)控制连体超高层建筑的风振响应,两个TMDI分别控制两栋建筑各自的一阶自振频率。首先建立了MTMDI控制连体超高层建筑风致响应数学模型,然后开展了某连体超高层建筑的刚性模型同步测压风洞试验;最后,基于该数学模型和测压风洞试验结果分析了该连体建筑在分别安装两个和单个TMDI对风振加速度和位移响应的减振效果。研究结果表明：虽然两个TMDI的总质量和总惯容量比单个TMDI相应的参数小,但两者的减振效果基本相同,两者都能有效地减小两栋建筑在各个风向角下的加速度响应,如在270°风向角下,安装TMDI后两栋建筑顶层加速度响应分别减小了37.5%和50.0%;对于位移响应,两者都可以减小高栋建筑的响应,其对低栋建筑在少部分风向角下的减振效果并不理想。     

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。     

平面T形低矮房屋风荷载特性风洞试验与数值分析

对复杂体型的平面T形低矮双坡屋面房屋的风荷载特性进行了风洞试验研究,得到了屋面风压系数以及各屋面体型系数的变化规律;采用计算流体力学软件FLUENT建立了数值风洞模型,在数值分析结果与风洞试验结果吻合良好的基础上,对影响屋面平均风压系数及体型系数的风攻角、屋面坡角、檐口高度、房屋几何尺寸和屋面形式等参数进行了详细分析。结果表明:屋面坡角和风攻角对屋面风压系数的影响显著;在不同风攻角作用下,迎风屋面屋檐及屋脊附近形成较高负压;当屋面处于背风区域时,风压系数分布较均匀;四坡屋面坡角为30°时屋脊背风区域易形成较大负压,局部更易遭受破坏。