强风作用下楔形外形超高层建筑横风效应试验研究

对正方形平面沿高度方向逐渐收缩的楔形外形超高层建筑进行同步测压试验,分析不同高度横风向气动荷载功率谱密度、相干特征、结构基底气动弯矩和相应的风振响应,在此基础上进一步考虑切角对结构气动荷载和响应的影响。研究结果表明：采用锥形外形可有效地消减作用于结构上的横风向气动荷载,并在一定条件下消减结构的风振响应;楔形外形可以抑制漩涡脱落的强度,但不能消除结构的漩涡脱落现象,且会升高结构的漩涡脱落频率并进而升高结构的风致响应;在楔形外形的基础上再进行切角处理可以基本消除结构的横风向漩涡脱落现象;经切角处理后,楔形外形结构的横风向风致峰值基底弯矩在结构1阶模态自振周期6.12~14.28 s范围内基本保持不变;对于锥度η为2.2%和 4.4%的高层建筑,切角处理后其100年重现期的峰值基底弯矩分别比未切角减少31.13%和14.58%。     

强风作用楔形超高层建筑的局部气动抗风措施研究

在边界层风洞中对4栋缩尺比为1∶600、高546 m的等截面、沿高度渐缩和切角的正方形平面高层建筑模型,以及对这些建筑的3个不同高度设备层角区进行敞开处理(局部气动措施)后的瞬态风压分布进行同步测压试验。对结构表面脉动风压场的分布特性、气动荷载沿高度分布、频域相干性、基底气动弯矩功率谱密度以及基底弯矩响应等进行详细分析比较。结果显示:局部气动措施可以显著消减横风向漩涡脱落频率附近的气动弯矩功率谱密度值,且对于平面切角后气动弯矩谱和漩涡脱落有关的残余能量部分同样有较为显著的消减效果,所采取的局部气动措施宜选在脉动风压场分布较强的结构中上部位置,建议选在0.6~0.8倍结构高度之间。风振计算结果显示在3个设备层角区均敞开的情况下可以分别使4栋建筑的100年重现期的横风向风致峰值基底弯矩减少25.7%、21.0%、24.9%和15.5%,且在结构实际自振周期与有限元分析得到的自振周期之比在0.60~1.35范围内时,所采取措施对建筑结构风致荷载消减效果在10%~32%之间。     

Interference effects on aerodynamic and wind-induced responses for an upstream interfering building with small section size

上游来流经小截面施扰建筑可产生频率较高的漩涡，在较低的风速下会使受扰建筑发生涡激共振而受到较大的干扰作用。为此，通过同步测压风洞试验和风振响应计算，详细分析上游施扰建筑与下游受扰主建筑的截面宽度比为0.4时的受扰建筑基底气动弯矩、基底峰值弯矩响应以及结构顶部峰值加速度的干扰效应。结果表明：在B类和C类地貌风场下受扰建筑基底平均和脉动气动弯矩均表现为遮挡效应和弱放大效应，最大干扰系数仅为1.05；顺风向、横风向基底峰值弯矩响应和顶部峰值加速度的干扰效应都较基底平均和脉动气动弯矩的强；结构顶部峰值加速度的干扰效应明显强于基底峰值弯矩响应，其中在B类和C类地貌风场下的横风向峰值加速度均在串列位置(2b, 0)附近处呈现强放大效应，最大包络干扰系数分别为4.7和3.03。进一步对尾流涡激共振的干扰机理研究表明，基底峰值弯矩响应和结构顶部峰值加速度响应的放大效应干扰机理是一致的。对于受小截面施扰建筑影响的情况，仅分析气动力的干扰效应是不够的，必须考虑不同折算风速下的荷载响应包络干扰效应。     

小截面建筑干扰下的高层建筑气动力及风致响应研究

上游来流经小截面施扰建筑可产生频率较高的漩涡,在较低的风速下会使受扰建筑发生涡激共振而受到较大的干扰作用。为此,通过同步测压风洞试验和风振响应计算,详细分析上游施扰建筑与下游受扰主建筑的截面宽度比为0.4时的受扰建筑基底气动弯矩、基底峰值弯矩响应以及结构顶部峰值加速度的干扰效应。结果表明：在B类和C类地貌风场下受扰建筑基底平均和脉动气动弯矩均表现为遮挡效应和弱放大效应,最大干扰系数仅为1.05;顺风向、横风向基底峰值弯矩响应和顶部峰值加速度的干扰效应都较基底平均和脉动气动弯矩的强;结构顶部峰值加速度的干扰效应明显强于基底峰值弯矩响应,其中在B类和C类地貌风场下的横风向峰值加速度均在串列位置(2b, 0)附近处呈现强放大效应,最大包络干扰系数分别为4.7和3.03。进一步对尾流涡激共振的干扰机理研究表明,基底峰值弯矩响应和结构顶部峰值加速度响应的放大效应干扰机理是一致的。对于受小截面施扰建筑影响的情况,仅分析气动力的干扰效应是不够的,必须考虑不同折算风速下的荷载响应包络干扰效应。     

深圳京基金融中心气动抗风措施试验研究

深圳京基金融中心高439m,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。采用高频底座力天平方法对该建筑模型进行了风洞试验,考察了利用其顶部设备和避难层进行开敞形成不同的风走廊(气动措施)对结构风荷载和风致响应的影响。试验结果表明：在重现期100a敏感风向作用下结构漩涡脱落频率明显低于结构基阶固有频率;气动措施可显著抑制和削弱脱落漩涡的强度,当没有受到明显干扰影响时,气动措施显示出良好的抗风效果。不同气动措施可使重现期100a结构基底弯矩减少8.2%~21.2%,使重现期10a峰值加速度减少5.3%~16.0%;受到来自于地王大厦的干扰效应的影响,在所关注重现期风速范围内的结构风振响应为上游地王大厦的尾流所控制,影响了气动措施的控制效果,但在发生涡激共振的临界风速时气动控制措施效果显著。     

外伸板对高层建筑横风向风致响应影响研究

高层建筑风荷载与风致振动是高层建筑抗风设计中的两个控制性因素。已有研究表明,外伸板可以有效降低结构风荷载,但其对结构风致振动的影响并未得到系统研究。选取6种不同的外伸板布置方案,分别开展刚性模型测压试验与气弹模型测振试验,针对布局不同的外伸板对高层建筑横风向风致响应的影响开展对比分析。结果表明：当折减风速不大于11时,外伸长度为7.5%B(B为建筑迎风面宽度)的竖直外伸板可使建筑的横风向位移标准差最多减小26%,外伸长度为12.5%B、相邻两层外伸板间距为8%H(H为建筑高度)的水平外伸板,能够使建筑横风向位移标准差最多减小37%;而当折减风速大于13时,外伸板反而会增大建筑结构的横风向风致响应,从而对建筑结构安全产生不利影响。对于采用外伸板的降载减振设计,当折减风速低于6时,气弹效应对建筑结构横风向风致响应基本没有影响;当折减风速介于6～11之间时,气弹效应能够进一步抑制横风向风致响应;而当折减风速大于13时,气弹效应会引起明显的气动负阻尼,加剧横风向风致响应。     

超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究

为避免中国现行《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中所采用的风振系数仅考虑结构的1阶振型,而不考虑周围环境影响对体型不规则超高层建筑结构抗风设计造成的不合理性,采用风洞试验与风振动力响应计算分析相结合的方法,考虑结构不规则的影响以及相邻建筑的气动干扰和横风效应来获得超高层建筑结构抗风设计所需的顺风向和横风向的等效静风荷载和风致动力响应。结果表明：由于周围建筑的干扰,顺风向、横风向的风荷载规律与一般超高层建筑不同,其不利角度也与规范存在差异;所得结论为超高层建筑结构的抗风设计提供了依据和参考。     

深圳京基金融中心横风向气动阻尼试验研究

针对439 m的深圳京基金融中心（KFT）工程,采用气动弹性模型技术研究其横风向气动阻尼特性。根据工程地址的100 a重现期风速、缩尺比例以及前期刚体模型同步测压所得到结构风敏感风向（东西向）的广义力功率谱密度特征确定气弹模型试验的风速范围,通过风洞试验获取不同风速下气动弹性模型敏感风向的顶部加速度响应数据,应用随机减量技术计算分析横风向气动阻尼随折算风速的变化规律,试验考虑结构模态阻尼对气动阻尼的影响。结果表明：在折算风速为4~14的范围内,结构气动阻尼值均大于0且随风速的增大而增大,上游地王大厦(DWT)的干扰效应对气动阻尼未产生不利影响,KFT的基本频率和DWT脱落在尾流中的漩涡频率一致的100 a重现期风速时的气动阻尼比为1.25%,表明前期采用刚性模型试验对KFT进行抗风设计时,不考虑气动阻尼影响计算得到的结构风致荷载和风致响应偏于保守和安全。     

广州西塔风效应研究

广州西塔高432m,是目前华南地区的最高建筑,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。采用同步多压力扫描系统(SM-PSS)对其进行多点同步瞬态测压试验,并结合完全二次型组合(CQC)方法和扩展的荷载响应相关(ELRC)方法对其进行风振响应分析和等效静风荷载(ESWL)计算。分析了不同风剖面取值方式、结构模态阻尼比、峰值因子等参数对西塔风致响应的影响,同时也分析了待建的东塔对西塔的干扰效应。结果显示:采用不同风速分布模型计算得到的风荷载可能会产生38%的差异;由于横风向效应,结构在控制性风向的风致响应、荷载和结构模态阻尼比的均方根成反比;待建东塔的干扰影响会使西塔的100年重现期基底弯矩、50年重现期结构位移和10年重现期峰值加速度分别增加9%,37%和75%。     

偏转风场下方形截面超高层建筑风致响应与气弹效应研究

超高层建筑具有轻质高柔的特点,强风作用下其气弹效应明显;且水平风向角沿高度偏转,导致超高层建筑的风荷载和风致响应与不考虑风向偏转时有明显不同。为此,完成了风向偏转角为25°的偏转风场及其无偏等效风场下一方形截面千米级超高层建筑的气弹模型试验,基于试验所得的模型顶点加速度时程,结合Hilbert-Huang变换方法和改进的随机减量法识别了气动阻尼比,对比分析了风向角、折减风速和有无风向偏转对气动阻尼比、极值加速度、涡激共振临界风速和锁定区的影响规律,探究了偏转风作用下千米级超高层建筑的风致响应、气弹效应和涡激振动等特性。研究结果表明：风向角对气动阻尼比和极值加速度影响较大,会显著改变其变化规律和涡激共振临界风速;基于频域分析所得的涡激共振临界风速小于由气动阻尼比或极值加速度确定的涡激共振临界风速,表明后者所反映的涡激共振特性具有滞后性,将导致结构不安全;相比无偏等效风作用,偏转风作用下水平向气动阻尼比较大,结构的顶点极值加速度较小,角部极值加速度的最大降幅可达38.3%。     

正六边形超高层建筑横风向气弹效应研究

为研究正六边形超高层建筑横风向风致响应和气动阻尼比,开展了一系列多自由度气弹模型风洞试验。测量模型顶部风致位移和加速度响应,基于随机减量法识别了横风向气动阻尼比。结果表明,在顶角迎风时,正六边形超高层建筑易于出现大幅涡振现象,在立面迎风时没有出现涡振现象。顶角迎风时,横风向气动阻尼比随折算风速增大呈现出“先增大到最大正值、再迅速转为最小负值,再平稳回升到零值附近”完整过程。而立面迎风时,横风向气动阻尼比与折算风速近似呈线性关系。最后,建立横风向气动阻尼比的经验评估公式。相关研究可为正六边形超高层建筑的抗风设计和规范完善提供参考。     

任意排列两方形断面高层建筑风致干扰机理研究

风致干扰效应是高层建筑群抗风设计中的常见难点问题之一。采用刚性模型测压试验,研究了均匀层流和两种大气边界层风场条件下任意排列两方形断面高层建筑的风致干扰效应,通过平均和脉动基底弯矩系数的干扰因子、风力系数、风压系数分布以及风荷载功率谱的研究,解释了其风致干扰效应的机理。结果表明,任意排列的两方形断面高层建筑风致干扰中,至少存在横风向静力干扰、顺风向静力干扰和横风向动力干扰三个值得注意的干扰区域。 窄道形成的加速效应使受扰结构上形成指向施扰建筑横风向平均吸力和阻塞形成的受扰建筑的横风向平均推力;遮挡效应使得受扰建筑承受指向位于上游的施扰建筑的顺风向风力;漩涡叠加增强位于尾流区受扰建筑上的横风向脉动荷载。不同风场的试验结果表明,提高来流的紊流度有助于减弱上述干扰效应。     

超高层建筑气动弹性效应双向受迫振动风洞试验研究

通过双向受迫振动风洞试验对高347m的长沙世茂广场模型的气动弹性效应进行研究,模拟结构平面两个轴向的一阶振动,同步测量了振动模型上的表面风压和模型顶部位移。在对振动模型横风向和顺风向的气动弹性力分析基础上,识别了该模型气动阻尼比和气动刚度比,计算并分析了气动弹性效应对结构风致响应和等效风荷载的影响。分析结果表明,在100年重现期风速作用下,该模型气动阻尼比为正值,气动刚度为负,气动刚度相对于结构刚度较小,对结构自振频率影响不大。考虑气动弹性参数后,顶部最大位移响应可减小5%,最高居住层最大加速度响应可减小10%,由等效风荷载计算得到的基底总剪力和基底总弯矩减小1.1%左右。分析表明,双向受迫振动风洞试验是一种有效且有实用前景的超高建筑气动弹性参数识别方法。     

浅析高层建筑的横风效应

高层建筑的横风向荷载及响应问题非常复杂,来流紊流、尾流和气动反馈的激励与其息息相关,风荷载是高层建筑所承受的主要侧向荷载之一。在沿海地带和非地震区,风荷载又常常成为结构设计的控制荷载,而高层建筑结构设计中的重要部分是包括内力、风荷载、位移、加速度等结构抗风分析。目前,高层建筑横风向风效应研究的内容主要包括以下三个方面:确定横风向气动力、识别横风向气动的阻尼和计算横风向等效静力风荷载的方法,同时确定高层建筑横风向风效应的主要手段有风洞试验、数据拟合和参数识别技术。本文主要讲了横风向气动力的确定、横风向气动阻尼的识别以及横风向等效静力风荷载的计算方法三个方面的内容。     

楔形超高层建筑风效应的大涡模拟研究

风荷载往往是超高层建筑结构安全性和舒适性的控制性荷载。本文通过大涡模拟技术并结合作者建议的一种新的湍流入口生成方法(NSRFG方法),对四种不同锥度的楔形建筑模型进行了风效应的数值模拟对比研究,以比较不同锥度对结构风荷载和风振响应的影响,及检验本文数值模拟方法的适用性。数值模拟结果表明,虽然不同锥度的建筑模型平均风压和脉动风压分布规律相似,但在结构响应方面,结构横风向峰值基底弯矩响应随模型锥度增大显著减少,表明采用适当锥度的体形可以有效地减小结构横风向气动荷载。本文数值模拟结果和风洞试验结果整体规律相符,表明结合改进的入流湍流生成技术的大涡模拟具有一定的精度,可以给超高层建筑气动外形优化研究提供有价值的参考。     

基于代理模型的方形凹角截面超高层建筑气动外形优化

采用CFD数值模拟和基于代理模型的优化方法,研究方形凹角截面超高层建筑在多参数设计空间内的平面外形气动优化问题。首先,选取凹角率、凹角角度和凹角个数作为设计参数并考虑风向角的影响,基于最优拉丁超立方设计和非定常RANS方法获得初始样本点的气动力系数;其次,基于遗传算法(GA)和广义回归神经网络(GRNN)方法构建能准确预测设计参数与气动力系数之间复杂关系的代理模型;再次,以最小气动力系数为目标,利用GA-GRNN代理模型及其更新策略和非支配排序遗传算法在整个设计空间内寻优,确定全风向角下方形凹角截面的最优气动外形;最后,探讨凹角修正对截面气动性能的影响机理。结果表明,基于GA-GRNN代理模型的优化方法在气动外形优化方面具有较高的预测精度和计算效率;全风向角下的最优气动外形截面的凹角率为18.5%、凹角角度为70.4°、凹角个数为5,相比方形截面,该截面可使平均阻力系数和均方根升力系数最多分别减小53.4%和70.5%。该方法可为建筑结构气动外形优化及相关研究提供重要参考。     

长宽比2∶1矩形截面高层建筑全风向气动阻尼试验研究

由于高层建筑阻尼小、频率低,易在风荷载作用下发生明显的气动弹性效应,出现不可忽略的气动负阻尼比。为此,考虑高层建筑的一阶线性弯曲模态,制作了长宽比2∶1的矩形截面高层建筑的单自由度气动弹性模型,模型比例1/600。进行了全风向下气弹模型风洞试验,每个风向测量了10个试验风速下的建筑顶部加速度响应,并采用随机减量方法,对矩形截面高层建筑气动阻尼比进行识别。研究结果表明:对于长宽比2∶1的矩形截面高层建筑,强轴方向的风致加速度响应远大于弱轴方向;两个主轴方向的顺风向气动阻尼比均为正值,但强轴方向的横风向气动阻尼比为负值,无量纲临界风速约为5.5;仅采用横风向气动阻尼比结果,可以很好地反映全风向的气动阻尼特性。     

复杂塔冠对双塔高层建筑风压特性影响的试验研究

利用同步测压风洞试验方法,研究了3种典型风向角下圆角三角形截面双塔高层建筑顶部的花瓣形塔冠对建筑表面风压分布特性和风致响应的影响。基于试验数据,对建筑平均风压和极值风压等值线、整体体型系数、风荷载功率谱密度曲线以及基底合力(矩)进行了分析和比较。结果显示,复杂塔冠在整体上抬高了建筑顶部的风致绕流,使得部分风向角下建筑顶部附近的风压出现增大趋势;塔冠的存在同时使各楼层阻力和升力系数增大,且越靠近顶部增幅越明显;当风向沿着双塔形心连线方向时,由上游塔楼漩涡脱落形成的尾流激振现象十分显著,从而使得该风向角下的峰值加速度和横风向等效静力风荷载均达到最大,而塔冠的存在可能改变横风向风荷载的频谱特性,对于文中研究的双塔高层建筑,塔冠使得涡漩脱落频率略向低频转移,故使相应的峰值加速度和等效静力风荷载有所降低。     

全风向角下二维切角方形桥塔气动措施数值模拟

采用SST K-ω湍流模型,对二维切角方形桥塔气动措施进行了全风向角下的CFD数值模拟研究,雷诺数为5×10~4。分析了添加气动措施对桥塔气动力系数、横风向气动力频谱、斯托罗哈数的影响,并与试验结果进行了对比,二者吻合较好。研究结果表明,风向角α≤25°,升力系数呈下降趋势,添加翼板会显著增大桥塔升力系数;α25°,升力系数呈上升趋势,添加气动措施对桥塔升力系数没有影响。添加气动措施后桥塔阻力系数会增大,最小阻力系数出现在5°～10°风向角范围内。不同风向角下的模型涡脱方式不同,包含的涡脱频率也不同,漩涡脱落不一定是单纯的正弦现象。添加气动措施会减小模型St数,最大St数出现在5°～15°风向角之间。     

来流湍流特性对双塔建筑风效应的影响

为了研究风场中来流的湍流特性对双塔建筑的气动力以及风致响应的重要影响,文中通过风洞同步测压试验,分别得到方形双塔在层流风场与湍流风场下的气动力,然后采用频域计算方法得出两个塔楼在不同风场下的风致响应。结果表明,来流中的湍流作用将极大地改变双塔的风荷载,在层流中两塔受到更大的平均风荷载,而湍流中将受到更大的脉动风荷载,同时在湍流风场下双塔结构的整体位移响应也会明显增加。