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。     

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。     

均匀风场中矩形单体高层建筑风致响应的阻塞效应

在闭口回流式风洞TJ-2中分别对阻塞度为4.1%,6.1%,8.4%,10.1%的单体高层建筑刚性模型进行了测压试验,根据风洞试验结果,选取3种典型结构进行响应计算,以研究阻塞效应对不同结构风致响应的影响。对结构顶部位移和加速度、基底剪力、等效静力风荷载进行了细致分析。结果表明:各结构顺风向顶部位移和基底剪力平均值的阻塞效应较为接近,但顺风向、横风向顶部位移、加速度和基底剪力均方根的阻塞效应较为显著,且差别较大。随着阻塞度的增大,结构质量越轻、刚度越柔,横风向顶部位移、加速度和基底剪力的均方根的阻塞效应均有所降低。各结构顺风向等效静力风荷载峰值在顶部和底部处的阻塞效应较为明显。结构质量越轻,刚度越柔,建筑顶部附近的顺风向等效静力风荷载峰值的阻塞效应增强,而横风向等效静力风荷载峰值的阻塞效应减弱。     

复杂体型高层建筑结构等效静风荷载研究

以某复杂体型高层建筑为例,按照规范计算了结构顺风向风荷载、横风向风荷载、基底剪力和基底弯矩,并与风洞天平测力试验结果进行了对比,分析了规范计算与试验结果之间的差异及其产生原因。     

高层建筑脉动风压谱特性研究

结合长安万科中心写字楼刚体模型测压风洞试验,对高层建筑模型脉动风压谱特性进行了研究,发现迎风面脉动风压谱的试验结果与基于准定常假定获得的脉动风压谱吻合较好,侧风面脉动风压谱的试验结果则可以利用Ohkuma模型谱进行拟合。     

测压管道系统对高层建筑风压特性影响的研究

在边界层风洞中完成了测压管长分别为0.6,0.8,1.0,1.2,1.5m的矩形截面高层建筑刚性模型的同步测压试验。研究了不考虑测压管道系统修正时,测压管道长度对建筑表面风压特性及脉动风压相关性的影响。结果表明:测压管道的长短对平均风压系数影响较小,但对脉动风压的影响较大,脉动风压系数在迎风面的偏差在5%以内,在背风面的偏差在10%左右,在侧风面的偏差最大为15%~30%;对侧风面上风向的风压极值影响较为明显,尤其是2/3高度以上,随着测压管长的增大,侧风面上风向风压极值的最小值逐渐沿高度下移;测压管长对迎风面测点竖向相关性影响较小,侧风面测点风压相关性随测压管长的增大而增大,而背风面测点竖向相关性随测压管长的增大而减小。     

群体高层建筑的峰值风压分布特征

基于同步测压技术,研究了不同宽度比和不同高度比（记为Br和Hr,分别表示施扰和受扰建筑的宽度与高度之比）的2个高层建筑在串列、斜列和并列布置时峰值风压干扰效应。结果表明：邻近施扰建筑的侧面峰值风压主要呈现放大效应,且宽度比越大（Br≤1时）,高度比越大,放大效应越明显,立面最高负风压系数绝对值可升高30%。迎风面放大效应区则主要集中在施扰建筑位于横风向间距为3b(b为受扰建筑的迎风宽度)的迎风区域内,立面最高正风压系数可升高40%。当串列间距较小且高度比小于1（Hr=0.8）时产生的三维绕流现象可使得受扰建筑侧面局部风压升高61%,迎风面边缘局部风压升高24%。并列布置时产生的峡谷效应引起足够的重视,试验测得最大干扰因子可达2.13且随并列间距的增大而减少,当并列间距超过9b时峡谷效应才渐趋消失。由试验结果回归得到的并列布置时的侧立面最大峰值风压干扰因子随并列间距变化的关系式具有较高可信度。     

高层建筑屋面风压分布的数值模拟

对高层建筑屋面的风压分布进行了分析,模拟了0°和45°两个风向角下屋面平均风压分布,得出了迎风的屋面产生了极大的负风压,其他区域风压相对较小,45°风向角为高层建筑屋面风压的较不利风向角的结论。     

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。     

复杂周边非对称双塔高层建筑风荷载研究

以处在复杂周边环境中的非对称双塔高层建筑为研究对象,基于刚性模型表面测压风洞试验,得到了两个单塔楼的风压时程数据,并计算得到了双塔楼各测点的平均风压系数,以此为基础研究了双塔楼结构的风荷载分布及其风压相关性。结果表明,复杂周边环境会导致A、B塔楼迎风面平均风压系数减小30%至50%,且B塔楼对A塔楼的影响更大,导致A塔楼迎风面在B塔楼高度范围内的平均风压系数出现较大的负值,在高度范围外平均风压系数减小50%。B塔楼还会导致A塔楼迎风面的水平相关性系数出现负值。在设计过程中需要注意迎风面出现负压的情况。     

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。     

上海浦东足球场风洞试验和风振响应分析北大核心CSCD

上海浦东足球场为跨度211m的轮辐式张弦结构体系,对其屋盖风荷载进行了研究。首先,通过1/300缩尺比的同步多点刚性模型测压风洞试验获得了屋盖上下表面的风平均内压和风压系数;其次,由风洞试验结果分析得到24个风向角下100年重现期对应的屋盖表面的风峰值外压;最后,结合结构的动力特性以及风洞试验结果计算了结构的风振响应和等效静力风荷载。结果表明:屋盖平均内压分布均匀并且随风向角变化不大;在迎风面外边缘可能出现最大的峰值外压;屋盖整体结构沿竖向的平均气动力和等效静力风荷载随风向角的变化有相似的变化趋势。     

上海浦东足球场风洞试验和风振响应分析

上海浦东足球场为跨度211m的轮辐式张弦结构体系,对其屋盖风荷载进行了研究。首先,通过1/300缩尺比的同步多点刚性模型测压风洞试验获得了屋盖上下表面的风平均内压和风压系数;其次,由风洞试验结果分析得到24个风向角下100年重现期对应的屋盖表面的风峰值外压;最后,结合结构的动力特性以及风洞试验结果计算了结构的风振响应和等效静力风荷载。结果表明:屋盖平均内压分布均匀并且随风向角变化不大;在迎风面外边缘可能出现最大的峰值外压;屋盖整体结构沿竖向的平均气动力和等效静力风荷载随风向角的变化有相似的变化趋势。     

单跨双坡工业厂房平均风压试验研究

通过一系列不同外形尺寸的单跨双坡厂房刚性模型风洞测压试验,研究不同风向角下结构表面的平均风压系数,重点讨论建筑结构外形参数和风场条件对单跨厂房主体承重结构风压系数的影响。研究发现,主体结构框架梁屋面平均风压系数受高跨比和风向角影响很大,而基本不受纵跨比和风场类型的影响。框架梁屋面的负风压随着高跨比的增大而增大,但中部和端部框架梁屋面的风压特性有很大差异;中部框架梁屋面的负风压随着风向角的增大不断增大,端部框架梁屋面的风压随着风向角的变化也很显著,但缺乏很好的规律性。主体承重结构框架柱墙面的平均风压分布较为均匀,风压系数可直接按美国金属建筑结构手册选取。根据试验数据采用阻尼最小二乘算法拟合框架梁屋面风压分布公式。经验证,公式计算出的风压系数能良好地反映分布规律,且具有较好的精度,可以为荷载规范的修订和补充提供参考。     

高层建筑横向风荷载模拟及响应分析

1横向风荷载试验数据由于高层建筑横风向振动原因的复杂性,为确定横风向荷载,本文采用了同济大学土木工程防灾国家重点试验室TJ-1大气边界层风洞试验数据。该试验采用高频动态测力天平技术对15个典型建筑物的建筑模型进行了风洞实验,拟合了一阶广义横风向风力谱和基底弯矩谱。根据试验得到的模型基底弯矩时程响应序列进行谱变换及无量纲化处理,得到了典型超高层建筑横风向无量纲广义气动力谱随无量纲频率变化的曲线。拟合公式如下:SM*(f)={0.f5SMρxV(H2fB)H2}2={1-(n S/pfβp()2n}2/f+p)βα(n/fp)2(1)式中:SM*(f)——无量纲化的基底…     

高层建筑标准模型脉动风荷载阻塞效应试验研究

在均匀低湍流度风场和均匀高湍流度风场中对阻塞比分别为1.7%、3.1%、4.5%、6.3%、8.6%和10.9%的高层建筑标准模型进行了多点同步测压试验,研究了不同风场下阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响。结果表明:在均匀低湍流度风场中,当模型阻塞比不大于4.5%时,阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响很小;当模型阻塞比大于4.5%时,随着阻塞比的增大,层脉动风力系数和基底脉动力矩系数均明显增大,横风向最为显著。在均匀高湍流度风场中,湍流度的增加增大了层脉动风力系数和基底脉动力矩系数,抑制了阻塞效应对层脉动阻力系数和顺风向基底脉动弯矩系数的影响,削弱了阻塞效应对层脉动升力、扭矩系数和横风向基底脉动弯矩系数、扭转向基底脉动扭矩系数的影响。基于试验结果,提出了高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的阻塞效应修正公式,可为相关试验结果的修正提供参考。     

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。     

日立电梯试验塔结构抗风设计

通过对日立电梯试验塔风洞试验结果的分析,表明试验塔原设计方案容易引起结构横风向共振,结构横风向的最大基底剪力以及基底弯矩的响应值可以达到顺风向的3倍左右。在结构设计中通过对建筑外形以及结构动力特性等方面的调整,使结构横风向的最大基底剪力以及基底弯矩的响应值减小至与顺风向基本相当,并在实际工程设计中予以采用。表明横风向作用在该类结构抗风设计中的起着不可忽视的作用,并针对这一特点提出了在结构设计中可以应用的加强措施。     

圆角化方形截面高层建筑风荷载特性试验

对圆角率为25%的正方形高层建筑刚性模型进行了测压试验,并对其风荷载特性进行了研究;分析了三分力系数和基底力矩系数随风向角的变化规律,给出了阻力系数平均值、根方差值和升力系数根方差值拟合结果;分析了最不利风向角下的风荷载功率谱,并采用经验公式进行拟合;分析了体型系数并与规范中正方形体型系数进行了对比。结果表明:对正方形建筑角部进行圆角化处理能明显降低建筑风荷载,且消除了功率谱曲线谱峰尖而窄的单峰现象,从本质上改变风荷载特性,有利于主体结构的抗风设计;角部区域负压较大,对幕墙抗风设计不利。     

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。