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。     

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。     

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。     

大型体育场屋面风压风洞试验研究

大型体育场悬挑屋面的空气动力特征非常复杂，风洞试验研究十分必要。结合广东奥林匹克体育场屋面的风压风洞试验结果，分析了这种屋面的气流流动和风压分布特点，分析表明：①大型体育场屋面上表面在各个风向角下主要分布为负压；大部分区域负压较小且分布均匀，但在迎风和次迎风的边缘部分负压都较大，上倾角度大且直接迎风的端口边缘负压更大；一些下凹区域时有微弱正压出现。②屋面下表面在迎风的钝体边缘有较大区域正压出现．背风部分分布为不大的均匀负压。     

吉林火车站屋盖结构风荷载特性的试验研究

通过对吉林火车站的刚性模型风洞试验研究,得到在有无周边建筑群干扰下屋盖表面的平均风压系数、脉动风压系数以及屋盖的升力系数分布特性,同时对屋盖局部体型系数及结构风振响应进行详细的对比分析研究。研究结果表明:火车站屋盖结构表面主要呈现负风压(风吸力),屋盖合力升力系数均为负值。主站楼在迎风区屋檐、悬挑区域及屋面凸起的天窗位置气流分离较大,风压变化明显,出现较大的负风压系数;由于站台雨篷四周开敞,气流流经站台雨篷时较为顺畅,气流分离较小,因而站台雨篷风压系数较小。周边的干扰建筑整体上对屋面全风向局部体型系数有一定的遮挡效应,但也不能忽略部分区域增大的情况;周边建筑群对站台雨篷角部、主站楼凸起的天窗及东西两侧悬挑屋面区域风振响应影响较大。     

复杂体型大跨屋盖结构的风荷载分布

以某航站楼为例,结合平屋面分析复杂体型的屋面对风压分布的影响;结合规范值探讨幕墙外表面的附着物和周围建筑对其体型系数的影响。得出的主要结论:屋面受风最不利的位置在由柱状涡或锥形涡控制的迎风区域;屋面形状对风压影响很大,凸出部分负风压较大,凹进部分负风压很小;悬挑屋面在迎风时产生“上吸下顶”的叠加作用,其他风向为“上吸下吸”的抵消作用;幕墙外表面的附着物和周围U形排列的房屋都会增加幕墙的正风压。     

考虑特征湍流影响的体育场悬挑屋盖脉动风压谱模型

基于风洞试验对体育场悬挑屋盖的脉动风压谱进行系统研究,旨在得到适用于此类结构的脉动风压谱模型,为风振响应分析提供必要的信息。通过对屋盖表面脉动风压进行谱分析,可知在屋盖前缘处的风压谱与来流风速谱较接近,但屋盖后缘处则差异很大,表现出明显的漩涡脱落特征。因此脉动风压自谱采用来流谱与漩涡脱落谱相结合的形式来描述,并通过权数因子体现屋盖表面不同位置处流场作用的特点。对于脉动风压互谱则用指数衰减函数来表示,并确定了适用于悬挑屋盖的衰减系数。为验证所提出风压谱模型的有效性及特征湍流对风致效应的影响,对系列悬挑屋盖结构进行风振响应分析,风荷载时程分别采用风洞试验测得的风压时程、基于建议风压谱模型模拟生成的风压时程、按拟定常假设生成的风压时程。基于建议模型得到的响应结果与试验结果基本一致,基于拟定常假设的风振响应极值偏小10%～15%,均方根值偏小30%～40%,脉动风压谱建模中不可忽略特征湍流的影响。     

神农大剧院结构抗风设计研究

神农大剧院建筑表面风压分布复杂。屋面的最大跨度达103m,主结构屋面高度55m,屋顶上设有18m高的上悬挑幕墙及52个最高35m的装饰架。在大跨度结构上布置高柔的次结构,风荷载作用是结构设计的关键。详细介绍了神农大剧院屋面上悬挑幕墙及装饰架等高柔次结构的设计,利用数值风洞模拟及风洞试验研究两种方法对整体结构及局部高柔次结构的表面风压特性及风致振动特性进行了深入研究。     

有干扰的大跨度体育场屋盖表面风荷载特性研究

针对大跨度悬挑屋盖结构风荷载特征的复杂性,进行了缩尺比为1:100的某体育场刚性模型风洞试验研究,得到了屋面结构上平均及脉动风压分布系数、同一测压点上下表面脉动风压相关系数以及不同距离测压点上脉动风压的相干函数,分析了同步和异步测量对计算结果造成的差别。通过对比体育场屋盖上离体育馆较近的测点与其他处测点的风压特性,评估体育馆对体育场风荷载的影响程度,为结构的抗风设计提供了依据。     

大连市贝壳博物馆表面风压分布特性风洞试验研究

为了满足大连市贝壳博物馆的抗风安全需要,进行了刚性模型表面风压分布特性风洞试验研究。详细介绍了试验所采用的主要技术参数与基本的数据处理方法,给出了典型风向角下结构表面风压分布的等值线图和结构典型测点在不同风向角下的风压变化规律;分析了各风向角下绝对值最大的局部体型系数及其出现的位置,并将屋盖的局部体型系数与现行《建筑结构荷载规范》(GB 5009—2001)进行了对比。结果表明:屋面上表面的风荷载主要表现为负压,顶部迎风挑檐边缘较大,屋面的尾流区域较小或为正压。屋面两侧的悬挑部分及主入口处迎风时分布有大面积正压,以靠近拐角部分最大,且这部分屋面对风作用反应敏感,设计时应考虑体型系数的变号情况。     

某体育会展中心大跨屋盖系统风荷载试验研究

介绍了某体育会展中心会展馆和体育场的大跨屋盖系统模型风洞试验的概况和主要试验结果,通过分析典型测点方法详尽研究了挑篷上平均风压和脉动风压的分布,讨论了脉动风压对总设计风荷载的贡献,并对比了计算围护结构风荷载的规范方法和统计方法;结果表明,正面迎风时,体育会展馆和体育场屋盖边缘的平均风压和脉动风压系数均较大,采用规范方法算得的会展馆围护结构风荷载大部分小于采用统计方法算得的风荷载,而用规范方法算得的体育场围护结构风荷载均小于采用统计方法算得的风荷载,在大跨屋盖设计中应分区域选用两者中较大值作为风荷载设计标准值。     

“天使之翼”体育场风压特性试验

通过对梅州体育场进行测压试验,得到平均风压系数、脉动风压系数,对其风压特性做了详细分析。结果表明:控制体育场屋面的风压主要为负压,屋盖凸起处气流分离较大,导致其负压较大;当来流由低屋面进入高屋面时,在高屋面区域产生“上吸下顶”的受荷情况,负压增大;通过对屋盖测点风压时程第三、第四阶矩的统计分析发现,非高斯性测点主要分布在屋盖气流分离区和受尾流旋涡影响的区域;高斯分布和三参数伽马分布能较好地描述体育场表面风压概率特性;Sadek-Simiu法考虑了脉动风压非高斯特性,能准确地估计非高斯风压的极值。     

某体育场悬挑屋盖表面脉动风压空间相关特性

通过对某体育场刚性模型进行同步风洞试验,得到了环状悬挑屋盖上、下表面的风压时程。考虑了涡旋脱落和再附着的影响,对悬挑屋盖各区域的典型测点进行时域下的相关系数和频域下的相干函数分析,总结了该体育场悬挑屋盖表面的平行来流方向、垂直来流方向排列的测点之间的相关系数及相干函数的规律。对相干函数曲线进行了拟合,得到了该体育场屋盖各区域相干函数公式及参数,与Davenport的经典相干函数相比,建立的相干函数与之形式一致、对悬挑屋盖的拟合精度更高。     

曲靖市体育中心体育场结构设计

曲靖市体育中心体育场结构布置较为复杂,屋面空间曲面钢结构挑篷造型独特,悬挑达46m。介绍了主体混凝土结构、屋面挑篷的结构选型和分析设计,阐述了性能化设计、复杂体形空间结构建模和分析设计、风洞试验及结构风致效应、超长结构设计等关键问题。     

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。     

贵阳奥体中心主体育场罩篷风洞试验及风荷载体型系数研究

贵阳奥体中心主体育场由东、西两个呈牛角造型的罩篷构成,采用了预应力平面桁架斜交网格结构体系,最大悬挑49m。对其刚性模型进行了风洞试验,给出了平均风压系数、平均风荷载体型系数及风压分布规律并与规范计算值进行了比较,详细讨论了风向角对风压系数和体型系数的影响。结果表明:在大多数风向角下,西罩篷的风荷载要比东罩篷的大,罩篷立面迎风面都是正压,在所有风向角下罩篷上、下表面基本都是负压,负压分布的局部最大值通常出现的迎风罩篷上表面的前缘和下风向罩篷上表面的后缘部分。建议对于有上、下表面围护结构的建筑应分别按内、外风荷载体型系数设计。     

倒角化迎风前缘对平屋盖表面风压特性的影响

通过刚性模型风洞测压试验，针对分离泡和锥形涡作用情况，研究了不同风向下倒角化迎风前缘对平屋盖表面风压幅值和脉动特性的影响。对比分析采用倒角化迎风前缘前后，平屋盖表面风压分布以及角部面积平均风压的变化。通过本征正交分解法，给出了平屋盖表面风压脉动的特征值和特征向量。从时域和频域角度，分析了倒角迎风前缘部位测点的风压特性。结果表明：采用倒角化迎风前缘后，分离泡和锥形涡作用区内风吸力单调递减，但迎风前缘附近风吸力可能增大；分离泡作用下，倒角化迎风前缘将增大屋盖角部面积平均风压均值；锥形涡作用下，其可减小屋盖角部面积平均风压的均值和极值，最大降幅分别为68%和82%；屋盖表面风压脉动区域减小至迎风前缘附近，且风压脉动能量降低，最大降幅出现在锥形涡作用下倒角半径较大的平屋盖表面；在倒角迎风前缘部位，极值风吸力和脉动风压谱峰值可超过其邻近区域；增大倒角半径，该部位的极值风吸力和低频风压脉动能量将有所降低。     

开合屋盖体育场风荷载特性试验研究

建筑立墙迎风面开孔时内部风压随开口处外压变化显著,使得屋盖所受净压显著增大,其测量值往往大于规范取值。而对于屋盖顶部开孔的建筑,其内部风荷载我国规范没有相应取值。为了进行开合屋盖结构设计和探讨屋盖顶部开孔对屋盖风荷载变化的影响,以1∶300的几何缩尺比制作了一个开合屋顶体育场的刚性模型,在B类地貌中对该体育场固定、活动屋盖的上、下表面进行了风洞测压试验,得到了屋盖上、下表面的体型系数、平均风压系数、脉动风压系数和极值风压系数。试验结果表明：活动屋盖的开启,可有效减小固定屋盖和活动屋盖的平均风荷载,引发整个结构承受向下的风荷载;活动屋盖开启将增大固定屋盖和活动屋盖的净脉动风荷载;活动屋盖开启将减小固定屋盖和活动屋盖的极小值风荷载,且固定屋盖上的最大极小值风压系数的位置往屋顶开口方向移动。