屋盖结构非高斯风压场两步快速模拟法研究

作用于屋盖结构上的风压场具有明显的非高斯特性。针对这个特点,采用三次多项式表达风压过程和虚拟高斯过程之间的转换关系,推导出关于多项式所含参数的非线性方程组,利用高斯随机向量联合矩的特性获得相关函数的转换关系,从而建立了一种多变量平稳非高斯风压场的模拟方法。为了进一步提高计算效率和适应大型屋盖非线性风振响应分析的需要,将上述方法与本征正交分解法相结合,并采用B样条曲面插值技术,提出了屋盖结构非高斯风压场两步快速模拟的新方法。通过一个大跨度体育场屋盖的风压场计算,模拟了建议方法的计算过程。计算结果表明,建议方法模拟精度和计算效率较高,说明该方法应用于大型屋盖风压场计算的显著优势。     

大跨屋盖结构风压脉动的非高斯特性

借助刚性模型风洞动态同步测压试验,对大跨度平屋盖表面脉动风压的非高斯统计特性进行了系统研究。首先,根据测点风压时程及其概率密度分布,对具有非高斯分布特性的屋盖风压局部区域做出判断;然后,通过风压的时空间相关性,结合中心极限定理讨论局部呈现非高斯特性的原因;最后,基于测点风压的第三、四阶矩统计量对风压的非高斯特性进行描述,给出划分高斯非高斯区域的标准,并在此基础上对平屋盖进行了分区,通过区域划分揭示了不同区域的脉动风压形成机理,也体现出一些大跨屋盖结构不同于低矮房屋的流场特性。通过上述工作,增进了对大跨度屋盖表面风压分布特性的认识,为进一步探讨屋盖结构的抗风设计方法奠定了理论基础。     

某可开合大跨屋盖风压特性试验研究

对一座可实现连续开启的大跨结构开合屋盖进行了4种开启状态下的风洞测压试验,详细研究了屋盖的风压特性。结果表明:屋盖完全开启会增大整体活动屋盖向上的平均风荷载,使其表面负风压区发生偏移,有效地降低固定屋盖的平均风压;整体屋盖测点风压非高斯特性随着屋盖完全开启趋于集中;三参数伽马和高斯分布能很好地描述开合屋盖表面风压概率特性;Sadek-Simiu法计算的峰值因子能更为安全地估计具有非高斯特性测点的极值风压;屋盖开启会增大活动屋盖凸起部位极值负风压,减弱固定屋盖极小值风压。     

围护结构非高斯风压峰值因子的概率分布模型对比分析

以鞍型屋盖结构的墙面、屋面处的非高斯风压峰值因子的概率分布为研究对象,对比了经典极值分布和非高斯峰值因子概率分布解析式之间的异同。结果表明:采用极值Ⅰ型分布能够描述鞍形屋盖围护结构的风压峰值因子的概率分布,其结果与广义极值分布得到的结果接近,特别是工程中常用的57%、78%分位数的误差极小;基于理论推导建立的非高斯风压峰值因子的概率分布解析模型表示为时程样本的偏斜系数、峰态系数以及高斯峰值因子的函数,反映了实测数据的总体分布特性;该模型与经典极值分布相比,利用了更多的样本信息,适用于强、弱非高斯特性的情况。相同极值发生概率条件下,由非高斯风压峰值因子解析模型得到的分位数比经典极值模型得到的分位数略大,采用非高斯风压峰值因子的概率密度解析式能够较好地反映高分位数的概率分布。     

杭州亚运轮滑馆复合曲面屋盖围护结构风荷载研究北大核心CSCD

杭州亚运轮滑馆屋盖是由多个曲面叠合而成的复杂大跨屋盖结构.采用风洞试验方法测得了屋盖表面各测点的风压时程;对测点风压时程的概率密度分布特点进行对比分析,发现多数测点具有明显的非高斯特性.如对这些测点采用常规的峰值因子法计算围护结构的极值风压,将会明显低估其负压值.引入偏度与峰度概念,提出了一种简便但更有效的方法用以判定高斯和非高斯测点.对于非高斯测点,采用Gumbel拟合法计算其极值风压.结果表明,相比于峰值因子法,该方法不仅准确有效,完全达到期望的保证率,而且流程简单,便于工程应用.     

“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。     

雷诺数对柱面屋盖脉动风压非高斯特性与风压极值的影响

基于柱面屋盖的风洞测压试验,研究了不同雷诺数下脉动风压的非高斯特性,并通过改进独立风暴法分析了风压极值分布随雷诺数的变化规律。结果表明,当Re=6. 90×104～2. 48×105时,非高斯风压和风压极值分布具有明显的雷诺数效应。     

沿海地区索结构体育馆风洞试验与群风效应研究

针对两类屋面型式(上凸型和下凹型)、四种屋盖结构(单层马鞍形索网、轮辐式双层索网、索穹顶、弦支穹顶),设计制作了缩尺比分别为1∶250、1∶200两个试验模型,在B类地貌下开展了60组模型风洞试验,探究了全风向角下两类屋盖结构的风压峰值分布规律,分析了不同风向角、邻近建筑对目标建筑物风压特性的影响规律。结果表明：全风向角下来流方向无邻近建筑影响时,两类屋盖迎风面区域的负风压峰值最大,分别较上凸型和下凹型屋盖中间区域的负风压峰值高约3.0、1.5倍;屋盖中间区域风压峰值分布均匀,以承载负风压为主,仅下凹型屋盖中部出现正风压;风向角对屋盖风压分布的影响主要体现邻近建筑物的干扰上,其对屋盖平均和脉动风压系数的影响以来流方向无邻近建筑时最大、来流方向有邻近建筑时次之、尾流方向有邻近建筑物时最小;屋盖迎风面测点风压概率分布具有明显的非高斯特征,存在极大负压值,而屋盖中间和尾流区域的测点风压具有典型的正态分布特征。     

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。     

大跨度屋盖结构台风效应的风洞试验与实测

为研究台风风场高湍流特性对大跨度屋盖结构风压分布的影响,依据台风"海葵"的实测风速时程,确定了风洞试验中模拟台风风场的风剖面,进行了台风风场下某体育馆屋盖的测压风洞试验。考察了台风风场下大跨度屋盖结构的风压分布特性,并与常规B类风场下的风压数据以及实测风压数据进行对比,研究了台风效应对大跨度屋盖结构风压分布的影响。研究表明,台风风场和常规B类风场下的平均风压系数以及脉动风压系数的分布规律基本相似,但台风风场下的风压数值较常规B类风场大,而且更接近于实测风压值。     

非高斯风压时程峰值因子的简化计算式

采用Hermite矩模型可将非高斯时程表示为高斯时程的非线性函数,建立了非高斯时程和高斯时程之间的一一对应关系,也建立了非高斯峰值因子和高斯峰值因子之间的一一对应关系,为非高斯峰值因子、极值的计算奠定了理论基础。介绍了软化时程、硬化时程和偏斜时程的Hermite矩模型变换理论,明确了高阶矩模型的单调变换范围;在此基础上,研究了软化时程非高斯峰值因子简化计算式的理论误差。结果表明由简化计算式得到的非高斯峰值因子略大,其误差均小于20%。利用非高斯峰值因子的简化计算式,计算了平屋盖表面典型测压点的非高斯峰值因子和风压极值。分析结果表明：绝大多数测压时程样本属于软化时程,极少数样本属于硬化时程或偏斜时程;利用非高斯峰值因子的简化计算式,需要考虑测压时程的随机特性,取多个时程样本峰值因子的平均值作为非高斯峰值因子的代表值。     

某双塔楼表面风压的非高斯特性研究

通过对某双塔高层建筑进行了风洞试验,对该双塔高层建筑表面风压的非高斯分布特性进行了研究;基于各风向角下风压系数的三阶、四阶矩统计量,对高层建筑各立面风压进行了高斯与非高斯分布的分区;最后,对高斯区和非高斯区设计风压系数的峰值因子取值问题进行了探讨,发现在实际应用中对非高斯区的峰值因子取值偏小。     

平屋盖围护构件设计风荷载研究

GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中未给出复杂体型且重要建筑物的风荷载局部体型系数,此类建筑物的风荷载需通过风洞试验确定。基于此,提出了基于风洞试验的围护构件设计风荷载计算方法,将规范中阵风系数与局部体型系数的乘积修改为局部体型系数与脉动风压系数极值之和的形式,称为风压系数极值。提出的围护构件设计风荷载计算方法不仅适用于迎风面围护构件设计风荷载的计算,也适用于气流分离区围护构件设计风荷载的计算。在脉动风压系数极值的计算中,考虑了气流分离区非正态风压时程的特性,采用非正态峰值因子的简化计算式,可简便确定非正态风压时程的峰值因子。以平屋盖围护构件设计风荷载的确定过程为例,对比了我国规范方法与文中方法的异同,提出了平屋盖围护构件风压系数极值的设计建议值。结果表明,采用文中提出的围护构件设计风荷载计算方法,基于风洞试验数据可确定气流分离区围护构件的设计风荷载,采用日本风荷载规范的屋盖风荷载分区方法是合理的;采用风洞试验得到的局部体型系数,套用GB 50009-2012规范方法确定气流分离区围护构件的设计风荷载,可能严重低估风荷载取值。     

某大跨平屋盖表面风荷载特性研究

通过风洞模拟试验,研究了在锥形涡诱导下大跨平屋盖表面风荷载的特性。给出了风向角、风速、屋盖厚度、场地条件对风荷载的影响,进而分析了产生这样结果的原因和流动机理,并把斜度和峰态作为区分高斯区和非高斯区的标准。另外采用功率谱从频域角度对风荷载进行分析。     

Peak factor estimation method of non-Gaussian wind pressures on long-span tri-centered cylindrical roof structures

Claddings are susceptible to damage due to underestimation of extreme wind-induced surface pressures. Commonly accepted methods for estimating the peak factor (an input used to determine cladding design loads) involve complex calculation-intensive procedures. This research develops a four-parameter unified auto-spectral model of wind pressure to simplify peak factor estimation of wind-induced surface pressure via analysis of wind tunnel wind load data on tri-centered cylindrical roofs. Values of the model parameters were identified via statistical analysis of wind tunnel wind pressure measurement on two long-span tri-centered cylindrical roof structures with different curvatures. The study identified roof regions with non-Gaussian features by inspecting probabilistic density functions of the standardized wind-induced roof pressures and the third- and fourth-order statistical moments of wind pressure time histories. The paper ultimately proposed and evaluated a simplified method for estimating the peak factors in the non-Gaussian regions, the Three-parameter Hermite Model, derived through the moment-based Hermite Model, the Revised Hermite Model, and the parameter simplification accomplished in this study. The results show that the auto-spectral model of wind-induced roof pressures can accurately estimate the zero- and second-order spectral moments, which reflects the wind pressure fluctuating characteristics and geometric features of spectral curves. Compared with the peak factors of the moment-based Hermite Model and the Revised Hermite Model, the peak factor errors estimated by the Three-parameter Hermite Model are all less than 10%. These results suggest that the Three-parameter Hermite Model simplifies the calculation with acceptable accuracy.     

芜湖体育场膜结构挑篷风荷载风洞模拟研究

通过风洞模拟的方法研究了芜湖体育场东 (副 )、西 (主 )看台不对称索膜结构挑篷的风荷载特性。试验结果表明 :当主看台挑篷处于斜下风向位置时的风荷载要比类似的对称挑篷大许多。局部负压峰值通常出现在伞状膜单元尖顶附近和主看台的檐口部分     

湍流边界层中低矮建筑绕流大涡模拟

通过对平板湍流边界层进行大涡模拟,采用拟周期边界条件维持湍流边界层厚度稳定,提取速度和压力时程作为低矮建筑绕流模拟之脉动入流边界条件,研究脉动入流下的低矮建筑绕流特性。研究结果表明：入流边界特性对网格变化适应性良好,其平均速度剖面、湍流强度、流速频谱特性基本符合空旷地貌风场特性;脉动入流下,建筑表面的平均风压系数、脉动风压系数的计算结果与风洞试验结果基本吻合。受雷诺数及湍流强度的影响,流动分离区负压与试验值存在一定差别;屋盖上分离区风压时程具有非高斯概率特性,尤以气流分离较剧烈的屋盖迎风边缘及屋盖两侧风压的非高斯特性明显,该特征与风洞试验基本一致;受非高斯特性的影响,建议峰值因子g取4.5~5.5。     

Wind effects on a long-span beam string roof structure: Wind tunnel test, field measurement and numerical analysis

The Guangzhou International Convention & Exhibition Center (GICEC) with roof dimensions of 210 m wide and 457 m long is the largest exhibition center in Asia and the 2nd largest of this kind in the world. This paper presents results from a combined study of wind tunnel test, full-scale measurement, and numerical analysis of wind effects on the long-span beam string roof structure. In the wind tunnel test, wind-induced pressures including mean and fluctuating components were measured from the roof of a 1:300 scale GICEC model under suburban boundary layer wind flow configuration. The Proper Orthogonal Decomposition (POD) method and the quasi-steady approach as well as probability analysis were adopted to estimate the characteristics of the fluctuating wind pressures on the roof. On the other hand, full-scale measurements of wind actions and wind-induced structural responses of the roof were conducted during the passage of Typhoon Nuri. The field data such as wind speed, wind direction, and acceleration responses, etc., were continuously and simultaneously monitored from a wind and structural response monitoring system installed on the roof structure during the typhoon. Detailed analysis of the field data was performed to investigate the characteristics of the typhoon-generated wind and the wind-induced vibration of the long-span roof structure under typhoon condition. The dynamic characteristics of the roof were determined from the field measurements and comparisons with those calculated from the finite element model (FEM) of the structure were made. The damping ratios of the roof structure were estimated by means of the random decrement method and the amplitude-dependent damping characteristics were presented and discussed. Finally, the full-scale measurements were compared with the model test results to examine the accuracy of the wind tunnel test results and to identify possible modelling errors in the numerical study. The results presented in this paper are expected to be of considerable interest and of use to researchers and professionals involved in designing long-span roof structures.