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风沙流及建筑物风沙荷载的研究进展与展望

自然灾害学报 2016年第5期25卷 9-19页

作者：黄斌李正农丛顺周利芬陈策回忆湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室湖南长沙410082

我国西、北部地区风沙对建筑物侵袭严重,其作用效应大于净风荷载作用。但我国对于建筑物抗风沙设计理论及设计方法的研究相对较少,开展对风沙流及建筑物风沙荷载研究具有重要的理论与工程意义。简要回顾了风沙流的研究历史,概述了国内... 详细信息

我国西、北部地区风沙对建筑物侵袭严重,其作用效应大于净风荷载作用。但我国对于建筑物抗风沙设计理论及设计方法的研究相对较少,开展对风沙流及建筑物风沙荷载研究具有重要的理论与工程意义。简要回顾了风沙流的研究历史,概述了国内外对输沙通量垂线分布、输沙率模型、临界起沙风速、风速轮廓线规律和风沙两相流模型等物理参数模型以及建筑物风沙荷载的研究进展;总结了目前风沙两相流和建筑物风沙荷载研究中存在的问题;最后,提出了综合应用风沙现场实测、风沙风洞试验和数值模拟方法开展建筑物风沙荷载和风沙流场研究的发展展望。

关键词：建筑物风沙流风沙荷载现场实测风洞试验数值模拟

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风沙荷载作用下混凝土应力分析及损伤评估

风沙荷载作用下混凝土应力分析及损伤评估

作者：张雅慧北京交通大学

学位级别：硕士

强沙尘暴是一种危害性极高的灾害性天气,我国的西北和华北许多地区为沙尘暴高发区域,严峻的自然条件使得该地区的公路、桥梁和房屋等混凝土结构长期遭受沙尘暴的侵害,据统计内蒙古地区修建的桥梁约有九成以上受到不同程度的风沙冲蚀磨... 详细信息

强沙尘暴是一种危害性极高的灾害性天气,我国的西北和华北许多地区为沙尘暴高发区域,严峻的自然条件使得该地区的公路、桥梁和房屋等混凝土结构长期遭受沙尘暴的侵害,据统计内蒙古地区修建的桥梁约有九成以上受到不同程度的风沙冲蚀磨损破坏。风蚀（风沙对混凝土的侵蚀作用,以下简称风蚀）作用虽然不会造成结构破坏,但风沙荷载的长期循环作用会使混凝土表面的水泥砂浆产生微裂纹,发生材料剥落,这些损伤与干湿循环、冻融循环、碳化等复杂多变的外部环境形成耦合作用,加速混凝土耐久性损伤,降低服役寿命导致结构的安全性降低。因此有必要深入研究混凝土模型在风沙荷载作用下的应力状态,并对全寿命期间由风蚀导致的材料损伤情况进行评估,为多沙尘暴地区混凝土结构的设计计算提供参考依据。本论文主要研究内容如下:（1）建立混凝土风蚀的数值模型,验证参数设置的正确性,并降低计算结果对于网格尺寸的依赖性。数值模拟计算所得平均风沙压力值与已有风蚀试验数据的吻合较好,验证了双欧拉流体模型计算风沙二相流的合理性;对比不同网格尺寸计算所得风沙压力值,分析得到:流体域网格尺寸对于数值计算结果的影响较小,流体域与固体域接触面的网格尺寸对于计算结果的影响较大。（2）采用流固耦合方法研究不同风沙流速、不同含沙率、不同沙粒粒径时的风沙流场,得到风沙压力随风沙流参数的变化规律;分析不同风沙荷载作用下混凝土模型的主应力变化规律,给出了不同风沙流速下混凝土模型最大拉应力计算公式,对于确定风沙荷载作用下混凝土单元的主应力具有一定实际意义。分析得到风沙流参数变化下,混凝土模型迎风面风沙压力分布规律相同,由中间区域向四周边缘减小;不同风沙荷载作用下混凝土模型迎风面第一主应力分布规律也相同,由中间区域向四周边缘增大。（3）从接触力学等理论和数值模拟两个方面计算混凝土风蚀临界风沙压力值,及临界风沙压力作用下混凝土的应力状态。文献47基于接触力学等理论给出风沙压力的计算公式,其计算结果与数值计算的结果相差较大,故分析风沙环境中结构受力时有必要考虑最大风沙压力;临界风沙压力作用下,沿混凝土模型迎风面到背风面,混凝土单元依次处于拉-拉-压、拉-压-压和压-压-压三向应力状态。（4）研究风沙流速、含沙率、沙粒粒径等不同风沙流参数的风沙荷载作用下,混凝土模型迎风面的损伤情况,并评估设计使用年限内混凝土材料性能退化程度。不同风沙荷载作用下混凝土模型迎风面风蚀变化规律相同,与风沙压力分布规律对应;在建筑结构使用期内,C40混凝土材料的弹性模量、抗拉强度、抗压强度均具有一定程度的衰减,应在结构设计计算时考虑风沙荷载导致的疲劳损伤。

关键词：流固耦合风沙荷载应力分析风蚀损伤

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风沙环境下风沙荷载及混凝土风蚀的试验研究

风沙环境下风沙荷载及混凝土风蚀的试验研究

作者：韩超超北京交通大学

学位级别：硕士

我国西北地区风沙环境分布范围广,处于风沙环境中的桥梁、房屋和铁路等混凝土建筑长期遭受风沙流的侵蚀,会对这些混凝土建筑的耐久性造成影响,严重的可能会对建筑的安全性产生威胁。因此,研究混凝土建筑在风沙环境下的风沙荷载、风蚀规... 详细信息

我国西北地区风沙环境分布范围广,处于风沙环境中的桥梁、房屋和铁路等混凝土建筑长期遭受风沙流的侵蚀,会对这些混凝土建筑的耐久性造成影响,严重的可能会对建筑的安全性产生威胁。因此,研究混凝土建筑在风沙环境下的风沙荷载、风蚀规律、风蚀机理等将具有非常重要的现实意义。目前各国学者对于风沙荷载和混凝土风蚀所进行的研究相对较少,所采用研究方法一般分为试验法、理论分析法和数值模拟。本文选择试验法,采用气流携沙喷射法模拟风沙环境,研究混凝土在不同风沙参数条件下的风蚀规律和表面风沙荷载变化规律。主要研究内容和结论如下:(1)通过阅读相关文献和统计资料明确我国西北地区风沙流特征,为风蚀试验和风沙荷载试验的参数确定提供依据。(2)使用喷砂机和空压机等设备制作了模拟风沙流的试验装置,通过调试,确定喷嘴距离与风速的关系,控制含沙量的大小。结合我国西北风沙地区实际风沙流情况,确定试验采用的风沙攻角、风速、风沙作用时间、混凝土强度、沙粒粒径和含沙量等参数。(3)进行风沙环境下混凝土风蚀试验,定义风蚀率和强度损失率为衡量混凝土风蚀程度的指标,试验得到不同的风沙攻角、风速、风沙作用时间、混凝土强度、沙粒粒径和含沙量等参数对混凝土风蚀的影响规律。通过分析得出结论:混凝土在遭受风沙作用时,风沙攻角越大、风速越大、风沙作用时间越长、混凝土强度越低、沙粒粒径越大、含沙量越大,则风蚀率越大,混凝土强度损失也越大;风沙攻角为90°时风蚀率达到最大;随着风沙作用时间的增大混凝土风蚀率的增加速度趋于平缓。运用相似理论,在风蚀试验的基础上进行实际情况的推演,分别得到风速、风沙作用时间和含沙量情况下的模拟试验对应的实际情况风蚀时间。(4)进行风沙环境下风沙荷载试验,动态测量风沙荷载大小,分析不同的风沙参数对风沙荷载的影响规律。通过分析得出结论:风沙攻角越大、风速越大、沙粒粒径越大、含沙量越大,则风沙荷载越大。基于风速变化时的风蚀试验结果进行了临界风沙荷载的分析,得到了混凝土在刚好发生风蚀时的临界风沙荷载值。

关键词：混凝土风蚀风沙荷载风沙环境相似性临界荷载

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风沙环境下建筑结构群风沙荷载研究

风沙环境下建筑结构群风沙荷载研究

作者：李静北京交通大学

学位级别：硕士

对处于一带一路核心区且与三国相邻的新疆来说,修建房屋等基础建设是必需的,而新疆严峻的风沙环境使得该地区的建筑物基础设施在生命周期中频繁遭受沙尘暴的侵蚀,降低了混凝土建筑物耐久度的同时,严重得影响了建筑物的安全性。在我国的... 详细信息

对处于一带一路核心区且与三国相邻的新疆来说,修建房屋等基础建设是必需的,而新疆严峻的风沙环境使得该地区的建筑物基础设施在生命周期中频繁遭受沙尘暴的侵蚀,降低了混凝土建筑物耐久度的同时,严重得影响了建筑物的安全性。在我国的强风沙地区,建筑物往往不只承受风荷载,在风沙运动和沙漠堆积物产生的环境背景下,建筑物还需抵抗风沙荷载。本文基于此现状,研究风沙环境中建筑群的风沙压力分布及分析其影响规律:(1)研究风沙环境下单栋房屋结构表面的风沙荷载,研究挟沙风的速度、挟沙粒径、沙粒密度、建筑高度、建筑宽度、建筑长度对混凝土构筑物单栋建筑物迎风面、背风面及顶面压力变化,得到各种参数对单栋建筑物风沙荷载的影响;(2)建立单排多栋建筑物模型,研究间距、建筑长度、建筑宽度、建筑高度等参数对多栋建筑物之间相互干扰作用的影响;建立不同间距、不同建筑物长度、宽度、高度的建筑群,研究其在风沙环境下风沙压力变化,与相同环境下单栋建筑物表面的风沙压力作对比,研究建筑群间的风沙荷载的相互干扰作用;(3)建立单列多栋建筑物模型,研究间距、建筑物长度等参数对多栋建筑物之间遮挡作用的影响,建立不同间距、建筑长度下的建筑群,研究其风沙压力变化,与单栋建筑物表面的风沙压力对比研究多栋建筑物之间的遮挡作用;(4)建立多排多列建筑群模型,模拟其在风沙环境下建筑物相互的遮挡干扰作用,与单排多栋建筑物和单列多栋建筑物进行对比,研究群栋建筑物在风沙环境下的相互作用。并基于以上建筑群之间的风沙压力变化结果进行分析,得出初步结论,并对强风沙地区的建筑物结构群提出以下建议:(1)在建筑物表面使用防风蚀建材,尤其是底部位置高度3m内,抵抗风沙对建筑物表面的风沙压力,避免产生风蚀现象;(2)适当增大建筑物长度和建筑物宽度,可有效降低建筑物表面风沙压力;(3)适当增大相邻建筑物的间距和相邻建筑物的高度,以减小建筑群中相邻建筑物间表面风沙压力的增大效应;(4)适当增大前后排建筑物的间距,以减弱建筑群中前排建筑物间对后排建筑物的遮挡作用。

关键词：建筑结构群风沙流参数建筑物尺寸风沙荷载影响系数

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风沙环境下桥梁风沙荷载及风蚀的研究

风沙环境下桥梁风沙荷载及风蚀的研究

作者：张妹北京交通大学

学位级别：硕士

本论文研究内容是国家自然基金面上项目(51778051)—“风沙环境下混凝土构筑物风沙荷载及风蚀机理的研究”的一部分。我国西北地区处于“一带一路”国内段的前沿,西北地区经济走廊建设稳步推进,交通系统也在不断地进行优化。西北地区,... 详细信息

本论文研究内容是国家自然基金面上项目(51778051)—“风沙环境下混凝土构筑物风沙荷载及风蚀机理的研究”的一部分。我国西北地区处于“一带一路”国内段的前沿,西北地区经济走廊建设稳步推进,交通系统也在不断地进行优化。西北地区,风沙灾害频发,每年因风沙天气造成的直接和间接经济损失严重。桥梁作为交通系统的重要组成部分,合理地计算风沙环境中桥梁所受的风沙荷载是桥梁设计的关键。桥梁面对风沙的长期侵害,安全性和耐久性也受到严峻的考验,错综复杂的风沙流会使桥梁发生不同程度的风蚀现象。因此,深入研究西北风沙环境中桥梁的风沙荷载和风蚀情况显得十分迫切和重要。本文主要研究内容如下:(1)建立平坦沙床模型验证采用欧拉双流体模型模拟风沙流时参数设定的准确性。将数值模拟结果与已有文献研究进行对比,验证数值模拟方法的合理性。(2)对纯风环境下桥梁区域风场、风沙环境下桥梁区域风沙流场进行数值模拟与分析。建立三维桥梁模型,分析桥梁区域风沙流场的变化;对比分析纯风环境和风沙环境下桥梁表面压力的变化;将数值模拟风荷载、风沙荷载与《公路桥梁抗风设计规范》中的计算风荷载进行对比。结果表明:风沙荷载远远大于风荷载,因此在风沙较大地区需要考虑风沙荷载的作用,数值模拟结果为风沙地区风沙荷载的计算及结构的设计提供一定的参考。(3)对不同风沙流参数下的风沙流场进行数值模拟。分析不同风沙攻角、不同风沙流速、不同含沙率、不同粒径时桥梁迎风面、背风面风沙压力及指定路径上风沙压力的变化规律。(4)对比分析风沙攻角为90°和45°两种不同风沙攻角条件下桥梁表面风沙压力的变化。分析了风沙流速、含沙率及粒径变化时桥梁表面(迎风面、背风面)压力的对比情况。(5)依据已有试验数据分析研究确定临界风沙流速,参照试验参数数值模拟研究临界风蚀压力,并根据临界风蚀压力研究风沙攻角90°和风沙攻角45°时,不同风沙流速、不同含沙率和不同粒径时,桥梁迎风面的风蚀规律。为结构风蚀预防工作提供建议。

关键词：桥梁风沙流风沙荷载临界风沙流速临界风蚀压力

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风沙流场特性及对建筑物影响的风洞试验研究

安全与环境学报 2019年第6期19卷 1989-2001页

作者：丛顺李正农宫博王尚雨黄斌湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室长沙410082 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室北京100190

为研究我国西北内陆地区典型地貌下风扬沙环境及双坡低矮房屋的风沙荷载特征,通过风沙两相流的风洞测力试验,分析了风速、风向角、沙颗粒粒径等参数对低矮建筑整体受力的影响。结果表明:输沙率随风速正比例增大,随高度反比例指数递减;... 详细信息

为研究我国西北内陆地区典型地貌下风扬沙环境及双坡低矮房屋的风沙荷载特征,通过风沙两相流的风洞测力试验,分析了风速、风向角、沙颗粒粒径等参数对低矮建筑整体受力的影响。结果表明:输沙率随风速正比例增大,随高度反比例指数递减;同一风速下,输沙率从大到小的不同沙粒径依次为混合粒径、细粒径、粗粒径。相比净风而言,风剖面只在高于沙床面约30 cm的范围内发生变化;风沙共同作用对低矮建筑基底合力系数和基底升力系数都有明显的增大作用,且输沙率越大,增大得越明显。

关键词：安全工程风沙荷载测力试验低矮建筑整体受力输沙率

考虑叶片的风力发电结构精细化建模及其动力响应分析

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考虑叶片的风力发电结构精细化建模及其动力响应分析

作者：丁明轩兰州理工大学

学位级别：硕士

世界范围内传统化石能源供应紧张,环境问题突出,风能等清洁能源的开发和利用受到世界各国越来越多的重视。近几年来,兆瓦级风力发电机得到广泛应用。针对风力发电结构所做的研究也越来越多,风力发电结构设计分析的第一步是要建立合理的... 详细信息

世界范围内传统化石能源供应紧张,环境问题突出,风能等清洁能源的开发和利用受到世界各国越来越多的重视。近几年来,兆瓦级风力发电机得到广泛应用。针对风力发电结构所做的研究也越来越多,风力发电结构设计分析的第一步是要建立合理的风机模型。风力发电机由各构件耦合组成,其内部构造复杂,外部形状特殊。采用不同精细程度的风力发电结构的有限元模型进行风机静动力学分析时,其计算精度、计算效率呈现出一定的差异。有鉴于此,在进行风力发电结构的性能分析时,针对不同的分析目的,选择合适的风力发电结构有限元模型就显得比较有意义。风力发电产业蓬勃发展的背后,各地区风力发电机的破坏事故也时有发生。分析事故背后发生的原因,其中一部分是风力发电结构在运行的过程中,由于风力发电结构整机产生共振,进而引起风机破坏,因此风力发电结构的动力特性值得关注。已有研究发现,叶片旋转产生动力刚化会改变其自身的动力特性,而风力发电结构工作时叶片的转速范围却可达8r/min-20r/min。影响风力发电结构动力特性的另外一个因素则是基础与结构的相互作用,我国幅员辽阔,各风场建设场地差异较大,因此需针对不同场地类别分析土-结构相互作用对风力发电结构动力特性的影响。风机破坏的另一部分原因则是由于风机承受了较大的外部荷载作用。随着近年来恶劣的沙尘暴天气愈演愈重,沙尘暴对风力发电结构造成的破坏时有发生,沙尘暴对建筑物侵蚀严重,其荷载效应明显大于净风荷载作用下的效应。虽然风沙危害对建筑物具有明显风蚀效应,但关于风沙荷载对风力发电结构的动力响应分析及对其所造成的危害则缺乏较深入的研究。以往关于风力发电结构的动力响应分析大多只针对风荷载作用,而不考虑砂粒荷载的作用,风力发电结构对风荷载具有极强的敏感性,随着沙尘暴荷载强度的升高,风沙耦合效应对风力发电结构产生的影响也将逐渐增大。针对以上风力发电产业暴露出的一些问题,确定本文研究的主要内容有以下三个方面。首先,以风电场中常见的2WM三桨叶水平轴风力发电机为原型,利用大型通用有限元软件ANSYS建立7种不同精细程度的风力发电结构有限元模型,根据建立的模型,以地震响应分析为例,得到各模型的响应结果。分别从变形、内力、应力以及细部应力集中四个方面分析各个模型之间的计算结果。结果显示,对于风力发电结构的变形,上部结构对其影响较小且采用低阶梁单元仍能得到较好的模拟结果;对于风力发电结构的截面剪力和截面弯矩,整机有限元模型得到的结果较为精确,单元选择时需采用高阶实体单元;不考虑叶片、轮毂以及机舱得到的塔筒截面应力离散性较大,且采用壳单元可较好的模拟塔筒截面应力;叶片机舱等上部结构对门洞局部产生的应力集中影响较大且采用塔筒壳单元、门洞局部实体单元的多尺度模型能较好的模拟门洞应力集中。其次,进行风力发电结构的动力特性分析。分别考虑叶片旋转刚化及土-结构相互作用对风力发电结构动力特性的影响,研究风力发电结构整机在不同叶片旋转速度、不同场地类别以及综合考虑叶片旋转与不同场地类别下风力发电结构的动力特性变化,研究其频率变化规律。并利用坎贝尔图分析在上述工况下风力发电结构的共振特性。结果显示,叶片转速的增加使风力发电机的自振频率逐渐增大,塔筒与叶片的耦合变形使频率增长加快;考虑土-结构相互作用时,风力发电机频率降低,且场地土越软风力发电机频率越小;当两种工况共同作用时,叶片旋转只对一阶频率产生影响,对高阶频率影响甚微,且风力发电机频率降低;考虑叶片旋转时风力发电机在1P转频内不产生共振点,在3P转频率内一阶频率的共振点为14r/min。此外在不同场地土下风力发电机均会产生共振点,其中三类土的共振频率最远离额定转频。最后,对比分析不同等级风荷载和风沙荷载作用下的风力发电结构动力响应,分析研究了风力发电结构在不考虑风机叶片、考虑风机叶片旋转作用以及考虑土-结构相互作用三种工况下,风力发电结构在不同等级风荷载和风沙荷载作用下的动力响应变化规律。结果显示,对于三种不同精细程度的有限元模型,考虑风沙荷载作用下的风力发电机比考虑单一风荷载作用下的塔顶位移大;采用简化的塔顶集中质量模型进行数值模拟时得到的结果偏于不安全,建议在进行风沙荷载及风荷载响应分析时采用考虑叶片旋转效应的整机有限元模型;土-结构相互作用对风荷载及风沙荷载作用下的位移响应均具有明显的放大效应,软弱地基上更为明显,因此,在该场地上建立风力发电场时更应考虑土-结构相互作用的影响。

关键词：风力发电结构有限元模型模态分析风沙荷载动力响应分析