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高层建筑围护结构风压系数的概率特征及其极值POT估计

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振动与冲击 2023年第1期42卷 224-231页

作者：李寿科毛丹刘敏郭凡孙洪鑫陈元坤邓声祥湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭411201 中南建筑设计院股份有限公司武汉430071 江西省建筑设计研究总院集团有限公司南昌330046

为获得高层建筑围护结构设计风荷载,通常需要考虑其表面风压系数的概率特征,进而进行极值估计。针对当前基于超越阈值模型的风压系数极值估计方法存在阈值选取困难,需要较大样本的不足,基于高层建筑标准模型进行风洞试验,首先研究其表... 详细信息

为获得高层建筑围护结构设计风荷载,通常需要考虑其表面风压系数的概率特征,进而进行极值估计。针对当前基于超越阈值模型的风压系数极值估计方法存在阈值选取困难,需要较大样本的不足,基于高层建筑标准模型进行风洞试验,首先研究其表面风压系数的概率特征,结果表明迎风区测点接近高斯分布,分离区测点风压系数母体接近Gamma分布,风压系数极小值接近GEV(general extreme value,GEV)分布;提出一种改进的POT(peak over threshold,POT)极值估计方法进行表面风压系数极值估计,进而与几种传统极值估计方法进行对比,结果表明改进POT极值估计方法可实现小样本的风压系数极值估计,其估计结果与大样本容量的标准极值偏差小于5%,且稳定性较好;最后给出了标准高层建筑模型表面极值风压系数。

关键词：围护结构风洞试验风压系数极值超越阈值(POT)方法 GPD概率分布 CAARC标准模型

紊流积分尺度对caarc模型表面风压特性的影响

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振动与冲击 2022年第9期41卷 81-89,106页

作者：张海程杜树碧李明水秦川西南交通大学土木工程学院成都610031 西南交通大学风工程四川省重点实验室成都610031

常规风洞不能较好模拟紊流积分尺度,造成模型缩尺比与积分尺度不匹配。采用两种缩尺比caarc(Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council)模型在相应缩尺比的B类风场中进行同步测压试验,研究紊流积分尺度对平均风压系数、脉... 详细信息

常规风洞不能较好模拟紊流积分尺度,造成模型缩尺比与积分尺度不匹配。采用两种缩尺比caarc(Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council)模型在相应缩尺比的B类风场中进行同步测压试验,研究紊流积分尺度对平均风压系数、脉动风压均方根系数、脉动风压功率谱、风压水平和竖向相关系数、以及风压竖向相干函数的影响。结果表明:平均风压系数受紊流积分尺度影响较小,而脉动风压均方根系数随L_(u)^(x)/D的减小而减小,且脉动风压均方根系数偏小程度随L_(u)^(x)/D偏小程度的增大而增大;迎风面驻点的脉动风压功率谱,在低频区间,由准定常效应控制,基本保持一致,在高频区间,其衰减速度快于脉动风速功率谱,且衰减速度随紊流积分尺度的减小而加快;紊流积分尺度越小,宽面迎风时侧面与背面的脉动风压功率谱越大,迎风面外缘点和背面的漩涡脱落特征更明显;在迎风面,脉动风压水平相关系数和竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而减小;在侧面,宽面迎风时脉动风压水平和竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而增大,窄面迎风时脉动风压水平相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而减小,测点距离较近时,竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而增大,测点距离较远时,竖向相关系数随着L_(u)^(x)/D的减小而减小;在背面,宽面迎风时,随着L_(u)^(x)/D的减小,水平相关系数减小,竖向相关系数增大,窄面迎风时,随着L_(u)^(x)/D的减小,水平相关系数减小,测点距离较近时,竖向相关系数增大,测点距离较远时,竖向相关系数减小;迎风面脉动风压竖向相干函数大于脉动风速相干函数。

关键词：紊流积分尺度 CAARC标准模型风压分布风洞试验

湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

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西南交通大学学报 2018年第3期53卷 508-516页

作者：祝志文邓燕华湖南大学土木工程学院湖南长沙410082

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下caarc(commonwealth advisory aeronautical research council)标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进... 详细信息

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下caarc(commonwealth advisory aeronautical research council)标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.

关键词：湍流积分尺度 CAARC标准模型大涡模拟风压相关性

粗糙条与圆弧角对高层建筑风荷载影响的风洞试验及数值模拟研究

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粗糙条与圆弧角对高层建筑风荷载影响的风洞试验及数值模拟研究

作者：季长慧华南理工大学

学位级别：硕士

随着建筑高度的增加,风荷载成为结构安全性和舒适性设计的控制荷载之一。现代超高层建筑从设计美学角度考虑,往往在建筑立面设置小尺度的构件和角区进行圆角处理,这使得建筑体型相对规范中给出的标准体型发生一定程度的改变,风对结构的... 详细信息

随着建筑高度的增加,风荷载成为结构安全性和舒适性设计的控制荷载之一。现代超高层建筑从设计美学角度考虑,往往在建筑立面设置小尺度的构件和角区进行圆角处理,这使得建筑体型相对规范中给出的标准体型发生一定程度的改变,风对结构的作用也将发生相应变化。为考虑真实建筑的这种设计特征,本文在凝练众多超高层建筑项目立面粗糙条和角部圆弧角设计特征的基础上,设计系列高层建筑模型,进行刚性模型测压风洞试验和大涡模拟(LES)研究,分析其对结构风荷载的影响。主要工作内容包括以下几个方面:(1)首先,在caarc标准高层建筑模型的基础上,设计了考虑六种不同的表面粗糙条和圆弧角工况;然后利用3D打印技术,制作了一系列测压试验模型;模型由主体和不同弧度/粗糙条的角区构件通过模块化拼接组合而成,以实现不同圆弧角和粗糙条的多种试验工况;最后对标准建筑模型、以及考虑不同圆弧角和粗糙条工况,开展系列的刚性模型测压风洞试验研究,通过六种模型表面风压分布、风荷载体型系数分布,系统分析圆弧角和粗糙条对高层建筑风荷载的影响。研究显示:粗糙条会显著减小试验模型侧风面脉动风压系数;部分风向角(本文中45°风向角)降低所有试验工况表面的平均风压系数和脉动风压系数。(2)其次,采用课题组建议的新的大涡模拟入口湍流生成方法——改进的窄带合成法即INSRFG方法(Improved Narrowband Synthesis Random Flow Generation),进行标准建筑模型、以及考虑圆弧角与粗糙条影响的LES数值仿真研究。在对大气边界层湍流风场进行数值模拟验证的基础上,首先进行caarc标模的绕流数值模拟,将结果与国内外风洞试验结果对比,验证本研究数值建模方法的有效性和可靠性;然后再对不同圆弧角和粗糙条的影响进行模拟计算和风洞试验结果比较。通过比较说明,本研究建立的LES数值模型具有较好的精度,可以模拟出圆弧角和粗糙条对建筑表面风压、旋涡脱落和基底弯矩的影响规律。数值模拟结果显示:圆弧角会减小建筑两侧和尾流的旋涡作用范围,增大基底弯矩系数功率谱峰值对应的无量纲频率,其顺风向功率谱峰值对应的频率从直角的0.101、5%圆弧角的0.128增大到10%圆弧角时的0.135;粗糙条会增大建筑两侧和尾流的旋涡作用范围,减小圆弧角工况模型特征频率。(3)最后结合实际工程项目,采用风洞试验方法研究表面粗糙条对风荷载的影响。以佛山某超高层建筑工程为背景,对建筑模型表面设置粗糙条与去除粗糙条两种工况分别开展刚性模型同步测压试验,通过建筑表面风压系数、基底倾覆力矩、结构顶层峰值加速度以及风荷载体型系数,对比分析粗糙条对超高层建筑对结构风荷载的影响,为类似问题的研究提供参考。研究显示:粗糙条增大了试验中主体塔楼基底X轴的倾覆剪力和倾覆弯矩,本项目中增幅分别是4.9%和6.0%左右;粗糙条减小了试验中塔楼结构顶部的峰值加速度,本文减幅为7.9%,同时对加速度极值出现的工况角有一定影响。

关键词：高层建筑圆弧角粗糙条 CAARC标准模型 INSRFG方法风荷载

利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数跑车试验方法研究

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利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数跑车试验方法研究

作者：武昊郑州大学

学位级别：硕士

随着中国城镇化的迅速发展,城市高层建筑变得愈来愈密集,而由于高层建筑阻尼小,风荷载往往成为设计中需要考虑的主要荷载之一,因此建筑抗风研究就愈来愈必要。目前建筑抗风的研究手段主要有风洞试验、现场实测和数值模拟。风洞试验由于... 详细信息

随着中国城镇化的迅速发展,城市高层建筑变得愈来愈密集,而由于高层建筑阻尼小,风荷载往往成为设计中需要考虑的主要荷载之一,因此建筑抗风研究就愈来愈必要。目前建筑抗风的研究手段主要有风洞试验、现场实测和数值模拟。风洞试验由于能够较好地模拟大气边界层风场,且能够多次重复试验,相比现场实测耗时少,因此风洞试验成为建筑抗风研究的最主要手段。虽然国内风洞实验室总量较多,但地区分布不均,诸如河南等地区目前还没有大型风洞实验室,这对建筑抗风的试验研究形成了限制。众所周知,汽车行驶过程中能够产生风,而风洞试验是由大型风机转动产生风。为了研究一种便捷、经济且可靠的建筑抗风试验方法,参照风洞试验的方法将建筑缩尺模型固定在车顶试验平台上,利用汽车行驶产生的相对风场对缩尺模型风压系数进行试验研究。这就提出了一种利用汽车行驶产生风测试标准模型建筑风压系数的跑车试验方法。首先,研制了利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数跑车试验方法的硬件系统。硬件系统的研制包括跑车试验装置构造和设备装置的研制及组装。为了保证跑车试验风速的稳定性,跑车试验选择一辆具有定速巡航功能的小汽车;为了将缩尺模型固定在车顶并能够变换不同风向角,设计了跑车试验方法的物理试验平台及其与小汽车的组装;为了研究车顶不同高度的风速特性,自行研制了可变换不同高度的皮托管测量架;为了能够实现多种仪器设备可同时工作,对风速测试仪器(皮托管)、振动测试仪器(拾振器)和风压测试仪器(风压传感器)等多种设备进行简单集成;为了保证跑车试验方法的硬件系统能稳定工作,制定了跑车试验步骤并选择了合适的试验路况。研究结果表明:试验汽车速度稳定,满足试验要求;跑车试验所研制的物理试验平台能够与汽车稳定组装,且物理试验平台具备调整风向角功能;所研制的皮托管测量架具备调整皮托管高度和位置的功能,适用于跑车试验方法;跑车试验测试标准模型建筑风压所需的风速测试仪器、振动测试仪器和风压测试仪器可同时工作;跑车试验方法的测试步骤和路况满足试验要求且仪器设备可稳定工作。其次,开发了跑车试验方法测试标准模型建筑风压数据处理的软件系统。数据处理软件系统主要包括风压数据预处理开发和风压数据后处理开发。数据预处理基于MATLAB软件开发了两大模块:剔除奇异值、数据平滑处理。数据后处理开发采用MATLAB GUI模块编程实现,可将数据采集软件得到的电压信号转换为风压信号,还可同时计算20个测点的平均风压系数,并可对风压测点进行时程分析和频域分析。研究结果表明:数据预处理软件能够实现对异常数据的剔除,数据平滑处理模块可有效减小随机误差,该软件能够有效对试验数据进行预处理,提高数据精度;数据后处理软件能快速地对20个测点的平均风压系数进行计算,可提高跑车试验方法测试标准模型建筑风压系数的试验效率。最后,验证了利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数跑车试验方法的可行性。利用自行设计的皮托管测量架研究了50 km/h、72 km/h和90 km/h车速下车顶不同高度的风特性;研究了72 km/h车速下汽车振动对跑车试验的试验风速的影响;分析了72 km/h车速得到的动压数据和3个典型测点风压数据的稳定性状况,并分析了三种不同车速下典型测点的风压系数结果;研究了72 km/h车速下利用跑车试验方法所得到的CAARC标准模型20个测点的平均风压系数,并验证了跑车试验方法测试标准模型建筑风压系数是否可行。研究结果表明:随着车速的增大,车顶不同高度的风速均匀程度呈现增大趋势,考虑行车安全性等因素选择72 km/h作为跑车试验方法标准模型测压的试验车速;汽车振动对跑车试验标准模型测压中的试验风速影响很小,不同风向角下汽车振动对风速的影响可以忽略;不同风向角下动压时程曲线整体较为平稳,风压数据经处理后毛刺现象明显改善且稳定性提高;不同车速对CAARC标准模型典型测点的平均风压系数基本无影响,且跑车试验方法可重复性操作;除极个别测点外跑车试验所得CAARC标准模型的平均风压系数曲线与风洞试验结果吻合较好,利用汽车行驶风测试标准模型建筑风压系数的跑车试验方法具有一定可行性。

关键词：跑车试验汽车行驶风 CAARC标准模型平均风压系数风洞试验

考虑流固耦合作用的高层建筑风致干扰效应分析

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考虑流固耦合作用的高层建筑风致干扰效应分析

作者：张丽丽山东大学

学位级别：硕士

高层建筑的抗风在结构领域是一个老生常谈的课题了,但寸土寸金,高楼林立的时代发展让它历久弥新,高层建筑的风干扰就是其衍生的一个新课题。现有关于高层建筑风干扰的研究多采用风洞实验技术和刚性模型数值模拟技术,因此无法得出风干扰... 详细信息

高层建筑的抗风在结构领域是一个老生常谈的课题了,但寸土寸金,高楼林立的时代发展让它历久弥新,高层建筑的风干扰就是其衍生的一个新课题。现有关于高层建筑风干扰的研究多采用风洞实验技术和刚性模型数值模拟技术,因此无法得出风干扰效应的气弹性相关参数。我国荷载规范关于风干扰只是规定了体型系数的放大系数,并且只考虑了两个高层建筑截面形状相同的情况,这对于工程实践中高层建筑抗风设计来说是远远不够的,关于风干扰的相关规范总体比较匮乏。本文基于caarc高层标准模型,考虑两个高层建筑之间的风致干扰效应,通过流固耦合（FSI）数值模拟进行了分析,主要改变了高层模型之间的并列间距、串列间距、施扰模型的高度、施扰模型的宽度等参数,主要结论如下:（1）对于单体caarc高层模型,LES湍流模型对于高层建筑的模拟具有相当高的精度,在风致流固耦合作用下,caarc高层模型顶点峰值位移较大,大幅的变形会影响到流场风压的分布,所以进行高层建筑的风干扰分析应考虑FSI作用。（2）两个高层模型串列布置时,受扰模型迎风面承受负压,其余风攻面风压系数（Cp）有所减小,建议当两者距离大于12Dx（顺风向宽度）时,可以不考虑风干扰对于风压系数的影响;大于24Dx时,可不考虑风振系数的放大效应,在建筑规划时,尽量避开高层建筑间距为4Dx的情况。（3）两个高层模型并列布置时,会出现峡谷风效应,在距离较近时,风速可以提高10%。并列布置时,受扰高层模型的风压系数、顶部节点位移都被放大,但风振系数（β）无显著变化。即串列布置时,受扰高层模型动力响应放大,并列布置时,受扰模型静力响应放大。（4）上游施扰高层模型高度的变化时,施扰模型高度（Hr）小于受扰模型高度（H）时,对于流场的干扰较小,施扰模型高度大于受扰模型高度时,对于流场的干扰较大,随着高度增加,流场无显著变化。对于施扰模型高度小于受扰模型高度一半的情况,可忽略干扰作用,当施扰模型高度大于受扰模型高度时,体型系数负风压干扰因子可取2.0,风振系数干扰因子取2.0。上游施扰高层模型宽度（Br）的变化时,施扰模型宽度变化对于受扰模型的风压系数无显著影响,但对于受扰模型风振系数影响较大,即使在施扰高层模型宽度为受扰高层模型宽度一半时,虽然结构顶部没有产生较大的峰值位移,但风振系数干扰因子仍可以达到1.7以上。（5）对于具体工程进行的FSI数值模拟,数值模拟结果与风洞实验数据相比,对于基底剪力和弯矩精确度较高,而基底扭矩的误差值较大,需要在湍流模型中找到进一步的改进方法以提高模拟精度。有周边副楼干扰时,高层建筑的负压峰值、风速、湍流度均增加,在进行规划布置时,在相应位置种植树木改善风场。

关键词：风荷载干扰效应高层建筑 CAARC标准模型流固耦合

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方形高层建筑风荷载数值模拟

方形高层建筑风荷载数值模拟

作者：陈细勇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

高层建筑结构对风荷载是比较敏感的结构。准确确定结构表面的风压情况,对建筑物的抗风设计有着极其重要的意义。在“高层民用建筑钢结构技术规程”和“建筑结构荷载规范”中,虽然对不同类型的建筑物和结构物的体型系数进行了规定,但均... 详细信息

高层建筑结构对风荷载是比较敏感的结构。准确确定结构表面的风压情况,对建筑物的抗风设计有着极其重要的意义。在“高层民用建筑钢结构技术规程”和“建筑结构荷载规范”中,虽然对不同类型的建筑物和结构物的体型系数进行了规定,但均没有考虑建筑物高宽比H/B、宽厚比B/D和截面尺寸B×D的影响,有一定的不合理之处。本文通过选取caarc高层建筑模型这类广泛标准建筑模型,对其建立三维计算模型,使用有限元软件ANSYS计算模拟其在大气边界层中风压分布情况。根据对标准模型的计算,得到结构表面的风压分布情况,并与风洞试验比较,从而确保了方法的可靠性和有效性。基于此,本文通过建立相同高度不同高宽比和几组相同高宽比不同截面的的高层建筑模型进行数值模拟,并研究得出的高层建筑周围的流场分布,总结关于不同类型建筑物风压分布场和风速分布场的一些规律和特点;计算它们的体型系数,与规范中的数值进行比较,并分析风载体型系数与建筑几何尺寸的关系,得出相应的结论;并对工程设计时风载体型系数的确定提出建议。基于前面的数值风场的模拟结果,进行结构的响应分析。计算结构在风场中发生的位移,并得出相应的结论。

关键词：高层建筑结构风荷载数值模拟 CAARC标准模型体型系数

高层钢结构流体—结构耦合作用风致响应的数值模拟研究

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高层钢结构流体—结构耦合作用风致响应的数值模拟研究

作者：李鹤山东大学

学位级别：硕士

高层钢结构对风荷载是比较敏感的结构。准确确定结构表面的风压情况，以便进一步研究风对结构的作用，是非常重要的。目前研究建筑物风致动力响应主要有现场实测、风洞试验研究、理论分析和风工程数值模拟技术这几种方法。伴随着计算机... 详细信息

高层钢结构对风荷载是比较敏感的结构。准确确定结构表面的风压情况，以便进一步研究风对结构的作用，是非常重要的。目前研究建筑物风致动力响应主要有现场实测、风洞试验研究、理论分析和风工程数值模拟技术这几种方法。伴随着计算机硬件技术的迅速提升，数值模拟技术已经成为人们研究的热点。但是，目前利用数值模拟技术计算处在大气边界层中建筑物的风致动力响应在许多方面还存在很多困难。因此，对高层钢结构在风荷载作用下的风致响应开展系统研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。本文首先给出了流体-结构耦合作用下流体和结构基本控制方程的ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述和求解耦合方程的算法。然后选取caarc高层建筑模型这类广泛标准建筑模型，对其建立了三维实际尺度的计算模型，使用通用有限元软件ADINA计算其在大气边界层中的风致动力响应。计算用的湍流模型选取了标准k-ε模型。本部分分别建立“刚性模型”和“弹性模型”。根据对“刚性模型”的计算，得到结构表面的风压分布情况，并与风洞试验比较。分析结果表明数值计算结果与风洞试验结果基本一致。计算“弹性模型”(即考虑流固耦合作用)，得到结构的风振系数和体型系数。根据与“刚性模型”结果的对比，说明了“流固耦合”作用对高层钢结构的具有明显的影响，结构设计中应予以考虑。基于标准建筑模型绕流数值模拟结果，本文接下来的工作涉及结构风工程中的实际应用问题。本文选取了“高层民用建筑钢结构技术规程”(JGJ 99-98)中几种典型体型的高层建筑。采用数值模拟的方法，计算了它们的风振系数和体型系数，并且与规范中的数值进行比较，对工程设计提出建议。

关键词：数值模拟高层钢结构 CAARC标准模型流固耦合作用风振系数体型系数

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阻塞比对风洞试验结果的影响及修正研究

建设科技 2014年第11期 97-98页

作者：黄啟明广东省建筑科学研究院

风洞试验中,阻塞比的大小对于试验结果有着重要的影响,本文通过不同比例的模型测试研究,得到了阻塞比对建筑表面正负压的分布的影响,供试验参考。

关键词：风洞试验阻塞比干扰系数 CAARC标准模型