高层建筑表面风压干扰效应研究

基于刚性模型测压实验,研究了不同干扰条件下高层建筑表面风压特性。结果表明:(1)单体建筑表面迎风面风压系数均为正值,其余各面均为负值,且迎风面位于中上部的测点平均风压系数较大;(2)受到来流方向周边建筑的遮挡效应,迎风面转为负压;(3)周边建筑的干扰,使得表面脉动风压系数大于单体工况;(4)上风向周边建筑的干扰效应比下风向更为明显。获得的结果可以为此结构设计提供风荷载,同时也为其他建筑的抗风设计和风洞实验提供技术参考。     

台风“菲特”影响下温州某高层建筑顶部风场特性实测分析

东南沿海是我国经济发达地区,在沿海城市中心的高层建筑开展风场特性实测研究,对城市中心高层建筑的抗风设计具有重要的工程意义。本文基于2013年在温州市中心某高层建筑顶部实测获得的台风"菲特"的风场数据,研究获得了温州市中心高空台风风场的湍流度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和风速谱等风场特性。研究结果表明,湍流度、阵风因子和峰值因子随10min平均风速增大基本保持稳定;阵风因子随湍流度的增大而增大,且基本为线性关系;湍流度、阵风因子和峰值因子均随阵风持续时间的增加而减小,减小速率逐渐变缓,且变化曲率与Durst的经验曲线较为相似。     

高层结构群风压力分布与干扰效应

为研究群风环境中高层结构的风压分布特性与群风干扰效应,采用1:300缩尺刚性模型风洞试验,在24种风向角下分析了高层结构风荷载特性的群风效应,研究了结构的压分布特性与群风干扰效应。结果表明,现有《建筑结构荷载规范》的结构风压设计值不宜用于群风环境中高层结构抗风设计,而模型风洞试验可有效地反映群风环境中的结构风压特性;迎风面与背风面脉动压力系数较侧风面低,最大脉动压力出现在涡旋运动最强烈处,也是最大负压产生处;结构极值风压可以通过脉动风压的概率特性识别,进而对结构采取相应的加强措施。试验研究技术可靠,结果可用于该工程及类似工程的抗风设计参考。     

L形和U形三维钝体结构绕流的数值模拟研究

采用大涡模型对L形和U形三维钝体建筑物的绕流特性和风压分布特性进行数值研究。考虑平均和脉动速度入口边界,在雷诺数为1.5×10~5～7×10~5条件下,对2种钝体的9种分析工况进行瞬态动力分析,并将计算结果与已有研究进行对比。研究表明,钝体绕流对周围流场影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,影响大小随着流场与钝体之间距离、钝体建筑高宽比、离地高度的增大而减小,且对来流区0.25H、屋顶上部0.4H、左右两侧0.5H、尾流区2.0H范围内流场的影响最大;钝体迎风面风压分布比较均匀,而侧面、背面和顶面受绕流涡旋的影响较大,平均风压分布较为复杂,并与脉动风压分布具有类似的变化趋势。研究结果对结构抗风设计与建筑风环境设计具有一定的参考价值。     

悬挂网壳结构风压分布的环境影响因素研究

为了研究环境因素对机场大跨度悬挂网壳结构风荷载分布特性的影响,通过在SST k-ω湍流模型的基础上结合CFD技术对悬挂网格结构进行风洞试验数值模拟,验证了数值模拟方法的准确性并对比研究了周边建筑、围护结构、地势高低与支撑结构等不同环境因素下悬挂网壳风荷载分布规律,发现：周边建筑可以对风荷载起到遮挡效果,降低网壳表面风压,遮挡效果随着夹角的增大逐渐衰弱;有围护结构的封闭式悬挂网壳较开放式悬挂网壳存在更大的风压梯度,在一定程度上可以提高结构承风能力,但对于非规则网壳结构无规律可循,故在实际工程中,需根据情况具体分析;随着悬挂网壳结构所处地势高度的增加,其受到风压的影响程度有一定的增幅,但当地势变化差异不大时,结构受风扰动不明显;拱梁对结构表面风压分布趋势影响较小,对风荷载起到了遮挡作用,可以降低悬挂网壳结构风压系数值。     

定常吸气作用下的平板风致静力特性

采用基于Computational Fluid Dynamics(CFD)的数值方法研究了定常吸气方法对平板风致静力的影响。研究对象选为一处于均匀来流风场中的平板模型,在该平板靠近来流端设置定常吸气入口,通过改变定常吸气速度、吸气孔宽度计算该平板模型的风致静力三分力,进而获取定常吸气对平板风致静力作用的影响。风场数值模拟采用Reynolds Stress equation Model(RSM)湍流模型。计算结果显示,在定常吸气作用下,平板的阻力系数显著降低,扭矩系数增大,平板迎风端面的压力随着吸气能量的增强而减小,背风端面的压力基本不变。数值结果表明,定常吸气可以有效地改善平板绕流边界层结构,降低风致阻力。     

超高层建筑周围风场特性实测研究

为探究超高层建筑周围风场特性,以天津高银117大厦为例,通过DZZ2型采集系统进行现场实测,对该大厦周围的平均风速、脉动风速、湍流强度、湍流积分尺度、Von Karman谱等风场特性进行分析。结果表明:顺风向及横风向脉动风速变化规律不服从标准高斯分布;顺风向及横风向湍流强度与平均风速呈负相关,且其变化程度与平均风速范围有关;顺风向及横风向湍流积分尺度均随平均风速的增加而增大;Von Karman谱对低频范围内超高层周围风场特性描述较为准确。     

高强钢筋混凝土柱轴心受压承载力可靠度研究

课题组搜集186根高强钢筋混凝土轴压柱的试验数据,得到相关统计参数,选用JC法并利用MATLAB软件编制计算程序迭代求解高强钢筋混凝土柱轴压承载力可靠指标。分析不同荷载组合、钢筋强度、混凝土强度以及配筋率等参数对混凝土柱轴压承载力可靠指标的影响。研究结果表明:高强钢筋混凝土柱轴压承载力可靠指标随计算模式不确定性系数的增大而增大;随着荷载效应比的增大,可靠指标呈现出先增大后减小的趋势;可靠指标随钢筋强度的提高而减小,随混凝土强度提高而增大;随着配筋率的增大,可靠指标逐渐减小,高配筋率对轴压构件不利。     

建筑物表面风压以及风场的数值模拟与风洞实验研究

利用自主开发的模拟建筑物周围风环境数值模式“北京大学大气环境模式”(Peking University Model of Atmospheric Environment, PUMA), 通过求解非静力动力学方程, 模拟了一个特殊塔型结构建筑物周围的空间流场以及建筑物表面风压系数的分布特征, 同时与风洞实验的数据进行了对比, 对该拟建项目可能导致的风环境问题以及建筑表面风荷载进行了评估. 模拟结果与实验数据的比较显示, 两者在速度场与建筑表面风压系数具有较好的吻合度, 体现了该模式在风场以及压力场计算方面的良好性能. 但通过与实验结果的对比不难发现, 模式的结果在某些情况下与试验存在较大的误差. 造成这种偏差的原因, 一方面是模式现有的分辨率为水平方向2 m, 垂直方向3 m, 难以将塔型结构建筑物表面的气压变化完全精确的展现出来; 另一方面, 固壁面上格点的气压和周边空间气压分布之间关系的参数化方案, 仍需要进一步改进. 从整体来看, 该模式模拟结果与风洞实验基本吻合, 可以较好计算特殊形状钝体结构建筑物导致的风场以及风压分布情况. 研究表明该数值模式可用以评估建筑物的表面风压及周围的风环境, 在建筑物的风工程项目中具有良好的应用前景.     

基于改进的OBV模型的下击暴流风荷载模拟

下击暴流是雷暴天气产生的近地面短时强风,具有和大气边界层近地风显著不同的风场特征,其风荷载数值模拟方法也和常规风荷载模拟方法不同。在将下击暴流风速表达为时变的平均风速和调制的非平稳脉动风速之和的前提下,本文采用基于改进的OBV模型（Oseguera and Bowles／Vicroy（OBV））的方法来模拟平均风速,其平均风速直接由改进的OBV模型表达,而不同于已往研究中将平均风速表达为竖向风剖面与时间函数的乘积,并采用结合快速傅里叶变化的谐波叠加法来模拟调制的非平稳脉动风速。改进的OBV模型考虑了下击暴流的风暴中心移动和强度演化的影响,更准确地描述了下击暴流的实际物理过程。通过实例仿真,说明结果准确合理。     

大跨开合屋盖风荷载与风致响应试验与数值计算研究

为研究屋盖开孔对大跨结构风效应的影响,在边界层风洞中开展了大跨开合屋盖刚性模型风洞测压试验,分析了结构表面风荷载分布特征,基于时域分析法研究了屋盖开合对风致响应的影响。结果表明:大跨结构模态密集,第一阶模态能量最大,高阶成分的贡献不容忽视;屋盖开洞能有效的减小屋面风荷载,降低位移响应与加速度响应,减小风振系数。研究结果可为大跨开合屋盖风荷载设计提供参考。     

利用卫星温度资料计算风场的方法分析与比较

本文分析和比较了利用卫星温度资料计算水平风场的方法,包括地转风、梯度风和平衡风的计算方法.以DAAC提供的MLS/UARS 1992年12月份的大气温度数据为例,计算了20～55 km高度范围的地转风、梯度风和平衡风,并与ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料作了对比和分析,包括12月16日以及12月月平均风场随纬度-高度的变化、风场随经度-纬度的变化、纬圈平均风场随纬度-高度的变化特征和规律.计算结果表明,利用卫星温度观测数据计算的风场与再分析资料的特征和规律基本一致.计算的地转风在高纬地区比梯度风和平衡风大,在中低纬地区三者的差别较小,随着纬度的增大,曲率项的影响也逐渐增大,在高纬地区不可忽略.平衡风在梯度风的基础上还考虑了大气平流项的影响,能更好地反映风场的变化特征,尤其是高纬地区经向风的变化规律.利用平衡风场的计算结果,文章首次定量地计算了平衡方程中各项的大小和比值,分析了各项的贡献和相对重要性.结果表明,重力位势梯度项的贡献最大,并且随着纬度的增大有升高的趋势;曲率项的贡献随着纬度的增大也有增大的趋势,在高纬度地区的比值超过10%;平流项占有一定的比值,其变化范围相对较大,变化规律比较复杂.     

西山遮挡对滇池风生流影响的数值模拟

对于湖泊风生流的模拟,湖 面风场数据是决定精度高低的关键因素, 而湖泊周围的山地等复杂地势常常引起湖面风速风向的不均匀分布,致使湖流流态因地形因素而变化较大,本文建立了一个适合于湖泊区域的中小尺度三维过山气流数值模型,用以计算受山体遮挡的风场合沿水深平均的二维湖泊风生流数值模型模拟了实际地形条件下的滇池风生流,并与均匀风     

南极绕极流对风应力强迫的延时斜压响应

南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current——ACC）对风应力强迫存在两种响应,即正压过程的即时响应与斜压过程的延时响应．主要关注南极绕极流的斜压不稳定机制,即纬向风应力的增强导致南大洋等密面斜率加大,平均流更趋于斜压不稳定;斜压不稳定产生中尺度涡,使得平均流势能向涡旋能量（势能和动能）转化,造成了ACC体积输运在时间上滞后两年的显著减弱．ACC输运与纬向风应力的这种滞后反相关关系可以很好地解释ACC体积输运在近20a保持基本稳定的现象．     

斜压海洋水平大尺度波动各模态能量分布对风的响应

将在南海持续观测近3个月、共28层的潜标海流资料与已有的6 h分辨率的NCEP/NCAR风场资料结合起来进行了分析, 结果表明风场在一个连续的宽频带范围内向海洋上混合层输送能量; 而风的低频异常变化对流场的低频异常变化的作用则是输送能量的“最有效”途径. 但这些能量只有在近惯性频率向混合层以下传播, 并分别按正态分布率分配到正压流、斜压流以及斜压流的各个模态中去. 其中由风引起的正压流与斜压流的能量变化的比值服从正态分布N(0.0242,0.3947); 而前四个斜压模态能量变化在总的斜压能量变化中占的比值也都服从相应的正态分布: 第一斜压模态服从N(0.2628,0.1872), 第二模态服从N(0.1979,0.1504), 第三模态服从N(0.1331,0.1633), 第四模态服从N(0.0650,0.1540).     

太湖水动力学三维数值试验研究─2.典型风场风生流的数值计算

本文用垂直谢匀分五层,水平网络蹁为１ｋｍ的压缩σ坐标系下的三维数值模型,计算了太湖典型风场ＳＥ,ＮＷ,ＳＷ风生流,分析了太湖湖流及由各层流场平均得到的整层平均流肪在这三种典型风场作用下随时间的演变特征,探讨了风应力,水面倾斜压强梯度力,湖底摩擦力三者对湖流垂直结构的影响,初步揭示了太湖湖流垂直结构形成的机理。     

大跨斜拉桥桥面风致抖振的粘滞阻尼控制分析

现代大跨度斜拉桥结构重量轻、阻尼小,因而对风的作用比较敏感。紊流风诱发桥梁过大的抖振响应会危及行车、行人的舒适和安全。本文利用有限元软件ANSYS,以山东滨州黄河公路大桥为例建立了大跨斜拉桥三维空间有限元模型,在全桥动力特性分析的基础上,利用混合自回归模型模拟桥梁脉动风荷载,并进行了自激力的时域化处理,重点分析了桥面侧向抖振响应;通过对粘滞阻尼器力学特性的分析,提出了在桥塔和主梁之间安装与桥面成45°的粘滞阻尼器来控制桥面侧向抖振响应的方案,并分析了不同阻尼系数时的控制效率。研究结果表明:在侧向风力的强迫作用下,桥面侧向抖振响应不可忽视;粘滞阻尼器控制下,桥面抖振响应显著减小,各主要构件内力均无明显增加,且随着阻尼系数的增大,减振效率显著增大,阻尼器的出力也增大,但当阻尼系数达到一定值后,减振效率的增大趋于平缓,存在一个经济合理的最优值。     

污染天气下成都城市热岛环流结构的数值模拟

本文利用中尺度模式WRF V3.9对2016年7月16日成都一次污染天气下的城市热岛环流个例进行了数值模拟,分析了城市热岛环流的三维结构及演变特征.并通过设计减少气溶胶光学厚度的敏感性试验,研究了污染对城市热岛环流的可能影响.结果表明:当地时间17∶00城市热岛环流开始形成.随着热岛强度增强,环流增强,城乡边界处的城市风锋不断向城市中心推进.19∶00热岛环流结构最显著.21∶00环流结构被破坏,仅低层存在微弱的乡村风.在热岛环流结构最显著时刻,近地面风场由郊区向城市辐合,地面以上2.0km处风场由城市向乡村辐散,辐散中心与辐合中心位置大致对应.此时城市风锋在城市处合并,环流的水平尺度约为城市尺度的2～2.5倍.当气溶胶光学厚度减小后,城市热岛环流尺度和强度以减小为主.特别是在热岛环流最显著时刻,低层乡村风风速减小,城市风锋最大上升速度降低,环流的水平尺度在西、南、北三个方向均减小,且高空回流高度降低.可能的影响机制是,气溶胶光学厚度减小后,净辐射通量增大,城乡地表能量通量差异增大,城市边界层高度升高.但城市边界层高度升高对城市热岛的抑制作用超过了城乡地表能量通量差异增加对城市热岛的增强作用,最终造成城市热岛减弱,环流减弱.     

约束钢筋混凝土十字形柱的高温轴力分析

利用结构抗火分析软件SAFIR,研究了高温下约束十字形柱的轴力变化过程,考察了众多参数对该过程的影响规律,初步建立了其实用计算方法。研究结果表明：①荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载偏心率、截面尺寸对该变化过程影响较大,而柱长度、材料强度、混凝土保护层厚度、配筋率则对该过程影响较小。②随着轴向约束刚度比增加,轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值均逐渐增大,且后者的增大效应相比前者更为显著。③有无转动约束存在对轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值影响有限,非零转动约束刚度比盼大小对轴力变化系数随升温时间的变化过程影响很小。④随着荷载比增加,轴力变化系数峰值迅速减小,这一趋势对于偏压柱更为显著;随着荷载偏心率增加,轴力变化系数迅速增大。由于火灾中相邻构件之间相互约束作用的客观存在,正确把握高温下约束构件的内力变化过程对科学解释其真实火灾行为是必要的。     

近40年来太湖汛情的变化与防洪对策

本文建立了一个大气,水耦合数值模型来研究琵琶湖的环流机制,模拟计算结果表明：１）在湖面上存在一个正的风涡度场以及白天的正散度场,晚上的负散度场,在温度分层的季节里,这一特殊的琵琶湖流流域大气边界层可以产生并维持北湖一稳定,强度较弱的气旋式环流。２）当考虑大气边界层的不均匀风场的影响时,湖中形成的环流比均匀风场驱动形成的环流比均匀风场驱动形成的环流更加稳定且维持时间更长．３）局地风场可以在湖中驱动形