大跨度球型屋盖结构风致连续破坏过程模拟

利用计算流体动力学（CFD）软件CFX11.0,基于雷诺平均（RANS）方法的SSTk-ω湍流模型,对大跨度球型屋盖风致破坏过程进行了二维数值模拟,研究风致连续破坏过程中,屋盖开口附近风压系数的变化规律.结果表明,大跨度球型屋盖风致破坏区域受矢跨比的影响,屋盖破坏过程中破坏开口边缘处风压发生较大变化,这是屋盖风致连续破坏的主要原因.此外,结构前后入口也对破坏开口屋面内外表面风压系数分布规律有较大影响.     

表面有螺旋装饰条的大跨贝壳形屋盖风荷载特性

为了解装饰造型对大跨贝壳形屋盖风荷载特性的影响，研究了某表面有螺旋形装饰条高铁站房屋盖的风压分布特征. 首先，基于Reynolds时均RNG k-ε湍流模型，建立表面有装饰条大跨贝壳形屋盖的数值风洞模型，以模拟屋盖风压分布，通过与风洞试验结果的对比分析，验证了数值模型的可靠性和适用性；然后，建立表面无装饰条贝壳形屋盖的数值风洞，并进行数值模拟；最后，将表面有装饰条屋盖和表面无装饰条屋盖的计算结果进行对比，从风荷载升力系数、局部体型系数和局部区域速度矢量分布方面，分析表面有螺旋形装饰条贝壳形屋盖的风场变化特性. 研究结果表明:数值模拟得到的表面有装饰肋条大跨贝壳形屋盖风载体型系数与风洞试验的体型系数相对误差在 ± 25%以内，风荷载升力系数偏差率在?7.1%～6.1%；表面有装饰条模型的风载升力系数小于表面无装饰条模型，最大偏差率达22.4%，设置装饰条对大跨贝壳形屋盖的整体抗风有利；设置装饰条可以使屋面大部分区域的局部风压减小0～50%，但也会使得个别区域增大2～5倍，在对局部附属构件设计时应予以重点关注；装饰肋条间有一定的狭管效应，肋条对风流的阻挡效应致使风流在肋条处有明显的漩涡产生，并使得肋条自身的风压较高，表面有装饰条屋盖会在背风面产生比表面无装饰条屋盖更大范围的尾涡.      

雷暴冲击风作用下坡地坡度对高层建筑风压的影响

为探讨雷暴冲击风作用下山地不同坡度角对于高层建筑表面风荷载的影响,为高层建筑结构设计提供参考依据,采用冲击射流装置进行风洞试验,对同一高层建筑在平地及不同坡度角的山地等多种地形下表面风压的分布特性进行试验研究,并借助计算流体力学软件FLUENT对试验工况进行了模拟和补充,分析了雷暴冲击风作用下平地地形、坡地地形下高层建筑表面风压分布特性以及起坡角度对建筑风荷载特性的影响规律.研究结果表明:平地时,不同径向位置处高层建筑各层阻力系数分布沿高度具有相同的变化规律,层阻力系数随着径向距离的增大而减小,径向距离由射流喷口直径的1.0倍变化到3.0倍的过程中,层平均阻力系数最大值由1.3减小到0.3;坡地时,高层建筑迎风面的风压值与山地坡度角的增加呈负相关,极值风压所在高度同样随着起坡角度的增加而减小;从平地到90°坡地,极值风压系数减小幅度达到0.7以上,极值风压出现的高度由建筑物高度的1/4处降低到建筑物底部附近.     

数值模拟引导的低矮建筑风压系数规范比较研究

采用基于RANS的SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型对不同屋面坡角下双坡屋顶低矮建筑的表面风压及周围定常风场进行数值模拟,深入分析了坡角对结构周围流场及其表面风压的影响．在理解建筑周围流场结构的基础上,对中美澳3国风荷载规范中关于封闭式双坡屋顶低矮建筑主体结构的相关规定做了详细比较．结果表明,采用SST k-ω模型结合适当的边界条件,可较准确地预测结构表面平均风压系数及周围定常流场;分析建筑周围流场结构有助于理解并对比分析规范中的相应规定．通过规范比较可知,中国规范相对简单,关澳规范则较为详细的考虑了屋面坡角、建筑长宽比、气流分离及再附着等因素对风压系数的影响．最后,结合数值模拟的结论,给出中国规范相应规定的细化建议．     

大跨翘曲屋盖风压分布的风洞试验与数值模拟

为了解大跨翘曲屋盖结构的风压分布特征,对某大跨翘曲屋盖进行了风洞试验和计算流体动力学数值模拟.首先,根据风洞试验结果分析了屋盖风压分布情况及门窗开启状态对风压分布的影响;然后,基于CFX软件平台,采用RNG k-ε湍流模型模拟了该屋盖结构的平均风压分布,并将模拟结果与风洞试验数据进行了比较.研究结果表明:门窗开启对外风压影响较小,对内压有一定影响,开一边门窗时,屋盖会受到向上的升力,两边同时开启时,内压对屋盖有向下的吸力作用;采用RNG k-ε湍流模型模拟大跨翘曲屋盖结构的平均风压分布具有较好的计算精度,可较准确地反映实际风压;屋面风压分布以吸力为主,风荷载最不利位置在翘曲边缘和屋面顶部区域;来流方向为翘曲向时,风流在翘曲边缘有较大的分离,在翘曲面有较强的漩涡产生,风流绕过建筑后,在来流方向建筑两侧会伴随着分离和漩涡产生,且在背风面会形成两个大的对称尾涡,而来流方向为凹曲向时,侧面和背风面的分离和漩涡并不明显.      

砖砌体结构层数限值及构造柱设置改进

针对现行规范中砖砌体结构层数限值和构造柱设置未考虑楼层内墙体面积差异的问题,提出了楼层墙率指标,通过统计大量砖砌体房屋,分析了不同建造年代和类型砖砌体房屋楼层墙率,根据结构抗震评估理论及判别准则,分析了楼层墙率对层数限值和构造柱设置的影响,提出了不同性能目标下层数限值和构造柱设置建议.分析结果表明:为满足大震不倒的要求,在砌体结构承重方向,对设防烈度7度的7层房屋,装配式楼(屋)盖的楼层墙率应不小于5.5%,现浇楼屋盖的楼层墙率应不小于4.5%;对设防烈度8度的6层房屋,装配式楼(屋)盖楼层墙率应不小于6.5%,现浇楼屋盖的楼层墙率应不小于5.5%;对设防烈度9度的4层房屋,装配式楼(屋)盖的楼层墙率应不小于6.5%,现浇楼屋盖的楼层墙率应不小于5.5%.      

某城市中心开敞式膜结构屋盖的风荷载试验研究

以郑州大上海步行街中心广场膜结构屋盖为工程背景,进行了刚性模型的同步测压试验。详细研究了该屋盖的平均风荷载和脉动风荷载的分布特征、上下表面对应点风压的相关性、以及围护结构设计和承重结构设计的风荷载。结果表明:该屋盖表面的风压以负压为主,脉动成份很大;上下表面对应点风压的相关系数绝大部分为正值;采用规范方法的结果进行围护结构设计偏于不安全,应采用概率统计方法的结果。     

柱面干煤棚风压分布特性数值模拟研究

基于计算流体力学软件ANSYS14.0-FLUENT,研究秦皇岛热电厂柱面干煤棚网壳结构在风作用下的表面风压分布。通过建筑几何模型建立、网格划分以及后处理得到相应计算模拟结果。通过控制变量法,研究不同风向角以及不同矢跨比下干煤棚壳体表面不同部位风压系数,为干煤棚结构抗风设计提供依据。研究结果表明:干煤棚的整体结构受力主要以风吸力为主,随着风向角的改变,干煤棚的风压分布会发生显著变化;干煤棚矢跨比宜为0.3~0.5,改变矢跨比对干煤棚壳体的风压分布产生一定效果但并不明显。     

低雷诺数下类方柱绕流的数值模拟研究

为了改进标准方柱(直边尖角柱)的气动性能,以经过角(尖角、圆角)、边(直边、凹边和凸边)形状修正的类方柱为研究对象,采用非定常数值模拟方法,在低雷诺数下研究了6类二维柱体在不同风向角下的气动性能和流场特性。研究结果表明:对标准方柱的角、边形状的修正可明显改变其绕流场结构,会改善或劣化其气动性能;与直边柱体相比,凸边柱体的气动力系数和风压系数明显减小,而凹边柱体的气动力系数和风压系数均有增大的趋势;与尖角柱体相比,圆角化后柱体的气动力系数在所有风向角下呈整体下降趋势,Strouhal数增大;从总体上看,在研究的6类柱体中,凸边圆角柱的气动性能最好,凹边尖角柱的气动性能最差。     

积分尺度对矩形迎风面脉动风压特性的影响

为了研究来流紊流积分尺度对矩形断面高层建筑迎风面脉动风压及其分布特性的影响，选取2∶1和1∶2矩形为对象，通过风洞测压试验，对不同积分尺度紊流场中矩形迎风面的平均风压系数及脉动风压均方根系数、脉动风压相关函数和相干函数、脉动风压功率谱进行了对比分析. 研究结果表明:对于矩形同一高度处，脉动风压功率谱在低频区始终受准定常效应控制，而在高频区脉动风压功率谱随积分尺度的增大而增大；风压的相关性高于风的相关性，风压的相关函数与相干函数也随积分尺度的增大而增大，但相关宽度随积分尺度的增大而减小；脉动风压均方根系数随积分尺度的增大而增大；对于同一流场中矩形不同测点处，离驻点越远，风压相关函数和相干函数越小，脉动风压均方根系数越大；来流紊流积分尺度对平均风压系数的影响较小.      

基于时变边界屋面积雪分布数值模拟

为了预测风作用下屋面积雪的分布,采用Euler-Euler两相流混合模型,结合最新改进的k-ω模型等数值方法开发分析程序,对风致屋面积雪分布进行了数值模拟.模拟中为考虑积雪对屋面绕流的影响,计算区域边界根据雪深变化采用时变边界.对一典型阶梯形屋面积雪分布进行数值模拟,获得了几种不同状态下屋面积雪分布的时间历程.模拟结果表明:随着时间的发展,屋面积雪分布对屋面绕流产生较大影响,屋面积雪沉积率随之发生变化;模拟时长22 h的计算结果与实测结果基本一致,不考虑积雪对屋面绕流的影响将产生较大误差;不同风速比下模拟的屋面雪深分布形态基本一致,但入流风速比越小,雪深分布系数相对越大,达到近似分布的模拟时间就越短.      

基于PIV试验的积雪平屋面风场特性研究

为研究屋盖积雪对低矮平屋面风场特性的干扰影响，基于风吹雪风洞试验，通过3D打印获得平屋面的3D积雪形态，并以无积雪模型作为对照，系统地开展了PIV (particle image velocimetry)风洞试验，并结合LES(large eddy simulation)方法，研究了6组平屋面建筑有无积雪时的流场分布特性.试验研究表明：当无积雪时，来流在屋面前缘处分离后能形成典型的分离泡流动，分离泡内速度场存在明显逆流现象；当有积雪时，屋面上方的逆流减弱甚至消失，积雪显著地加快了流经屋面附近流场的速度，其最大速度增量约为0.6，同时，流线分布更贴合模型壁面，速度梯度增大，也相对增大了涡量值；积雪会使得屋面上方整体的时均湍动能和切应力均减小，但对屋面迎风区域的平均和脉动风压均有增大作用，其增大比值约为15%和20%.通过该研究可进一步对低矮建筑的风雪荷载作用机理展开分析，为屋盖结构的抗风雪设计提供参考.     

锥度化方形截面高层建筑的气动力特性

用高频测力天平技术,对不同锥度比的方形截面高层建筑进行了风洞试验,分析了锥度比、湍流度和风向角对方形截面高层建筑基底弯（扭）矩系数、基底弯（扭）矩谱密度与基底弯（扭）矩间相关性的影响.试验结果表明:锥度化措施能减小方形截面高层建筑基底弯（扭）矩系数幅值25%以上,但不能改变基底气动力随风向角的变化规律;锥度化措施能减小所有折减频率范围内顺风向与扭转向基底弯矩谱,但只能减小低频区域横风向基底弯矩谱和谱峰高度,却增大旋涡脱落频率和高频区横风向基底弯矩谱;随来流湍流度增大,锥度化措施对风荷载的抑制效果减弱;折减频率在0.10到0.15时,锥度化措施能增大横风向基底弯矩与基底扭矩间的相关性.      

不同长宽比矩形高层建筑的分离再附流动特性

为研究边界层紊流特性、断面长宽比和空间位置等因素与矩形高层建筑分离再附流动特性之间的关联,通过不同长宽比矩形建筑模型的同步测压试验,获取不同工况下的表面风压实测数据;分析了影响矩形建筑三维分离再附流动和分离区长度演化规律的多种因素,探讨了大尺度紊流下矩形高层建筑的非定常气动力与分离再附流动特性的内在关联;定量给出了平均分离区长度在竖向的分布规律. 研究结果表明:紊流风场的积分尺度与建筑特征尺寸的比值关系会影响分离再附流动和气动力特性的试验精准度,最大偏差可达约24%;边界层紊流的干扰导致分离剪切层曲率增大,加强了对分离区的卷夹作用,稳定再附将发生在长宽比为2时;平均分离区长度在竖向方向逐渐增大,并依据试验结果给出了高层建筑侧面风压取值的修正建议.      

湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

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.