建筑結(jié)構(gòu)的風工程研究從規(guī)范講起

1內(nèi)容提要從規(guī)范講起規(guī)范的規(guī)定風荷載的產(chǎn)生規(guī)范各項取值及其由來風工程研究簡介風洞試驗CFD數(shù)值模擬風振分析建研院風洞實驗室簡介2從規(guī)范講起3垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，應按下述公式計算：當計算主要承重結(jié)構(gòu)時當計算圍護結(jié)構(gòu)時規(guī)范的規(guī)定4規(guī)范的規(guī)定各項參數(shù)的定義及其影響因素βz

風振系數(shù)脈動風特性——湍流度、風譜、積分尺度…結(jié)構(gòu)特性——周期、阻尼、振型…μs

體型系數(shù)結(jié)構(gòu)外形特征μz

高度變化系數(shù)地貌類別

w0基本風壓建設(shè)地的氣象資料5風荷載鏈(Davenport)風荷載的決定因素：當?shù)貤l件、風特性、建筑結(jié)構(gòu)體系風氣候：全球風地形：低空中的風空氣動力反應：風壓力學反應：結(jié)構(gòu)響應設(shè)計準則w0μzμsβz6風荷載的產(chǎn)生——空氣的力量伯努利方程能量守恒速度就是力量球場上的例子：香蕉球簡單的計算-客機的起飛升力系數(shù)1.5滑行速度200km/h機翼面積500平方米升力？142噸！71940年Tacoma大橋81965年英國渡橋電站9某高層住宅外保溫層局部風損10某體育館屋蓋局部風損1112建筑群落的風效應13建筑結(jié)構(gòu)表面風壓的基本特點時間的脈動性空間的不均勻性與來流風速成比例評估方法平均荷載*放大系數(shù)空間不均勻性：體型系數(shù)時間不均勻性：放大系數(shù)14高度變化系數(shù)μz基本風壓w0體型系數(shù)μs陣風系數(shù)βgz風振系數(shù)βz各高度風速壓平均風壓圍護結(jié)構(gòu)主要承重結(jié)構(gòu)與建筑物無關(guān)與建筑物有關(guān)15風與大氣邊界層基本風壓的規(guī)定標準場地10m高的10分鐘平均風統(tǒng)計資料基本風壓的計算大氣邊界層風速沿高度的變化16風與大氣邊界層平均風速剖面規(guī)范的四類地貌地貌海面空曠地面城市大城市中心冪指數(shù)0.1～0.130.13～0.180.18～0.280.28～0.44梯度風高度zg200～325250～375300～425350～50017風與大氣邊界層高度變化系數(shù)：基本風壓任意高度風速壓梯度風高度風速壓相同18高度變化系數(shù)μz基本風壓w0體型系數(shù)μs各高度風速壓與建筑物無關(guān)與建筑物有關(guān)19體型系數(shù)以來流風速壓為基準得出的無量綱數(shù)參考高度與高度無關(guān)20低矮房屋屋頂?shù)捏w型系數(shù)21不同傾角屋頂?shù)捏w型系數(shù)22高度變化系數(shù)μz基本風壓w0體型系數(shù)μs各高度風速壓平均風壓與建筑物無關(guān)與建筑物有關(guān)陣風系數(shù)βgz23自然風的脈動性不同高度的風速平均值脈動特性相關(guān)性設(shè)計時僅考慮平均荷載往往是不夠的24風壓的脈動——極值風壓的含義25準定常假定準定常假設(shè)：建筑結(jié)構(gòu)表面風壓與來流風速壓同步脈動（體型系數(shù)不隨時間變化）26極值風壓的計算對于隨機過程，可用平均和脈動的組合求取其極值利用準定常假設(shè)，可得出27陣風系數(shù)陣風系數(shù)的決定因素：峰值因子湍流度（與地貌類別和高度有關(guān)）隱含物理意義：與具體建筑物無關(guān)使用條件忽略結(jié)構(gòu)振動帶來的附加慣性力28高度變化系數(shù)μz基本風壓w0體型系數(shù)μs陣風系數(shù)βgz風振系數(shù)βz各高度風速壓平均風壓圍護結(jié)構(gòu)與建筑物無關(guān)與建筑物有關(guān)29風荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應動態(tài)響應與結(jié)構(gòu)特性相關(guān)等效靜風荷載將動態(tài)的風荷載簡化為等效靜力作用30隨機振動的分析方法31規(guī)范中風振系數(shù)的計算原理振型分解求取廣義坐標均方根總的最大位移32規(guī)范中風振系數(shù)的計算原理第j振型上的等效慣性力（風振力）總的風振力風振系數(shù)的計算33風振系數(shù)采用的計算假設(shè)廣義力譜的計算準定常假設(shè)相關(guān)性系數(shù)計算的簡化只考慮一階振型34風振系數(shù)的計算流程風特性準定常結(jié)構(gòu)特性35大跨結(jié)構(gòu)風振分析中的兩個問題振型密集需包含多階振型應考慮振型交叉項，不能采用SRSS簡化36大跨結(jié)構(gòu)風振分析中的兩個問題準定常假定不適用風壓脈動包含兩部分：來流和渦脫落影響脈動強度風壓脈動的頻譜特征與大氣湍流相去甚遠37高度變化系數(shù)μz基本風壓w0體型系數(shù)μs風振系數(shù)βz各高度風速壓平均風壓主要承重結(jié)構(gòu)與建筑物無關(guān)與建筑物有關(guān)38風工程研究簡介39幾個問題風工程研究是做什么的What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How40幾個問題風工程研究是做什么的What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How41測壓——表面風壓分布剛性模型測壓試驗42測振——風致振動情況冷卻塔彈性模型試驗43測速——流場分析萬科中心行人高度風環(huán)境分析44其他研究領(lǐng)域風和雨雪荷載地形模擬和大氣污染擴散其他工業(yè)空氣動力學問題（列車風、風能）45（建筑）風工程研究是做什么的？研究內(nèi)容獲得參數(shù)研究手段風荷載表面風壓體型系數(shù)剛性模型風洞試驗CFD數(shù)值模擬風致振動風振系數(shù)振動舒適度彈性模型風洞試驗結(jié)構(gòu)隨機振動計算風環(huán)境不舒適區(qū)域流動顯示和測量試驗CFD數(shù)值模擬46幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How47為什么要進行風工程研究建筑結(jié)構(gòu)的安全——雪中送炭主體承重結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)建筑群落的良好風環(huán)境——錦上添花評估行人高度風環(huán)境的舒適度針對性的優(yōu)化設(shè)計：人造景觀、綠化48為什么要進行風工程研究風荷載《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》大跨、高層結(jié)構(gòu)等的超限審查技術(shù)要求風環(huán)境中國尚無規(guī)范，但制定相關(guān)規(guī)范是大勢所趨49幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How50實測：大氣湍流特性、建筑結(jié)構(gòu)表面風壓及響應風洞試驗剛性模型測壓試驗彈性模型測振試驗風環(huán)境試驗理論和數(shù)值計算計算流體動力學(CFD)－表面風壓分布及風環(huán)境結(jié)構(gòu)計算－風致振動分析流固耦合的數(shù)值計算風工程研究手段51幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How風洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風振分析測壓試驗測振試驗風環(huán)境試驗52卡門渦街53翼梢渦54翼梢渦55風洞試驗——基本原理世界為何如此相似？控制方程相同量綱分析和相似律風洞試驗中的相似性一系列相似參數(shù)：Reynolds數(shù)、Froude數(shù)…邊界條件的相似風剖面（包括風譜、積分尺度等湍流特性）模型外形56幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How風洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風振分析測壓試驗測振試驗風環(huán)境試驗57測壓試驗流程前期準備確定實驗方案根據(jù)建筑物圖紙制作縮尺模型在模型表面布置測壓孔風洞實驗模擬對應地形的風速剖面在一定風速下進行測壓實驗通過旋轉(zhuǎn)模型轉(zhuǎn)盤改變來流風向角數(shù)據(jù)處理與分析以測量的壓力除以參考動壓獲得壓力（或體型）系數(shù)58大氣邊界層模擬尖塔粗糙元59雙層屋蓋測壓孔剛性模型制作與管路調(diào)試60測壓管路電子壓力掃描閥：輸入：64通道

量程：20inchH2O精度

：

±0.15%F.S.掃描速率：20kHz風洞測壓試驗測壓孔壓力傳感器61數(shù)據(jù)處理——壓力系數(shù)的計算平均壓力系數(shù)：脈動壓力系數(shù)：極值壓力系數(shù)：62壓力系數(shù)與體型系數(shù)的關(guān)系取決于參考動壓（風速壓）的選擇測壓試驗中使用相同的參考動壓較為方便不同測壓報告選取的參考動壓不同，壓力系數(shù)與體型系數(shù)的比值也就不同，但都應當滿足63測壓報告的使用通過剛性模型測壓試驗可獲得的數(shù)據(jù)：平均壓力系數(shù)（體型系數(shù)）極值壓力系數(shù)（相當于陣風系數(shù)與平均壓力系數(shù)的乘積）剛性模型測壓試驗的應用風振系數(shù)需另行確定用于圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的極值風壓64幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How風洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風振分析測壓試驗測振試驗風環(huán)境試驗65測振試驗應滿足的相似參數(shù)所有剛性模型應滿足的相似參數(shù)質(zhì)量相似：剛度相似：阻尼相似：阻尼系數(shù)相等66測振試驗的主要分類完全彈性模型：滿足質(zhì)量、阻尼、剛度相似參數(shù)等效模型：分別模擬外形、剛度和質(zhì)量分布節(jié)段模型：選取代表性段落進行模擬特殊的測振試驗：剛性模型配合高頻底座天平試驗67完全彈性模型試驗的困難模型加工：縮尺后的加工材料的選擇測試技術(shù)：應變測量的噪聲干擾接觸式測量對模型的影響68激光測振儀：多普勒頻移原理頻率范圍：0.5Hz～1.5MHz（速度），DC～250kHz（位移）速度范圍：0.3μm/s～10m/s位移范圍：0.01μm～40mm測量距離：65mm～250m冷卻塔完全彈性模型試驗69風致響應數(shù)據(jù)處理70孤立塔0度7度15度40度60度90度極值位移(μm)-87-60.4-77.6-86.7-97.5-98-106.9對應實際（mm）-52.2-36.2-46.6-52.0-58.5-58.8-64.1冷卻塔風致響應711(6)23(7)45(8)應變片煙囪完全彈性模型試驗72極值應變和陣風響應因子測點編號12345678極值正應變123.5135.2108.270.532.941.113.240.6陣風響應因子1.631.811.711.822.282.162.183.78風向角28528521021021010515105極值負應變-154.8-172.3-136.8-76.5-48-38.4-14.3-39.8陣風響應因子2.072.282.773.91.941.531.582.07風向角1051051051051528512028573應變的頻率特征1號測點在0風向時的應變時程曲線及頻譜1號測點在105風向時的應變時程曲線及頻譜74中央電視塔等效彈性模型75測振試驗試驗技術(shù)小結(jié)激光測振儀應變儀攝影攝像的方法加速度計76特殊的試驗——高頻底座天平試驗振型為線性時，基底彎矩恰好等于廣義力77高頻底座天平試驗所作簡化不考慮流固耦合，忽略氣動阻尼基階振型線性假設(shè)忽略高階振型的貢獻多軸力和力矩傳感器測力量程：660N；力矩量程：60N*m；測力分辨率：0.125N；力矩分辨率：0.0075N*m78天平試驗的典型結(jié)果橫風向響應顯著——100度和280度79幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How風洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風振分析測壓試驗測振試驗風環(huán)境試驗80測速：地面無方向風速探頭81相機B門電壓脈沖放煙延時電路觸發(fā)閃光燈流動顯示方法：煙線法82風向流動顯示方法：絲線法83流動顯示方法：刷蝕法84定量流動顯示技術(shù)：PIV85幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How風洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風振分析測壓試驗測振試驗風環(huán)境試驗86CFD數(shù)值模擬計算流體動力學——CFD（ComputationalFluidDynamics）技術(shù)是根據(jù)流體力學控制方程，運用計算機技術(shù)解決流體力學問題的一種研究手段。商用CFD軟件：Fluent、CFX、Star-CD…8788控制方程流體Navier-Stokes方程DNS：要求網(wǎng)格極精細，目前不適合工程應用RANS：雷諾平均，需要補充封閉模型LES：大渦模擬，需要亞網(wǎng)格應力模型工程問題大多采用RANS方程作為控制方程k-ε兩方程模型89邊界條件和初始條件進出口邊界條件入口處的大氣邊界層剖面需用UDF二次開發(fā)實現(xiàn)流域頂部：對稱邊條件固壁：無滑移邊界條件90網(wǎng)格劃分計算域的選?。簯h大于模型體量網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格動網(wǎng)格91動網(wǎng)格技術(shù)2d-layering（動態(tài)重鋪）2d-remeshing（網(wǎng)格重分）2d-spring（動態(tài)縮放）92求解方程和初、邊條件離散化不同的計算方法輸出結(jié)果速度場壓力場93表面風壓分布94行人高度風環(huán)境95過站列車風對結(jié)構(gòu)物的影響96風致噪聲評估97幾個問題風工程研究是做什么的？What為什么要進行風工程研究Why怎樣進行風工程研究How風洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風振分析測壓試驗測振試驗風環(huán)境試驗98研究目的獲取建筑結(jié)構(gòu)在時變風荷載作用下的響應高層結(jié)構(gòu)頂層加速度大跨結(jié)構(gòu)的最大位移獲得等效靜風荷載用于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風振系數(shù)？等效靜風荷載99研究方法頻率域功率譜密度分析法時間域時程分析法力功率譜系統(tǒng)輸入響應（位移等）功率譜輸出100時間域時程分析法風荷載時程系統(tǒng)輸入系統(tǒng)響應時程數(shù)理統(tǒng)計分析系統(tǒng)響應101頻域分析方法1——采用準定常假設(shè)風特性準定常結(jié)構(gòu)特性只需要風洞試驗獲得的平均壓力系數(shù)102頻域分析方法2——采用風壓時程風特性準定常結(jié)構(gòu)特性采樣頻率較高時間步長的轉(zhuǎn)換(Ut/L)p=(Ut/L)m103風振系數(shù)與等效靜風荷載表示峰值響應表示平均響應等效靜風荷載大跨結(jié)構(gòu)的等效靜風荷載計算——不是辦法的辦法104典型的等效靜風荷載取值圖105怎樣進行風工程研究？

參數(shù)方法體型系數(shù)風振系數(shù)風環(huán)境列車風風洞試驗剛性測壓試驗√√彈性測振試驗√√CFD數(shù)值模擬√√√風振分析√106其他一些風工程問題高層建筑的橫風向振動建筑物的內(nèi)壓雪荷