建筑结构的风工程研究从规范讲起.pptx

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1、1从规范讲起第1页/共124页2垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：当计算主要承重结构时当计算围护结构时规范的规定第2页/共124页3规范的规定各项参数的定义及其影响因素z风振系数脉动风特性湍流度、风谱、积分尺度结构特性周期、阻尼、振型s 体型系数结构外形特征z 高度变化系数地貌类别 w0基本风压建设地的气象资料第3页/共124页4风荷载链(Davenport)风荷载的决定因素：当地条件、风特性、建筑结构体系风气候：全球风地形：低空中的风空气动力反应：风压力学反应：结构响应设计准则w0zsz第4页/共124页5风荷载的产生空气的力量伯努利方程能量守恒速度就是力量球场上的例子：香

2、蕉球简单的计算-客机的起飞升力系数1.5滑行速度200km/h机翼面积500平方米升力？142吨！第5页/共124页61940年Tacoma大桥第6页/共124页71965年英国渡桥电站第7页/共124页8某高层住宅外保温层局部风损第8页/共124页9某体育馆屋盖局部风损第9页/共124页10第10页/共124页11建筑群落的风效应第11页/共124页12建筑结构表面风压的基本特点时间的脉动性空间的不均匀性与来流风速成比例评估方法平均荷载*放大系数空间不均匀性：体型系数时间不均匀性：放大系数第12页/共124页13高度变化系数z基本风压w0体型系数s阵风系数 g z风振系数z各高度风速压平均风

3、压围护结构主要承重结构与建筑物无关与建筑物有关第13页/共124页14风与大气边界层基本风压的规定标准场地10m高的10分钟平均风统计资料基本风压的计算大气边界层风速沿高度的变化第14页/共124页15风与大气边界层平均风速剖面规范的四类地貌地貌海面空旷地面城市大城市中心幂指数0.10.130.130.180.180.280.280.44梯度风高度zg200325250375300425350500第15页/共124页16风与大气边界层高度变化系数：基本风压任意高度风速压梯度风高度风速压相同第16页/共124页17高度变化系数z基本风压w0体型系数s各高度风速压与建筑物无关与建筑物有关第17页

4、/共124页18体型系数以来流风速压为基准得出的无量纲数参考高度与高度无关第18页/共124页19低矮房屋屋顶的体型系数第19页/共124页20不同倾角屋顶的体型系数第20页/共124页21高度变化系数z基本风压w0体型系数s各高度风速压平均风压与建筑物无关与建筑物有关阵风系数gz第21页/共124页22自然风的脉动性不同高度的风速平均值脉动特性相关性设计时仅考虑平均荷载往往是不够的第22页/共124页23风压的脉动极值风压的含义第23页/共124页24准定常假定准定常假设：建筑结构表面风压与来流风速压同步脉动（体型系数不随时间变化）第24页/共124页25极值风压的计算对于随机过程，可用平均

5、和脉动的组合求取其极值利用准定常假设，可得出第25页/共124页26阵风系数阵风系数的决定因素：峰值因子湍流度（与地貌类别和高度有关）隐含物理意义：与具体建筑物无关使用条件忽略结构振动带来的附加惯性力第26页/共124页27高度变化系数z基本风压w0体型系数s阵风系数gz风振系数z各高度风速压平均风压围护结构与建筑物无关与建筑物有关第27页/共124页28风荷载作用下的结构响应动态响应与结构特性相关等效静风荷载将动态的风荷载简化为等效静力作用第28页/共124页29随机振动的分析方法第29页/共124页30规范中风振系数的计算原理振型分解求取广义坐标均方根总的最大位移第30页/共124页31规

6、范中风振系数的计算原理第j振型上的等效惯性力（风振力）总的风振力风振系数的计算第31页/共124页32风振系数采用的计算假设广义力谱的计算准定常假设相关性系数计算的简化只考虑一阶振型第32页/共124页33风振系数的计算流程风特性准定常结构特性第33页/共124页34大跨结构风振分析中的两个问题振型密集需包含多阶振型应考虑振型交叉项，不能采用SRSS简化第34页/共124页35大跨结构风振分析中的两个问题准定常假定不适用风压脉动包含两部分：来流和涡脱落影响脉动强度风压脉动的频谱特征与大气湍流相去甚远第35页/共124页36高度变化系数z基本风压w0体型系数s风振系数z各高度风速压平均风压主要承

7、重结构与建筑物无关与建筑物有关第36页/共124页37风工程研究简介第37页/共124页38几个问题风工程研究是做什么的风工程研究是做什么的WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow第38页/共124页39几个问题风工程研究是做什么的风工程研究是做什么的WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow第39页/共124页40测压表面风压分布刚性模型测压试验第40页/共124页41测振风致振动情况冷却塔弹性模型试验第41页/共124页42测速流场分

8、析万科中心行人高度风环境分析第42页/共124页43其他研究领域风和雨雪荷载地形模拟和大气污染扩散其他工业空气动力学问题（列车风、风能）第43页/共124页44（建筑）风工程研究是做什么的？研究内容获得参数研究手段风荷载表面风压体型系数刚性模型风洞试验CFD数值模拟风致振动风振系数振动舒适度弹性模型风洞试验结构随机振动计算风环境不舒适区域流动显示和测量试验CFD数值模拟第44页/共124页45几个问题风工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow第45页/共124页46为什么要

9、进行风工程研究建筑结构的安全雪中送炭主体承重结构围护结构建筑群落的良好风环境锦上添花评估行人高度风环境的舒适度针对性的优化设计：人造景观、绿化第46页/共124页47为什么要进行风工程研究风荷载建筑结构荷载规范高层建筑混凝土结构技术规程大跨、高层结构等的超限审查技术要求风环境中国尚无规范，但制定相关规范是大势所趋第47页/共124页48几个问题风工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow第48页/共124页49实测：大气湍流特性、建筑结构表面风压及响应风洞试验刚性模型测压试验

10、弹性模型测振试验风环境试验理论和数值计算计算流体动力学(CFD)表面风压分布及风环境结构计算风致振动分析流固耦合的数值计算风工程研究手段第49页/共124页50几个问题风工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow风洞试验风洞试验CFDCFD数值模拟数值模拟结构风振分析结构风振分析测测压压试试验验测测振振试试验验风风环环境境试试验验第50页/共124页51卡门涡街第51页/共124页52翼梢涡第52页/共124页53翼梢涡第53页/共124页54风洞试验基本原理世界为何如此相似

11、？控制方程相同量纲分析和相似律风洞试验中的相似性一系列相似参数：Reynolds数、Froude数边界条件的相似风剖面（包括风谱、积分尺度等湍流特性）模型外形第54页/共124页55几个问题风工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow风洞试验风洞试验CFDCFD数值模拟数值模拟结构风振分析结构风振分析测测压压试试验验测测振振试试验验风风环环境境试试验验第55页/共124页56测压试验流程以测量的压力除以参考动压获得压力（或体型）系数数据处理与分析模拟对应地形的风速剖面在一定风

12、速下进行测压实验通过旋转模型转盘改变来流风向角风洞实验确定实验方案根据建筑物图纸制作缩尺模型在模型表面布置测压孔前期准备第56页/共124页57大气边界层模拟尖塔粗糙元第57页/共124页58双层屋盖测压孔刚性模型制作与管路调试第58页/共124页59测压管路电子压力扫描阀：输入：64通道量程：20inchH2O精度：0.15%F.S.扫描速率：20kHz风洞测压试验测压孔压力传感器第59页/共124页60数据处理压力系数的计算平均压力系数：脉动压力系数：极值压力系数：第60页/共124页61压力系数与体型系数的关系取决于参考动压（风速压）的选择测压试验中使用相同的参考动压较为方便不同测压报告

13、选取的参考动压不同，压力系数与体型系数的比值也就不同，但都应当满足第61页/共124页62测压报告的使用通过刚性模型测压试验可获得的数据：平均压力系数（体型系数）极值压力系数（相当于阵风系数与平均压力系数的乘积）刚性模型测压试验的应用风振系数需另行确定用于围护结构设计的极值风压第62页/共124页63几个问题风工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow风洞试验风洞试验CFDCFD数值模拟数值模拟结构风振分析结构风振分析测测压压试试验验测测振振试试验验风风环环境境试试验验第63

14、页/共124页64测振试验应满足的相似参数所有刚性模型应满足的相似参数质量相似：刚度相似：阻尼相似：阻尼系数相等第64页/共124页65测振试验的主要分类完全弹性模型：满足质量、阻尼、刚度相似参数等效模型：分别模拟外形、刚度和质量分布节段模型：选取代表性段落进行模拟特殊的测振试验：刚性模型配合高频底座天平试验第65页/共124页66完全弹性模型试验的困难模型加工：缩尺后的加工材料的选择测试技术：应变测量的噪声干扰接触式测量对模型的影响第66页/共124页67激光测振仪：多普勒频移原理频率范围：0.5Hz1.5MHz（速度），DC250kHz（位移）速度范围：0.3 m/s10m/s位移范围：0

15、.01 m40mm测量距离：65mm250m冷却塔完全弹性模型试验第67页/共124页68风致响应数据处理第68页/共124页69孤立塔0度7度15度40度60度90度极值位移(m)-87-60.4-77.6-86.7-97.5-98-106.9对应实际（mm）-52.2-36.2-46.6-52.0-58.5-58.8-64.1冷却塔风致响应第69页/共124页701(6)23(7)45(8)应变片烟囱完全弹性模型试验第70页/共124页71极值应变和阵风响应因子测点编号12345678极值正应变123.5135.2108.270.532.941.113.240.6阵风响应因子1.631.8

16、11.711.822.282.162.183.78风向角28528521021021010515105极值负应变-154.8-172.3-136.8-76.5-48-38.4-14.3-39.8阵风响应因子2.072.282.773.91.941.531.582.07风向角10510510510515285120285第71页/共124页72应变的频率特征1号测点在0风向时的应变时程曲线及频谱1号测点在105风向时的应变时程曲线及频谱第72页/共124页73中央电视塔等效弹性模型第73页/共124页74测振试验试验技术小结激光测振仪应变仪摄影摄像的方法加速度计第74页/共124页75特殊的试验

17、高频底座天平试验振型为线性时，基底弯矩恰好等于广义力第75页/共124页76高频底座天平试验所作简化不考虑流固耦合，忽略气动阻尼基阶振型线性假设忽略高阶振型的贡献多轴力和力矩传感器测力量程：660N；力矩量程：60N*m；测力分辨率：0.125N；力矩分辨率：0.0075N*m第76页/共124页77天平试验的典型结果横风向响应显著100度和280度第77页/共124页78几个问题风工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow风洞试验风洞试验CFDCFD数值模拟数值模拟结构风振

18、分析结构风振分析测测压压试试验验测测振振试试验验风风环环境境试试验验第78页/共124页79测速：地面无方向风速探头第79页/共124页80相机B门电压脉冲放烟延时电路触发闪光灯流动显示方法：烟线法第80页/共124页81风向流动显示方法：丝线法第81页/共124页82流动显示方法：刷蚀法第82页/共124页83定量流动显示技术：PIV第83页/共124页84几个问题风工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow风洞试验风洞试验CFDCFD数值模拟数值模拟结构风振分析结构风振分

19、析测测压压试试验验测测振振试试验验风风环环境境试试验验第84页/共124页85CFD数值模拟计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）技术是根据流体力学控制方程，运用计算机技术解决流体力学问题的一种研究手段。商用CFD软件：Fluent、CFX、Star-CD第85页/共124页86第86页/共124页87控制方程流体Navier-Stokes方程DNS：要求网格极精细，目前不适合工程应用RANS：雷诺平均，需要补充封闭模型LES：大涡模拟，需要亚网格应力模型工程问题大多采用RANS方程作为控制方程k-两方程模型第87页/共124页88边界条件和初始条件进

20、出口边界条件入口处的大气边界层剖面需用UDF二次开发实现流域顶部：对称边条件固壁：无滑移边界条件第88页/共124页89网格划分计算域的选取：应远大于模型体量网格划分结构网格非结构网格动网格第89页/共124页90动网格技术2d-layering（动态重铺）2d-remeshing（网格重分）2d-spring（动态缩放）第90页/共124页91求解方程和初、边条件离散化不同的计算方法输出结果速度场压力场第91页/共124页92表面风压分布第92页/共124页93行人高度风环境第93页/共124页94过站列车风对结构物的影响第94页/共124页95风致噪声评估第95页/共124页96几个问题风

21、工程研究是做什么的？风工程研究是做什么的？WhatWhat为什么要进行风工程研究为什么要进行风工程研究WhyWhy怎样进行风工程研究怎样进行风工程研究HowHow风洞试验风洞试验CFDCFD数值模拟数值模拟结构风振分析结构风振分析测测压压试试验验测测振振试试验验风风环环境境试试验验第96页/共124页97研究目的获取建筑结构在时变风荷载作用下的响应高层结构顶层加速度大跨结构的最大位移获得等效静风荷载用于主体结构设计风振系数？等效静风荷载第97页/共124页98研究方法频率域功率谱密度分析法时间域时程分析法力功率谱系统输入响应（位移等）功率谱输出第98页/共124页99时间域时程分析法风荷载时程

22、050-50系统输入050-50系统响应时程数理统计分析系统响应第99页/共124页100频域分析方法1采用准定常假设风特性准定常结构特性只需要风洞试验获得的平均压力系数第100页/共124页101频域分析方法2采用风压时程风特性准定常结构特性采样频率较高时间步长的转换(Ut/L)p=(Ut/L)m第101页/共124页102风振系数与等效静风荷载表示峰值响应表示平均响应等效静风荷载大跨结构的等效静风荷载计算不是办法的办法第102页/共124页103典型的等效静风荷载取值图第103页/共124页104怎样进行风工程研究？参数 方法体型系数风振系数风环境列车风风洞试验刚性测压试验弹性测振试验CF

23、D数值模拟风振分析第104页/共124页105其他一些风工程问题高层建筑的横风向振动建筑物的内压雪荷载质量迁移第105页/共124页106中国建筑科学研究院风洞实验室介绍第106页/共124页107简介隶属建筑安全与环境国家重点实验室建设部防灾研究中心中国建筑科学研究院概况位于首都机场区域面积4868m2，总投资2000多万元第107页/共124页108简介定位立足科研，服务工程项目特色与优势设备优势：风洞尺寸较大；设备领先技术优势：荷载规范的主编单位；与设计结合密切第108页/共124页109风洞主要技术指标项目技术指标高速试验段低速试验段试验段尺寸（宽高长）4m3m22m6m3.5m21m

24、风速范围（230）m/s（118）m/s湍流度0.5%（30m/s时）1.5%（15m/s时）速度不稳定度1%平均速度偏差V1%气流偏角0.5，0.5轴向静压梯度|dCp/dx|0.005/m第109页/共124页110风洞实验室外景第110页/共124页111风洞气动剖面第111页/共124页112风洞各部段第112页/共124页113风洞各部段第113页/共124页114风洞外观第114页/共124页115风洞测控平台第115页/共124页116风洞试验段第116页/共124页117设备电子压力扫描阀：1280同步测点第117页/共124页118设备激光测振仪：4通道，独立位移输出第118页/共124页119设备动态数据采集系统：64模拟输入通道第119页/共124页120设备高频底座天平第120页/共124页121精密传感器单轴加速度计（美国PCB、Dytran）：重仅1gm三轴加速度计（美国Dytran）：重5.6gm动态压力传感器（美国PCB）：频响13kHz第121页/共124页122已完成五十多项项风工程研究第122页/共124页123第123页/共124页124感谢您的观看！第124页/共124页