建筑结构的风工程研究从规范讲起

1内容提要从规范讲起规范的规定风荷载的产生规范各项取值及其由来风工程研究简介风洞试验CFD数值模拟风振分析建研院风洞实验室简介2从规范讲起3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4规范的规定各项参数的定义及其影响因素βz

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…μs

体型系数结构外形特征μz

高度变化系数地貌类别

w0基本风压建设地的气象资料5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w0μzμsβz6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！71940年Tacoma大桥81965年英国渡桥电站9某高层住宅外保温层局部风损10某体育馆屋盖局部风损1112建筑群落的风效应13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14高度变化系数μz基本风压w0体型系数μs阵风系数βgz风振系数βz各高度风速压平均风压围护结构主要承重结构与建筑物无关与建筑物有关15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16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0.1～0.130.13～0.180.18～0.280.28～0.44梯度风高度zg200～325250～375300～425350～50017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18高度变化系数μz基本风压w0体型系数μs各高度风速压与建筑物无关与建筑物有关19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20低矮房屋屋顶的体型系数21不同倾角屋顶的体型系数22高度变化系数μz基本风压w0体型系数μs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βgz23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24风压的脉动——极值风压的含义25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）26极值风压的计算对于随机过程，可用平均和脉动的组合求取其极值利用准定常假设，可得出27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28高度变化系数μz基本风压w0体型系数μs阵风系数βgz风振系数βz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29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30随机振动的分析方法31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32规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33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34风振系数的计算流程风特性准定常结构特性35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36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37高度变化系数μz基本风压w0体型系数μs风振系数βz各高度风速压平均风压主要承重结构与建筑物无关与建筑物有关38风工程研究简介39几个问题风工程研究是做什么的What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How40几个问题风工程研究是做什么的What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How41测压——表面风压分布刚性模型测压试验42测振——风致振动情况冷却塔弹性模型试验43测速——流场分析万科中心行人高度风环境分析44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）45（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46几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How47为什么要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48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49几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How50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51几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How风洞试验CFD数值模拟结构风振分析测压试验测振试验风环境试验52卡门涡街53翼梢涡54翼梢涡55风洞试验——基本原理世界为何如此相似？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56几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How风洞试验CFD数值模拟结构风振分析测压试验测振试验风环境试验57测压试验流程前期准备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风洞实验模拟对应地形的风速剖面在一定风速下进行测压实验通过旋转模型转盘改变来流风向角数据处理与分析以测量的压力除以参考动压获得压力（或体型）系数58大气边界层模拟尖塔粗糙元59双层屋盖测压孔刚性模型制作与管路调试60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61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：62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63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64几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How风洞试验CFD数值模拟结构风振分析测压试验测振试验风环境试验65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66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67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68激光测振仪：多普勒频移原理频率范围：0.5Hz～1.5MHz（速度），DC～250kHz（位移）速度范围：0.3μm/s～10m/s位移范围：0.01μm～40mm测量距离：65mm～250m冷却塔完全弹性模型试验69风致响应数据处理70孤立塔0度7度15度40度60度90度极值位移(μm)-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711(6)23(7)45(8)应变片烟囱完全弹性模型试验72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1.631.811.711.822.282.162.183.78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1051051051051528512028573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74中央电视塔等效弹性模型75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76特殊的试验——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77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*m78天平试验的典型结果横风向响应显著——100度和280度79几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How风洞试验CFD数值模拟结构风振分析测压试验测振试验风环境试验80测速：地面无方向风速探头81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82风向流动显示方法：丝线法83流动显示方法：刷蚀法84定量流动显示技术：PIV85几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How风洞试验CFD数值模拟结构风振分析测压试验测振试验风环境试验86CFD数值模拟计算流体动力学——CFD（ComputationalFluidDynamics）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…8788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-ε两方程模型89边界条件和初始条件进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90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91动网格技术2d-layering（动态重铺）2d-remeshing（网格重分）2d-spring（动态缩放）92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93表面风压分布94行人高度风环境95过站列车风对结构物的影响96风致噪声评估97几个问题风工程研究是做什么的？What为什么要进行风工程研究Why怎样进行风工程研究How风洞试验CFD数值模拟结构风振分析测压试验测振试验风环境试验98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99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100时间域时程分析法风荷载时程系统输入系统响应时程数理统计分析系统响应101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102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)m103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104典型的等效静风荷载取值图105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√√CFD数值模拟√√√风振分析√106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