建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)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(fēng)荷載的產(chǎn)生規(guī)范各項取值及其由來風(fēng)工程研究簡介風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬風(fēng)振分析建研院風(fēng)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(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下述公式計算：當(dāng)計算主要承重結(jié)構(gòu)時當(dāng)計算圍護(hù)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(fēng)振系數(shù)脈動風(fēng)特性——湍流度、風(fēng)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(fēng)壓建設(shè)地的氣象資料5風(fēng)荷載鏈(Davenport)風(fēng)荷載的決定因素：當(dāng)?shù)貤l件、風(fēng)特性、建筑結(jié)構(gòu)體系風(fēng)氣候：全球風(fēng)地形：低空中的風(fēng)空氣動力反應(yīng)：風(fēng)壓力學(xué)反應(yīng)：結(jié)構(gòu)響應(yīng)設(shè)計準(zhǔn)則w0μzμsβz6風(fēng)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(jī)的起飛升力系數(shù)1.5滑行速度200km/h機(jī)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(fēng)損10某體育館屋蓋局部風(fēng)損1112建筑群落的風(fēng)效應(yīng)13建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的基本特點時間的脈動性空間的不均勻性與來流風(fēng)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(fēng)壓w0體型系數(shù)μs陣風(fēng)系數(shù)βgz風(fēng)振系數(shù)βz各高度風(fēng)速壓平均風(fēng)壓圍護(hù)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(fēng)與大氣邊界層基本風(fēng)壓的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)場地10m高的10分鐘平均風(fēng)統(tǒng)計資料基本風(fēng)壓的計算大氣邊界層風(fēng)速沿高度的變化16風(fēng)與大氣邊界層平均風(fēng)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(fēng)高度zg200～325250～375300～425350～50017風(fēng)與大氣邊界層高度變化系數(shù)：基本風(fēng)壓任意高度風(fēng)速壓梯度風(fēng)高度風(fēng)速壓相同18高度變化系數(shù)μz基本風(fēng)壓w0體型系數(shù)μs各高度風(fēng)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(fēng)速壓為基準(zhǔn)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(fēng)壓w0體型系數(shù)μs各高度風(fēng)速壓平均風(fēng)壓與建筑物無關(guān)與建筑物有關(guān)陣風(fēng)系數(shù)βgz23自然風(fēng)的脈動性不同高度的風(fēng)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(fēng)壓的脈動——極值風(fēng)壓的含義25準(zhǔn)定常假定準(zhǔn)定常假設(shè)：建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓與來流風(fēng)速壓同步脈動（體型系數(shù)不隨時間變化）26極值風(fēng)壓的計算對于隨機(jī)過程，可用平均和脈動的組合求取其極值利用準(zhǔn)定常假設(shè)，可得出27陣風(fēng)系數(shù)陣風(fēng)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(fēng)壓w0體型系數(shù)μs陣風(fēng)系數(shù)βgz風(fēng)振系數(shù)βz各高度風(fēng)速壓平均風(fēng)壓圍護(hù)結(jié)構(gòu)與建筑物無關(guān)與建筑物有關(guān)29風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)動態(tài)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)特性相關(guān)等效靜風(fēng)荷載將動態(tài)的風(fēng)荷載簡化為等效靜力作用30隨機(jī)振動的分析方法31規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的計算原理振型分解求取廣義坐標(biāo)均方根總的最大位移32規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的計算原理第j振型上的等效慣性力（風(fēng)振力）總的風(fēng)振力風(fēng)振系數(shù)的計算33風(fēng)振系數(shù)采用的計算假設(shè)廣義力譜的計算準(zhǔn)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(fēng)振系數(shù)的計算流程風(fēng)特性準(zhǔn)定常結(jié)構(gòu)特性35大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析中的兩個問題振型密集需包含多階振型應(yīng)考慮振型交叉項，不能采用SRSS簡化36大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析中的兩個問題準(zhǔn)定常假定不適用風(fēng)壓脈動包含兩部分：來流和渦脫落影響脈動強(qiáng)度風(fēng)壓脈動的頻譜特征與大氣湍流相去甚遠(yuǎn)37高度變化系數(shù)μz基本風(fēng)壓w0體型系數(shù)μs風(fēng)振系數(shù)βz各高度風(fēng)速壓平均風(fēng)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(fēng)工程研究簡介39幾個問題風(fēng)工程研究是做什么的What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How40幾個問題風(fēng)工程研究是做什么的What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How41測壓——表面風(fēng)壓分布剛性模型測壓試驗42測振——風(fēng)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(fēng)環(huán)境分析44其他研究領(lǐng)域風(fēng)和雨雪荷載地形模擬和大氣污染擴(kuò)散其他工業(yè)空氣動力學(xué)問題（列車風(fēng)、風(fēng)能）45（建筑）風(fēng)工程研究是做什么的？研究內(nèi)容獲得參數(shù)研究手段風(fēng)荷載表面風(fēng)壓體型系數(shù)剛性模型風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬風(fēng)致振動風(fēng)振系數(shù)振動舒適度彈性模型風(fēng)洞試驗結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動計算風(fēng)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(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How47為什么要進(jìn)行風(fēng)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(hù)結(jié)構(gòu)建筑群落的良好風(fēng)環(huán)境——錦上添花評估行人高度風(fēng)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(jìn)行風(fēng)工程研究風(fēng)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(fēng)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(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How50實測：大氣湍流特性、建筑結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓及響應(yīng)風(fēng)洞試驗剛性模型測壓試驗彈性模型測振試驗風(fēng)環(huán)境試驗理論和數(shù)值計算計算流體動力學(xué)(CFD)－表面風(fēng)壓分布及風(fēng)環(huán)境結(jié)構(gòu)計算－風(fēng)致振動分析流固耦合的數(shù)值計算風(fēng)工程研究手段51幾個問題風(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測壓試驗測振試驗風(fēng)環(huán)境試驗52卡門渦街53翼梢渦54翼梢渦55風(fēng)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(fēng)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(fēng)剖面（包括風(fēng)譜、積分尺度等湍流特性）模型外形56幾個問題風(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測壓試驗測振試驗風(fēng)環(huán)境試驗57測壓試驗流程前期準(zhǔn)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(fēng)洞實驗?zāi)M對應(yīng)地形的風(fēng)速剖面在一定風(fēng)速下進(jìn)行測壓實驗通過旋轉(zhuǎn)模型轉(zhuǎn)盤改變來流風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)當(dāng)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(dāng)于陣風(fēng)系數(shù)與平均壓力系數(shù)的乘積）剛性模型測壓試驗的應(yīng)用風(fēng)振系數(shù)需另行確定用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的極值風(fēng)壓64幾個問題風(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測壓試驗測振試驗風(fēng)環(huán)境試驗65測振試驗應(yīng)滿足的相似參數(shù)所有剛性模型應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(fēng)致響應(yīng)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(yīng)實際（mm）-52.2-36.2-46.6-52.0-58.5-58.8-64.1冷卻塔風(fēng)致響應(yīng)711(6)23(7)45(8)應(yīng)變片煙囪完全彈性模型試驗72極值應(yīng)變和陣風(fēng)響應(yīng)因子測點編號12345678極值正應(yīng)變123.5135.2108.270.532.941.113.240.6陣風(fēng)響應(yīng)因子1.631.811.711.822.282.162.183.78風(fēng)向角28528521021021010515105極值負(fù)應(yīng)變-154.8-172.3-136.8-76.5-48-38.4-14.3-39.8陣風(fēng)響應(yīng)因子2.072.282.773.91.941.531.582.07風(fēng)向角1051051051051528512028573應(yīng)變的頻率特征1號測點在0風(fēng)向時的應(yīng)變時程曲線及頻譜1號測點在105風(fēng)向時的應(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(fēng)向響應(yīng)顯著——100度和280度79幾個問題風(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測壓試驗測振試驗風(fēng)環(huán)境試驗80測速：地面無方向風(fēng)速探頭81相機(jī)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(fēng)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(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測壓試驗測振試驗風(fēng)環(huán)境試驗86CFD數(shù)值模擬計算流體動力學(xué)——CFD（ComputationalFluidDynamics）技術(shù)是根據(jù)流體力學(xué)控制方程，運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)解決流體力學(xué)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(xì)，目前不適合工程應(yīng)用RANS：雷諾平均，需要補(bǔ)充封閉模型LES：大渦模擬，需要亞網(wǎng)格應(yīng)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(jìn)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?yīng)遠(yuǎn)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(fēng)壓分布94行人高度風(fēng)環(huán)境95過站列車風(fēng)對結(jié)構(gòu)物的影響96風(fēng)致噪聲評估97幾個問題風(fēng)工程研究是做什么的？What為什么要進(jìn)行風(fēng)工程研究Why怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究How風(fēng)洞試驗CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測壓試驗測振試驗風(fēng)環(huán)境試驗98研究目的獲取建筑結(jié)構(gòu)在時變風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)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(fēng)荷載用于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)振系數(shù)？等效靜風(fēng)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(yīng)（位移等）功率譜輸出100時間域時程分析法風(fēng)荷載時程系統(tǒng)輸入系統(tǒng)響應(yīng)時程數(shù)理統(tǒng)計分析系統(tǒng)響應(yīng)101頻域分析方法1——采用準(zhǔn)定常假設(shè)風(fēng)特性準(zhǔn)定常結(jié)構(gòu)特性只需要風(fēng)洞試驗獲得的平均壓力系數(shù)102頻域分析方法2——采用風(fēng)壓時程風(fēng)特性準(zhǔn)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(fēng)振系數(shù)與等效靜風(fēng)荷載表示峰值響應(yīng)表示平均響應(yīng)等效靜風(fēng)荷載大跨結(jié)構(gòu)的等效靜風(fēng)荷載計算——不是辦法的辦法104典型的等效靜風(fēng)荷載取值圖105怎樣進(jìn)行風(fēng)工程研究？

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