山地風場結題報告

1、復雜山地地形的近地風場模型復雜山地地形的近地風場模型及超高層建筑風致振動研究及超高層建筑風致振動研究2010年度結題報告年度結題報告項目類別和批準號：培育項目（項目類別和批準號：培育項目（9071502490715024）項目負責人及單位：李項目負責人及單位：李 正正 良良 重慶大學重慶大學20102010年年1212月月2121日日 深圳深圳課題背景、研究計劃課題背景、研究計劃1復雜山地風場風洞試驗研究復雜山地風場風洞試驗研究2超高層建筑風荷載特性試驗研究超高層建筑風荷載特性試驗研究3山地超高層建筑靜力等效風荷載山地超高層建筑靜力等效風荷載4主要研究成果主要研究成果5本項目研究內(nèi)容本項目研究

2、內(nèi)容山地風場模型山地風場模型山地超高層建筑風荷山地超高層建筑風荷載模型載模型靜力等效風荷載模型靜力等效風荷載模型山地超高層建筑抗風山地超高層建筑抗風亟待解決的問題亟待解決的問題山地風場復雜山地風場復雜建筑風荷載不同建筑風荷載不同抗風設計有別抗風設計有別復雜山地地形的近地風場模型及超高層建筑風致振動研究復雜山地地形的近地風場模型及超高層建筑風致振動研究通過風洞試驗，建立復雜山地地形近地風場模型，確定通過風洞試驗，建立復雜山地地形近地風場模型，確定平均風剖面、脈動風速功率譜、相干函數(shù)等模型參數(shù)。平均風剖面、脈動風速功率譜、相干函數(shù)等模型參數(shù)。1建立復雜山地地形風場中超高層建筑順、橫、扭方向的建立復

3、雜山地地形風場中超高層建筑順、橫、扭方向的風荷載數(shù)學模型。風荷載數(shù)學模型。2根據(jù)山地風場中超高層建筑的風荷載模型計算分析風振根據(jù)山地風場中超高層建筑的風荷載模型計算分析風振響應。響應。3結合試驗和計算結果，推導山地風場超高層建筑靜力等結合試驗和計算結果，推導山地風場超高層建筑靜力等效風荷載計算方法。效風荷載計算方法。4研究了單個山體平均和脈動風速分布規(guī)律研究了單個山體平均和脈動風速分布規(guī)律研究了有遮擋山體的平均和脈動風速分布規(guī)律研究了有遮擋山體的平均和脈動風速分布規(guī)律提出了山體風場平均和脈動風速計算模型提出了山體風場平均和脈動風速計算模型提出了山體背風面脈動風速功率譜和相干函數(shù)修正提出了山體背

4、風面脈動風速功率譜和相干函數(shù)修正模型模型幾何模型縮尺比為幾何模型縮尺比為1:10001:1000，風洞，風洞名義風速名義風速15m/s15m/s。測試儀器采用排管和電子掃描閥。測試儀器采用排管和電子掃描閥。4681012140.00.20.40.60.81.0h/Hh/HV(m/s) B類試驗值 擬合值 0.167風剖面指數(shù)風剖面指數(shù)0.1670.167湍流強度湍流強度5%5%20%20%1E-30.010.111E-30.010.11nS(N)/u2nz/U B類試驗值 Davenport譜模型編號尺寸（mm）備注DX1H100L200DX2H150L1505個DX3H150L200DX4H

5、150L250DX5H150L300DX6H150L350DX7H150L400DX8H150L450DX9H150L5005個DX10H200L400三維軸對稱山體三維軸對稱山體山體截面采用余弦平方型山體截面采用余弦平方型不同坡度不同坡度不同高度不同高度不同地貌類別不同地貌類別不同表面粗糙度不同表面粗糙度山體間不同距離山體間不同距離遮擋山體不同坡度遮擋山體不同坡度遮擋山體不同高度遮擋山體不同高度三個山體三個山體單個單個山體山體兩個兩個山體山體多個多個山體山體試驗工況試驗工況試驗工況共試驗工況共6666種種01503004506007509001050120013501500010020030

6、0400500600700高度(mm)水平距離(mm)()()(00zUzUzUS平均風加速比平均風加速比)/exp(hzSAtAhAsBtBhBs單個山體加速比修正模型單個山體加速比修正模型坡度修正系數(shù)坡度修正系數(shù)高度修正系數(shù)高度修正系數(shù)地貌類別修正系數(shù)地貌類別修正系數(shù))/exp(/LAzLBhS基本公式基本公式兩個山體加速比修正模型兩個山體加速比修正模型山體間距修正系數(shù)山體間距修正系數(shù)施擾山體坡度修正系數(shù)施擾山體坡度修正系數(shù)施擾山體高度修正系數(shù)施擾山體高度修正系數(shù)單擾SSdhdsdl01503004506007509001050 1200 1350 15000100200300400500

7、600700高度(mm)水平距離(mm)()()()()(000zzzzzzS）（脈動加速比脈動加速比zzzSzzHHzzzSzSHzHzSzS，）（，）（），（）（08 . 08 . 08 . 08 . 0/maxmax根據(jù)試驗結果提出三折線模型根據(jù)試驗結果提出三折線模型山體背風面湍流度顯著增大。山體背風面湍流度顯著增大。0.00.51.01.52.02.50100200300400500600700高度/mm背 風 面山腳Sz h/L1=1.00 h/L1=0.43 h/L1=0.75 h/L1=0.38 h/L1=0.60 h/L1=0.33 h/L1=0.50 h/L1=0.30單個山

8、體高度影響單個山體高度影響)/54. 3976. 0(1maxLHSh2)/( 1 .21/8 .1025. 2GGhHHHH遮擋山體距離影響遮擋山體距離影響單擾,maxmax,SSdl216. 039. 057. 0GlGldlHdHd1max/54. 3976. 0LHS單個山體坡度影響單個山體坡度影響Hz42. 1以及遮擋山體坡度、多個山體影響等以及遮擋山體坡度、多個山體影響等0.30.40.50.60.70.80.91.01.10.00.51.01.52.02.53.01max/54. 3976. 0LHS 試驗值 SmaxH/L10.00.40.81.21.62.00.550.600

9、.650.700.750.80216. 039. 057. 0GlGldlHdHd 試驗值 dldl/HG0.200.250.300.350.400.450.80.91.01.11.21.31.41.51.61.72)/( 1 .21/8 .1025. 2GGhHHHH 試驗值 hH/HG主要考慮山體背風處譜特性的改變，背風面風場的脈動能量可以看主要考慮山體背風處譜特性的改變，背風面風場的脈動能量可以看作來流湍流脈動能量與山體背風擾流渦旋能量的疊加，局部地區(qū)渦作來流湍流脈動能量與山體背風擾流渦旋能量的疊加，局部地區(qū)渦旋能量甚至占主導地位。旋能量甚至占主導地位。 ),(),(),(0nzSnzS

10、nzS渦0.1110020406080100120140160 來流譜 總功率譜 渦旋譜f風速譜nSv(m2/s3)提出歸一化渦旋風速譜模型提出歸一化渦旋風速譜模型 2132211232)/()/(1 )/(),(4afaafafaanznSa渦渦1a2a3a4a分別決定譜線的峰值橫坐標、峰值縱坐標、帶寬和偏態(tài)。分別決定譜線的峰值橫坐標、峰值縱坐標、帶寬和偏態(tài)。 0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0CohCohfz/Ufz/U H/L=1.00 H/L=0.75 H/L=0.60山體背風處相干函數(shù)不隨頻率衰減，而在山體渦脫折減頻率處增大。山體背風處相干函數(shù)不

11、隨頻率衰減，而在山體渦脫折減頻率處增大。DavenportDavenport風速相干函數(shù)風速相干函數(shù) UyfCyeCoh/提出考慮渦旋脫落影響提出考慮渦旋脫落影響的相干函數(shù)模型的相干函數(shù)模型 ctczZfCctctczZAzZfCfSfeCohfSfSfBeeCohCZCZ/2/)(Ufzfc/fUzZtScfZCA B其中， ； 為頻率； 為參考風速； 為參考高度；為兩點的距離； 為截面的斯脫羅哈數(shù)； 為渦旋脫落影響頻率范圍；、 為系數(shù)； 進行了高層建筑剛性模型風洞測壓試驗進行了高層建筑剛性模型風洞測壓試驗討論了高層建筑風荷載平均值、均方根值、功率討論了高層建筑風荷載平均值、均方根值、功率譜

12、、相干函數(shù)等幅值和頻域特征的變化規(guī)律譜、相干函數(shù)等幅值和頻域特征的變化規(guī)律提出了高層建筑幅值和頻域風荷載計算模型提出了高層建筑幅值和頻域風荷載計算模型風荷載風荷載層風荷載層風荷載幅值特性幅值特性層風荷載層風荷載頻域特性頻域特性幅值特性幅值特性數(shù)學模型數(shù)學模型頻域特性頻域特性數(shù)學模型數(shù)學模型廣義風荷載模型廣義風荷載模型 0.00.10.20.30.40.50100200300400500600700800高度(mm)湍流度 湍流度1 湍流度2 湍流度3 湍流度4四種湍流度四種湍流度五種風速五種風速不同高寬比不同高寬比圓形截面圓形截面方形截面方形截面不同寬厚比不同寬厚比sIzDDpppC2022.

13、 5586. 3488. 1IIpI245. 0766. 0092. 1HzHzpz2648. 0842. 1134. 2BDBDpD0.00.10.20.30.40.50.80.91.01.11.21.31.4y=1.488-3.586I+5.022I2PI湍流 度0.00.20.40.60.81.00.70.80.91.01.1Pzz/Hy=1.092-0.766(z/H)+0.45(z/H)20.60.81.01.21.40.80.91.01.11.2y=2.134-1.842(D/B)+0.648(D/B)2PDD/B湍流度修正湍流度修正 層高度修正層高度修正 寬厚比修正寬厚比修正 s

14、IzDppC湍流度修正湍流度修正 層高度修正層高度修正 3252.2072.1375. 214. 1IIIPI2472. 0095. 0952. 0HzHzpz0.00.10.20.30.40.50.750.800.850.900.951.001.051.10y=1.14-2.75I+13.72I2-20.52I3PI湍流 度0.00.20.40.60.81.00.40.50.60.70.80.91.01.1y=0.952+0.095(z/H)-0.472(z/H)2Pzz/HIzDTLDmmmC),(高寬比A1A2A3A4B1B2B340.081.665-10.2916.111.116-1.

15、5110.75350.1090.493-1.6431.4421.095-1.5270.83960.1040.786-3.8345.1291.094-1.2550.59680.1390.0632.278-5.8081.139-1.9231.263342321InAInAInAAmI2321HzBHzBBmz2191. 1126. 3909. 2BDBDmD均方根阻力系數(shù)均方根阻力系數(shù) ：寬厚比修正 ：湍流度修正層高度修正IzLDmmC)(3241. 0273. 0437. 00383. 0InInInmI2551. 03 . 1055. 1HzHzmz32203. 1344. 0205. 003

16、86. 0InInInmI2683. 0278. 1067. 1HzHzmz湍流度修正均方根均方根阻力系阻力系數(shù)數(shù)均方根均方根升力系升力系數(shù)數(shù)層高度修正湍流度修正層高度修正5 . 112)/(1)/()(knknAffSDD26542321265423212654232126542321265423211BHeBHeeIneIneeBHdBHddIndInddkBHcBHccIncInccBHbBHbbInbInbbBHaBHaaInaInaaA1E-30.010.11E-30.010.1SD f /2DfB/vH 試驗數(shù)據(jù) 阻 力譜 模型S3模型3層湍流 度26%阻 力譜2222)/()/(

17、1)/()(knknknSffSpLL26542321265423212654232126542321BHdBHddIndInddBHcBHccIncInccBHbBHbbInbInbbfBHaBHaaInaInaaSpp1E-30.010.11E-30.010.11SL f /2LfB/vH 試驗數(shù)據(jù) 升力譜 模型S1模型6層湍流 度22%升力譜222121102)()()(ffSAffSAffSTT5911211)1 . 1/(7 . 011 . 1/)(fnfnffS21122111222)/()/(1)/()(1fnfnfnffS2654232112654232112654232112

18、65423211265423210BHeBHeeIneIneeBHdBHddIndInddBHcBHccIncInccfBHbBHbbInbInbbABHaBHaaInaInaaA1E-30.010.11E-30.010.1ST f /2TfB/vH 試驗數(shù)據(jù) 扭 矩譜 模型S5模型10層湍流 度14%扭 矩譜進行了山地地形下典型超高層建筑風振響應分析進行了山地地形下典型超高層建筑風振響應分析討論了山體坡度、高度、遮擋山體距離等參數(shù)變討論了山體坡度、高度、遮擋山體距離等參數(shù)變化對山體不同位置超高層建筑風振響應的影響化對山體不同位置超高層建筑風振響應的影響分析了山地超高層建筑靜力等效風荷載分布特

19、征，分析了山地超高層建筑靜力等效風荷載分布特征，引入了靜力等效風荷載比，并建立荷載比模型，便引入了靜力等效風荷載比，并建立荷載比模型，便于工程實際應用。于工程實際應用。jjjjjiiH211)(222)()();,()(11*ijniniijiijFjPzzzzSS 012*22)()()()(dMSiHzzmjjjPjj廣義風荷載廣義風荷載 ：均方根位移響應均方根位移響應 ：頻響函數(shù)頻響函數(shù) ：結構三個方向振型不耦合結構三個方向振型不耦合 頻域計算中只考慮各方向的第一階振型頻域計算中只考慮各方向的第一階振型 各方向第一階振型假設為線形振型各方向第一階振型假設為線形振型 基本參數(shù)：基本參數(shù)：方

20、形截面，高度300m，截面寬度60m，一階阻尼比0.01，建筑折算密度190Kg/m3，來流10m高度風速30m/s，空氣密度1.25Kg/m3，一階周期5s。 計算位置：計算位置：橫風向位移均方根值橫風向位移均方根值順風向位移均方根值順風向位移均方根值順風向位移平均值順風向位移平均值2468100.0520.0560.0600.0640.068順風向位移平均值/m山體位置編號 H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L1=0.60 H/L1=0.50 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.30 H/L1=0.27 H/L1=0.252468100.04

21、00.0440.048順風向位移均方根值/m山體位置編號 H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L1=0.60 H/L1=0.50 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.30 H/L1=0.27 H/L1=0.252468100.080.100.120.140.160.180.20橫風向位移均方根值/m山體位置編號 H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L1=0.60 H/L1=0.50 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.30 H/L1=0.27 H/L1=0.25橫風向位移均方根值橫風向位移均方根值順風向

22、位移均方根值順風向位移均方根值順風向位移平均值順風向位移平均值2468100.0620.0640.0660.0680.070順風向頂部位移平均值/m山體位置編號 H=50 m H=100 m H=150 m H=200 m2468100.0360.0370.0380.0390.0400.0410.0420.043順風向頂部位移均方根值/m山體位置編號 H=50 m H=100 m H=150 m H=200 m2468100.120.140.160.180.20橫風向頂部位移均方根值/m山體位置編號 H=50 m H=100 m H=150 m H=200 m橫風向位移均方根值橫風向位移均方根

23、值順風向位移均方根值順風向位移均方根值順風向位移平均值順風向位移平均值2468100.0500.0520.0540.0560.0580.0600.0620.0640.0660.068順風向頂部位移平均值/m山體位置編號 dl=0 dl=200 m dl=400 m dl=600 m dl=800 m dl=1000 m 單個山體2468100.0360.0380.0400.0420.0440.0460.0480.050順風向頂部位移均方根值/m山體位置編號 dl=0 dl=200 m dl=400 m dl=600 m dl=800 m dl=1000 m 單個山體2468100.080.10

24、0.120.140.160.180.200.220.24橫風向頂部位移均方根值/m山體位置編號 dl=0 dl=200 m dl=400 m dl=600 m dl=800 m dl=1000 m 單個山體平均風荷載：平均風荷載：靜力方法靜力方法共振風荷載：共振風荷載：慣性力法慣性力法背景風荷載：背景風荷載：荷載響應相關法（荷載響應相關法（LRCLRC）)()()(hhQghPPBB)()2()(1210hrfmhPRR)(),(),()(0111hdhhzihhRhQprHFB相關系數(shù)22)()()()(hPhPhPhPRB總靜力等效風荷載：總靜力等效風荷載：)(1hrR一階共振響應位移；峰

25、值系數(shù)；Bg)(hP風荷載均方根值；),(1hhRF風荷載協(xié)方差；Br 背景位移響應；共振風荷載共振風荷載背景風荷載背景風荷載平均風荷載平均風荷載05001000150020002500050100150200250300高度/m風荷載/kN 位置1 位置2 位置3 位置4 位置5 位置6 位置7 位置8 位置9 位置10010002000300040005000050100150200250300高度/m風荷載/kN 位置1 位置2 位置3 位置4 位置5 位置6 位置7 位置8 位置9 位置1001000200030004000050100150200250300高度/m風荷載/kN 位置

26、1 位置2 位置3 位置4 位置5 位置6 位置7 位置8 位置9 位置10前述山地風場模型與超高層建筑風荷載模型對于工程設計應用極不方前述山地風場模型與超高層建筑風荷載模型對于工程設計應用極不方便，而平地超高層建筑靜力等效風荷載的研究已經(jīng)比較成熟，為了避便，而平地超高層建筑靜力等效風荷載的研究已經(jīng)比較成熟，為了避免繁瑣的積分運算，可直接引入無量綱的系數(shù)免繁瑣的積分運算，可直接引入無量綱的系數(shù)山地與平地靜力等山地與平地靜力等效風荷載比。效風荷載比。)()()(hPhPh)()()(hPhPhBBBRRRPP平均風荷載比平均風荷載比背景等效風荷載比背景等效風荷載比共振等效風荷載比共振等效風荷載比

27、 22)(*()(*)()(*)()(hPhPhhPhhPRRBB總靜力等效風荷載：總靜力等效風荷載：共振風荷載共振風荷載比比背景風荷載背景風荷載比比平均風荷載比平均風荷載比0501001502002503000.81.01.21.41.61.82.02.22.4平均 風荷載比高度/m H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L1=0.60 H/L1=0.50 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.300501001502002503000.91.01.11.21.31.41.51.61.7背景風荷載比高度/m H/L1=1.00 H/L1=0.75 H

28、/L1=0.60 H/L1=0.50 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.300501001502002503001.001.011.021.031.041.05共振風荷載比高度/mH/L1=1.00H/L1=0.75H/L1=0.60H/L1=0.50H/L1=0.43H/L1=0.38H/L1=0.33H/L1=0.30共振風荷載共振風荷載比比背景風荷載背景風荷載比比平均風荷載平均風荷載比比0501001502002503000.00.20.40.60.81.01.2背景風荷載比高度/m H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L1=0.60 H/

29、L1=0.50 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.300501001502002503000.00.51.01.52.02.5背景風荷載比高度/m H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L1=0.60 H/L1=0.50 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.300501001502002503001.0001.0251.0501.0751.1001.1251.150 H/L1=0.43 H/L1=0.38 H/L1=0.33 H/L1=0.30共振風荷載比高度/m H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L

30、1=0.60 H/L1=0.50建立了山地風場中平均和脈動風計算模型，填補了該領建立了山地風場中平均和脈動風計算模型，填補了該領域研究空缺。域研究空缺。1針對山地風場的特點，建立了基于湍流度的層風荷載計針對山地風場的特點，建立了基于湍流度的層風荷載計算模型。算模型。2提出了山地超高層建筑靜力等效風荷載計算模型。提出了山地超高層建筑靜力等效風荷載計算模型。3 進行了系列風洞試驗，采集了大量試驗有效數(shù)據(jù)，建立進行了系列風洞試驗，采集了大量試驗有效數(shù)據(jù)，建立了山地風場平均和脈動風計算模型，為山地超高層建筑了山地風場平均和脈動風計算模型，為山地超高層建筑的風效應分析奠定了基礎。的風效應分析奠定了基礎。1針對山地風場的特點，建立了基于湍流度的超高層建筑針對山地風場的特點，建立了基于湍流度的超高層建筑層風荷載計算模型，為高層建筑風致響應的計算奠定了層風荷載計算模型，為高層建筑風致響應的計算奠定了基礎。基礎。2提出了山地超高層建筑靜力等效風荷載計算模型，為工提出了山地超高層建筑靜力等效風荷載計算模型，為工程實際應用提供了參考。程實際應用提供了參考。3v1李正良, 王承啟, 趙仕興, 等. 復雜體型高層建筑風洞試驗及數(shù)值模擬. 土木建筑與環(huán)境工程. 2009, 31(5): 69-73. v2李正良