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(xiàng)取值及其由來(lái)風(fēng)工程研究簡(jiǎn)介風(fēng)洞試驗(yàn)CFD數(shù)值模擬風(fēng)振分析建研院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)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(jì)算：當(dāng)計(jì)算主要承重結(jié)構(gòu)時(shí)當(dāng)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)規(guī)范的規(guī)定4規(guī)范的規(guī)定各項(xiàng)參數(shù)的定義及其影響因素βz

風(fēng)振系數(shù)脈動(dòng)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(dòng)力反應(yīng)：風(fēng)壓力學(xué)反應(yīng)：結(jié)構(gòu)響應(yīng)設(shè)計(jì)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(chǎng)上的例子：香蕉球簡(jiǎn)單的計(jì)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(guó)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(diǎn)時(shí)間的脈動(dòng)性空間的不均勻性與來(lái)流風(fēng)速成比例評(píng)估方法平均荷載*放大系數(shù)空間不均勻性：體型系數(shù)時(shí)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(wú)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(chǎng)地10m高的10分鐘平均風(fēng)統(tǒng)計(jì)資料基本風(fēng)壓的計(jì)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(wú)關(guān)與建筑物有關(guān)19體型系數(shù)以來(lái)流風(fēng)速壓為基準(zhǔn)得出的無(wú)量綱數(shù)參考高度與高度無(wú)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(wú)關(guān)與建筑物有關(guān)陣風(fēng)系數(shù)βgz23自然風(fēng)的脈動(dòng)性不同高度的風(fēng)速平均值脈動(dòng)特性相關(guān)性設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮平均荷載往往是不夠的24風(fēng)壓的脈動(dòng)——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(lái)流風(fēng)速壓同步脈動(dòng)（體型系數(shù)不隨時(shí)間變化）26極值風(fēng)壓的計(jì)算對(duì)于隨機(jī)過(guò)程，可用平均和脈動(dòng)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(wú)關(guān)使用條件忽略結(jié)構(gòu)振動(dòng)帶來(lái)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(wú)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(dòng)態(tài)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)特性相關(guān)等效靜風(fēng)荷載將動(dòng)態(tài)的風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為等效靜力作用30隨機(jī)振動(dòng)的分析方法31規(guī)范中風(fēng)振系數(shù)的計(jì)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(jì)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(jì)算33風(fēng)振系數(shù)采用的計(jì)算假設(shè)廣義力譜的計(jì)算準(zhǔn)定常假設(shè)相關(guān)性系數(shù)計(jì)算的簡(jiǎn)化只考慮一階振型34風(fēng)振系數(shù)的計(jì)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(gè)問(wèn)題振型密集需包含多階振型應(yīng)考慮振型交叉項(xiàng)，不能采用SRSS簡(jiǎn)化36大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析中的兩個(gè)問(wèn)題準(zhǔn)定常假定不適用風(fēng)壓脈動(dòng)包含兩部分：來(lái)流和渦脫落影響脈動(dòng)強(qiáng)度風(fēng)壓脈動(dòng)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(wú)關(guān)與建筑物有關(guān)38風(fēng)工程研究簡(jiǎn)介39幾個(gè)問(wèn)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(gè)問(wèn)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(cè)壓——表面風(fēng)壓分布剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)42測(cè)振——風(fēng)致振動(dòng)情況冷卻塔彈性模型試驗(yàn)43測(cè)速——流場(chǎng)分析萬(wàn)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(dòng)力學(xué)問(wèn)題（列車風(fēng)、風(fēng)能）45（建筑）風(fēng)工程研究是做什么的？研究?jī)?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(yàn)CFD數(shù)值模擬風(fēng)致振動(dòng)風(fēng)振系數(shù)振動(dòng)舒適度彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算風(fēng)環(huán)境不舒適區(qū)域流動(dòng)顯示和測(cè)量試驗(yàn)CFD數(shù)值模擬46幾個(gè)問(wèn)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(píng)估行人高度風(fēng)環(huán)境的舒適度針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)：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(guó)尚無(wú)規(guī)范，但制定相關(guān)規(guī)范是大勢(shì)所趨49幾個(gè)問(wèn)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(shí)測(cè)：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(yàn)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)彈性模型測(cè)振試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)理論和數(shù)值計(jì)算計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)－表面風(fēng)壓分布及風(fēng)環(huán)境結(jié)構(gòu)計(jì)算－風(fēng)致振動(dòng)分析流固耦合的數(shù)值計(jì)算風(fēng)工程研究手段51幾個(gè)問(wèn)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(yàn)CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)振試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)52卡門渦街53翼梢渦54翼梢渦55風(fēng)洞試驗(yàn)——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(yàn)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(gè)問(wèn)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(yàn)CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)振試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)57測(cè)壓試驗(yàn)流程前期準(zhǔn)備確定實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)建筑物圖紙制作縮尺模型在模型表面布置測(cè)壓孔風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)應(yīng)地形的風(fēng)速剖面在一定風(fēng)速下進(jìn)行測(cè)壓實(shí)驗(yàn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型轉(zhuǎn)盤改變來(lái)流風(fēng)向角數(shù)據(jù)處理與分析以測(cè)量的壓力除以參考動(dòng)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(cè)壓孔剛性模型制作與管路調(diào)試60測(cè)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(cè)壓試驗(yàn)測(cè)壓孔壓力傳感器61數(shù)據(jù)處理——壓力系數(shù)的計(jì)算平均壓力系數(shù)：脈動(dòng)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(dòng)壓（風(fēng)速壓）的選擇測(cè)壓試驗(yàn)中使用相同的參考動(dòng)壓較為方便不同測(cè)壓報(bào)告選取的參考動(dòng)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(cè)壓報(bào)告的使用通過(guò)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)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(cè)壓試驗(yàn)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(jì)的極值風(fēng)壓64幾個(gè)問(wèn)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(yàn)CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)振試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)65測(cè)振試驗(yàn)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(cè)振試驗(yàn)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(cè)振試驗(yàn)：剛性模型配合高頻底座天平試驗(yàn)67完全彈性模型試驗(yàn)的困難模型加工：縮尺后的加工材料的選擇測(cè)試技術(shù)：應(yīng)變測(cè)量的噪聲干擾接觸式測(cè)量對(duì)模型的影響68激光測(cè)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(cè)量距離：65mm～250m冷卻塔完全彈性模型試驗(yàn)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(duì)應(yīng)實(shí)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(yàn)72極值應(yīng)變和陣風(fēng)響應(yīng)因子測(cè)點(diǎn)編號(hào)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(hào)測(cè)點(diǎn)在0風(fēng)向時(shí)的應(yīng)變時(shí)程曲線及頻譜1號(hào)測(cè)點(diǎn)在105風(fēng)向時(shí)的應(yīng)變時(shí)程曲線及頻譜74中央電視塔等效彈性模型75測(cè)振試驗(yàn)試驗(yàn)技術(shù)小結(jié)激光測(cè)振儀應(yīng)變儀攝影攝像的方法加速度計(jì)76特殊的試驗(yàn)——高頻底座天平試驗(yàn)振型為線性時(shí)，基底彎矩恰好等于廣義力77高頻底座天平試驗(yàn)所作簡(jiǎn)化不考慮流固耦合，忽略氣動(dòng)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(cè)力量程：660N；力矩量程：60N*m；測(cè)力分辨率：0.125N；力矩分辨率：0.0075N*m78天平試驗(yàn)的典型結(jié)果橫風(fēng)向響應(yīng)顯著——100度和280度79幾個(gè)問(wèn)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(yàn)CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)振試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)80測(cè)速：地面無(wú)方向風(fēng)速探頭81相機(jī)B門電壓脈沖放煙延時(shí)電路觸發(fā)閃光燈流動(dòng)顯示方法：煙線法82風(fēng)向流動(dòng)顯示方法：絲線法83流動(dòng)顯示方法：刷蝕法84定量流動(dòng)顯示技術(shù)：PIV85幾個(gè)問(wèn)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(yàn)CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)振試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)86CFD數(shù)值模擬計(jì)算流體動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)解決流體力學(xué)問(wèn)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(wèn)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(shí)現(xiàn)流域頂部：對(duì)稱邊條件固壁：無(wú)滑移邊界條件90網(wǎng)格劃分計(jì)算域的選取：應(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(dòng)網(wǎng)格91動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)2d-layering（動(dòng)態(tài)重鋪）2d-remeshing（網(wǎng)格重分）2d-spring（動(dòng)態(tài)縮放）92求解方程和初、邊條件離散化不同的計(jì)算方法輸出結(jié)果速度場(chǎng)壓力場(chǎng)93表面風(fēng)壓分布94行人高度風(fēng)環(huán)境95過(guò)站列車風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響96風(fēng)致噪聲評(píng)估97幾個(gè)問(wèn)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(yàn)CFD數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析測(cè)壓試驗(yàn)測(cè)振試驗(yàn)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)98研究目的獲取建筑結(jié)構(gòu)在時(shí)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(jì)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(shí)間域時(shí)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(shí)間域時(shí)程分析法風(fēng)荷載時(shí)程系統(tǒng)輸入系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)程數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(yàn)獲得的平均壓力系數(shù)102頻域分析方法2——采用風(fēng)壓時(shí)程風(fēng)特性準(zhǔn)定常結(jié)構(gòu)特性采樣頻率較高時(shí)間步長(zhǎng)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(jì)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(yàn)剛性測(cè)壓試驗(yàn)√√彈性測(cè)振試驗(yàn)√√CFD數(shù)值模擬√√√風(fēng)振分析√106其他一些風(fēng)工程問(wèn)題高層建筑的橫風(fēng)向振動(dòng)建筑物的內(nèi)壓雪荷