突變風實驗模擬與荷載特性研究.pdf

1、現行結構抗風設計方法主要是以對良態(tài)風氣候（如季風）的觀測為基礎，平穩(wěn)來流和擬定常氣動力是這類方法的基本假定。而實際建筑風災害絕大多數是由極端風氣候引起的，包括臺風、雷暴和龍卷風等。這些極端風氣候有一個共同特點，即風速和風向會產生瞬時急劇改變（本文稱之為突變）。顯然，平穩(wěn)來流和擬定常氣動力假定已不適用于描述突變風作用，基于現行規(guī)范的結構抗風設計也不能夠有效地防范這類風災害的發(fā)生。對于極端風氣候及其作用的研究是近年來國內外風工程領域的熱點問

2、題之一，但是由于一些客觀因素的制約，進展較為緩慢。這些困難主要表現在：由于極端風的發(fā)生具有偶然性，作用范圍具有區(qū)域性，作用時間又通常較短，因此實測資料較少；不僅如此，對于極端風的風洞實驗和數值模擬技術也均不成熟，這就使得研究人員很難獲得實驗資料；此外，由于極端風的非平穩(wěn)非高斯特性，也給相關的數據分析和處理帶來困難。
　　針對以上問題，本文首先建立了一種概念化的階躍型突變氣流模型，并且研究了這種氣流的風洞實驗實現方法；然后通過一系列

3、模型風洞實驗，對突變風作用下的結構風荷載特性進行研究，揭示了相關作用機理，建立了一種突變風荷載模型；最后，對建筑物的抗突變風設計方法進行探討，給出了一些設計建議。本文主要研究內容包括以下幾方面：
　　針對極端風氣候的突變特點，提出一種階躍氣流模型，除了可改變氣流加速度外，還可以改變加速后的流場形態(tài)，從而得到“下擊暴流型階躍流”和“平滑流型階躍流”兩種可能的形式。在此基礎上，以日本宮崎大學的多風扇主動控制風洞為實驗平臺，通過對不同位

4、置風扇的轉速及相位進行反復調試，獲得了與目標氣流功率譜一致的風洞流場，實現了對上述氣流形式的模擬。
　　為探究突變氣流作用下的結構風荷載特性，設計了一系列風洞實驗。具體考察的參數包括：二維圓柱體和方柱體，三維高層建筑、多層建筑和低矮建筑模型，不同來流加速度以及流場形態(tài)，不同來流風向等，實驗工況共計190余種。通過以上試驗，為揭示突變氣流荷載的作用機理提供基本數據。
　　根據風洞實驗結果，采用“先二維后三維、先局部后整體、先靜

5、力后動力、先均勻流后階躍流”的分析步驟，分別從時域和頻域兩方面對結構表面的突變氣流荷載進行了細致研究。具體參數包括：點風壓系數、面風壓系數、阻力系數、側力系數，脈動風壓的空間相關性、滑動相關性和頻譜特性等。在此基礎上，重點探討了在氣流加速段結構表面氣動力所出現的“峰值”現象，得到了突變氣流作用下結構荷載整體和局部特征的定量描述。
　　針對突變氣流荷載的非平穩(wěn)特點，引入希爾伯特-黃變換(HHT)時頻分析方法，研究了突變氣流風荷載的時

6、變特點，得到加速全過程的時頻能量分布圖，揭示了突變氣流荷載的作用機理。在此基礎上，利用經驗模(EMD)方法提取了突變氣流作用下結構風荷載的趨勢項，作為風荷載的時變平均分量；并對利用斜度和峰度的概念對突變氣流荷載脈動分量的非高斯特征進行了研究，建立了突變氣流作用下的結構風荷載模型。
　　在以上研究的基礎上，對建筑物抗突變風設計方法進行了初步探討。在風荷載部分，將突變氣流荷載分為時變平均風荷載和脈動風荷載兩部分，通過引入非平穩(wěn)風壓系數