建筑结构的风工程研究从规范讲起PPT课件

1、1从规范讲起第1页/共124页2 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0kzszww 0kgzszww 第2页/共124页3规范的规定 各项参数的定义及其影响因素 z 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 s 体型系数 结构外形特征 z 高度变化系数 地貌类别 w0基本风压 建设地的气象资料第3页/共124页4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w0zsz第4页/共124页5风荷载

2、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！第5页/共124页61940年Tacoma大桥第6页/共124页71965年英国渡桥电站第7页/共124页8某高层住宅外保温层局部风损-520-500-500-480-480-460-460-460-460-460-440-440-440-440-440-440-440-440-420-420-420-420-420-420-420-420-420-420-420-420-420-400-400-400-400-400

3、-400-400-400-380-380-380-380-360-360-360-360-340-340-340-320-320-320-300-300-300-280-280-260-240-240-220-220-200-200YZ01020300204060pressure-200-220-240-260-280-300-320-340-360-380-400-420-440-460-480-500-520第8页/共124页9某体育馆屋盖局部风损第9页/共124页10第10页/共124页11建筑群落的风效应第11页/共124页12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

4、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：放大系数第12页/共124页13高度变化系数z基本风压w0体型系数s阵风系数 g z风振系数z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第13页/共124页14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201012wU第14页/共124页15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0.10.130.130.180.180.280.280.44梯度风高度zg200325250

5、375300425350500ggzzUzU)(第15页/共124页1611.522.53050100150200250300350400450zH(m) ABCD风与大气边界层 高度变化系数：1022221001( )( )21212ggzq zUzUz zU kz zw210zkz z基本风压任意高度风速压梯度风高度风速压相同第16页/共124页17高度变化系数z基本风压w0体型系数s各高度风速压与建筑物无关与建筑物有关第17页/共124页18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02( )1( )2sp zpUz第18页/共124页19低矮房屋屋顶的体型系数第1

6、9页/共124页20不同倾角屋顶的体型系数第20页/共124页21高度变化系数z基本风压w0体型系数s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gz第21页/共124页22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第22页/共124页23风压的脉动极值风压的含义第23页/共124页24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）21( )*( )2sp tUt221( )( )*( )*( )2ssp tp tpUtUUu t22puuIpU第24页/共124页25极值风压的计算 对于随机过程，可

7、用平均和脉动的组合求取其极值 利用准定常假设，可得出tpppg(12)gztupg Ip第25页/共124页26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(12)gztupg Ip第26页/共124页27高度变化系数z基本风压w0体型系数s阵风系数gz风振系数z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第27页/共124页28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P(t)KxxCxM)()()(ttt MAXeqK xP第28页

8、/共124页29随机振动的分析方法第29页/共124页30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mjjtqtt1)()()(jqxdSiHjjfjq)()(222211()jmmMAXjMAXtjqjjxxg 第30页/共124页31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2()jeqjjtqPgjMAXjK xM221( )( )( )MeqtjqjjjPzgm zz 1eqzPP 第31页/共124页32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 2*)(jfMSjj

9、PTjS( )*( )sp tUu t224( )( )puPSSU第32页/共124页33风振系数的计算流程( )uS224( )( )puPSSU风特性准定常结构特性dSiHjjfjq)()(22( )*( )sp tUu t, ()jHij第33页/共124页34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简化第34页/共124页35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( )*( )sp tUu t第35页/共124页36高度变化系数z基本风压w0

10、体型系数s风振系数z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第36页/共124页37风工程研究简介第37页/共124页38几个问题第38页/共124页39几个问题第39页/共124页40测压表面风压分布ENSWNSWE-0.3-0.3-0.4-0.4-0.5-0.5-0.5-0.6-0.8-0.9-1.0-1.1-1.2-1.3-1.3-1.1-0.7-0.3 -0.4-0.5-0.6-0.6-0.7-0.7-0.8-0.7-0.9-0.9-0.9-1.0-0.9-0.9-0.7-0.3 -0.3-0.2 -0.1-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2-0.3-0.3-0.3

11、-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-0.0 0.1-0.1 -0.0 -0.1-0.0-0.0-0.0-0.00.00.0-0.0-0.00.00.10.10.10.20.30.3-0.00.00.10.10.10.10.10.20.20.20.10.20.30.30.30.40.4-0.00.10.20.10.20.30.30.30.30.30.40.40.40.40.50.50.0 0.10.20.20.20.30.30.30.40.40.40.40.50.50.50.5 0.5-0.10.10.20.20.20.30.30.40.40.40.40.50.50.50.50.4-0.0

12、 0.10.20.20.20.30.30.30.40.40.40.40.40.50.50.5 0.4-0.10.10.20.20.20.30.30.30.30.40.40.40.40.40.40.3-0.6 -0.6-0.6-0.4-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2 -0.2-0.6 -0.5-0.5-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2 -0.2-0.5-0.5-0.4-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-

13、0.2-0.2-0.2-0.4 -0.4 -0.4-0.4-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2 -0.2 -0.2-0.4-0.4-0.4-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.3 -0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.3 -0.3-0.

14、3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2 -0.2-0.3 -0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.3-0.2-0.3-0.2-0.3-0.2-0.3-0.2-0.2-0.2 -0.2-0.3-0.3-0.2-0.3-0.3-0.2-0.3-0.3-0.2-0.2-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.3-0.2-0.3-0.3-0.2-0.2-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.0-0.2-0.2 -0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.

15、2 -0.2-0.2-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2-0.30.1-0.10.1-0.1-0.00.1-0.1-0.10.10.2-0.1-0.10.00.10.2-0.1-0.10.00.10.10.2-0.2-0.10.0-0.00.10.20.2-0.2-0.10.00.10.10.10.10.2-0.2 -0.10.00.10.10.1-0.00.10.1-0.10.00.10.10.10.10.0-0.0-0.20.2-0.2-0.3-0.3-0.2-0.1-0.1-0.0-0.1-0.0-0.10.0-0.10.0-0.1-0.0-0.1 -0.2-0.3-0.2

16、-0.2-0.2-0.2 -0.2-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-0.2-0.30.0-0.1 -0.2-0.1-0.1 -0.1-0.1-0.1-0.1-0.2-0.2-0.3-0.20.20.1 0.20.20.20.20.20.20.10.10.10.2-0.3-0.3-0.3 -0.3-0.3-0.3 -0.3-0.3-0.2-0.3-0.2-0.2-0.4 -0.2-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1 -0.20.10.10.20.20.20.30.20.20.10.1-0.7-0.2 -0.10.30.40.40.50.60.60.60.60.

17、60.4-0.8-0.7 -0.7-0.7-0.6 -0.6-0.6-0.6-0.4-0.4-0.3-0.40.10.10.1 0.10.10.0 0.00.00.00.00.00.10.30.1-0.1-0.00.0-0.00.00.1Pmean50:-1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.100.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8upper sidelower sidenetupper side lower side netnetlower side upper sideupper side lower side

18、netupper sidelower sidenet090180270Wind Direction刚性模型测压试验第40页/共124页41测振风致振动情况冷却塔弹性模型试验第41页/共124页42测速流场分析万科中心行人高度风环境分析第42页/共124页43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）第43页/共124页44（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数值模拟第44页/共12

19、4页45几个问题第45页/共124页46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、绿化第46页/共124页47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第47页/共124页48几个问题第48页/共124页49 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

20、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第49页/共124页50几个问题第50页/共124页51卡门涡街第51页/共124页52翼梢涡第52页/共124页53翼梢涡第53页/共124页54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） 模型外形第54页/共124页55几个问题第55页/共124页56测压试验流程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

21、通过旋转模型转盘改变来流风向角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第56页/共124页57大气边界层模拟00.51050100150200250300350400U/UgZ(m)01020050100150200250300350400/U(%)Z(m)=0.16尖塔粗糙元第57页/共124页58双层屋盖测压孔刚性模型制作与管路调试第58页/共124页59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第59页/共124页60数据处理压力系数的计算平均压力系数：脉动压力系

22、数：极值压力系数：2( )( )/0.5pCnp nU2( )( )/0.5pp nCnU_( )( )*( )p extptpCnCngCn第60页/共124页61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02( )1( )2sp zpUz020( )12pp zpCU0pszCk 第61页/共124页62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

23、系数需另行确定 用于围护结构设计的极值风压tpppg(12)gztupg Ip第62页/共124页63几个问题第63页/共124页64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psmspmVEVE22第64页/共124页65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第65页/共124页66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第66页/共124页6

24、7激光测振仪：多普勒频移原理频率范围：0.5Hz1.5MHz（速度），DC250kHz（位移）速度范围：0.3 m/s10m/s位移范围：0.01 m40mm测量距离：65mm250m冷却塔完全弹性模型试验第67页/共124页68RgTTggRRReeR*1)(ln257. 0)(ln2*风致响应数据处理第68页/共124页69孤立塔0度7度15度40度60度90度极值位移(m)-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冷却塔风致响应第69页/共124页701(6)23(7)45(8)0

25、60120180240300360-200-150-100-500501001501.632.07Wind directionStrain()平均脉动极值应变片烟囱完全弹性模型试验第70页/共124页71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2.072.282.773.91.94

26、1.531.582.07风向角10510510510515285120285第71页/共124页72应变的频率特征012345-50-40-30-20-10t(s)Strain()0102030405012.6HzMean Strain: -31Fluc Strain: 5Frequency(Hz)Power1号测点在0风向时的应变时程曲线及频谱012345-150-100-500t(s)Strain()0102030405012.6HzMean Strain: -75Fluc Strain: 23Frequency(Hz)Power1号测点在105风向时的应变时程曲线及频谱第72页/共124

27、页73中央电视塔等效弹性模型第73页/共124页74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第74页/共124页752( ) |( )|( )rGFS nH nSn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000( )( , )( )( , )( , )( )HjjHjHjjf tP z tz dzC zP z tdzHCP z t zdzHCM tH第75页/共124页76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

28、：0.0075N*m第76页/共124页77天平试验的典型结果 横风向响应显著100度和280度060120180240300360-8-6-4-202468x 107风向角Fy(N) 平均极大极小第77页/共124页78几个问题第78页/共124页790.220.250.54 0.720.830.790.680.23 0.170.200.200.350.450.490.45 0.400.210.200.190.340.450.470.680.310.650.720.650.270.16风向0.090.080.07 0.070.060.050.050.06 0.080.070.090.070.

29、070.080.07 0.070.060.080.090.070.060.060.070.070.060.060.060.110.11风向测速：地面无方向风速探头第79页/共124页80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：烟线法第80页/共124页81风向流动显示方法：丝线法第81页/共124页82流动显示方法：刷蚀法第82页/共124页83定量流动显示技术：PIV第83页/共124页84几个问题第84页/共124页85CFD数值模拟 计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）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

30、研究手段。 商用CFD软件：Fluent、CFX、Star-CD第85页/共124页86第86页/共124页87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-两方程模型第87页/共124页88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：无滑移边界条件第88页/共124页89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 动网格第89页/共12

31、4页90动网格技术2d-layering（动态重铺）2d-remeshing（网格重分）2d-spring（动态缩放）第90页/共124页91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 压力场第91页/共124页92表面风压分布第92页/共124页93行人高度风环境第93页/共124页94过站列车风对结构物的影响第94页/共124页95风致噪声评估第95页/共124页96几个问题第96页/共124页97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？ 等效静风荷载第97页/共124页98研究

32、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）功率谱输出第98页/共124页99时间域时程分析法风荷载时程-50050系统输入-1000100系统响应时程数理统计分析系统响应第99页/共124页100频域分析方法1采用准定常假设( )uS224( )( )puPSSU风特性准定常结构特性dSiHjjfjq)()(22( )*( )sp tUu t, ()jHij只需要风洞试验获得的平均压力系数第100页/共124页101频域分析方法2采用风压时程( )uS224( )( )puPSSU风特性准定常结构特性dSiHjjfjq)()(22( )*( )sp tUu t, ()jHij( )pS采样频率较高时间步长的转换(Ut/L)p=(Ut/L)m第101页/共124页102风