山地风场结题报告

1、复杂山地地形的近地风场模型复杂山地地形的近地风场模型及超高层建筑风致振动研究及超高层建筑风致振动研究2010年度结题报告年度结题报告项目类别和批准号：培育项目（项目类别和批准号：培育项目（9071502490715024）项目负责人及单位：李项目负责人及单位：李 正正 良良 重庆大学重庆大学20102010年年1212月月2121日日 深圳深圳课题背景、研究计划课题背景、研究计划1复杂山地风场风洞试验研究复杂山地风场风洞试验研究2超高层建筑风荷载特性试验研究超高层建筑风荷载特性试验研究3山地超高层建筑静力等效风荷载山地超高层建筑静力等效风荷载4主要研究成果主要研究成果5本项目研究内容本项目研究

2、内容山地风场模型山地风场模型山地超高层建筑风荷山地超高层建筑风荷载模型载模型静力等效风荷载模型静力等效风荷载模型山地超高层建筑抗风山地超高层建筑抗风亟待解决的问题亟待解决的问题山地风场复杂山地风场复杂建筑风荷载不同建筑风荷载不同抗风设计有别抗风设计有别复杂山地地形的近地风场模型及超高层建筑风致振动研究复杂山地地形的近地风场模型及超高层建筑风致振动研究通过风洞试验，建立复杂山地地形近地风场模型，确定通过风洞试验，建立复杂山地地形近地风场模型，确定平均风剖面、脉动风速功率谱、相干函数等模型参数。平均风剖面、脉动风速功率谱、相干函数等模型参数。1建立复杂山地地形风场中超高层建筑顺、横、扭方向的建立复

3、杂山地地形风场中超高层建筑顺、横、扭方向的风荷载数学模型。风荷载数学模型。2根据山地风场中超高层建筑的风荷载模型计算分析风振根据山地风场中超高层建筑的风荷载模型计算分析风振响应。响应。3结合试验和计算结果，推导山地风场超高层建筑静力等结合试验和计算结果，推导山地风场超高层建筑静力等效风荷载计算方法。效风荷载计算方法。4研究了单个山体平均和脉动风速分布规律研究了单个山体平均和脉动风速分布规律研究了有遮挡山体的平均和脉动风速分布规律研究了有遮挡山体的平均和脉动风速分布规律提出了山体风场平均和脉动风速计算模型提出了山体风场平均和脉动风速计算模型提出了山体背风面脉动风速功率谱和相干函数修正提出了山体背

4、风面脉动风速功率谱和相干函数修正模型模型几何模型缩尺比为几何模型缩尺比为1:10001:1000，风洞，风洞名义风速名义风速15m/s15m/s。测试仪器采用排管和电子扫描阀。测试仪器采用排管和电子扫描阀。4681012140.00.20.40.60.81.0h/Hh/HV(m/s) B类试验值 拟合值 0.167风剖面指数风剖面指数0.1670.167湍流强度湍流强度5%5%20%20%1E-30.010.111E-30.010.11nS(N)/u2nz/U B类试验值 Davenport谱模型编号尺寸（mm）备注DX1H100L200DX2H150L1505个DX3H150L200DX4H

5、150L250DX5H150L300DX6H150L350DX7H150L400DX8H150L450DX9H150L5005个DX10H200L400三维轴对称山体三维轴对称山体山体截面采用余弦平方型山体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类别不同地貌类别不同表面粗糙度不同表面粗糙度山体间不同距离山体间不同距离遮挡山体不同坡度遮挡山体不同坡度遮挡山体不同高度遮挡山体不同高度三个山体三个山体单个单个山体山体两个两个山体山体多个多个山体山体试验工况试验工况试验工况共试验工况共6666种种01503004506007509001050120013501500010020030

6、0400500600700高度(mm)水平距离(mm)()()(00zUzUzUS平均风加速比平均风加速比)/exp(hzSAtAhAsBtBhBs单个山体加速比修正模型单个山体加速比修正模型坡度修正系数坡度修正系数高度修正系数高度修正系数地貌类别修正系数地貌类别修正系数)/exp(/LAzLBhS基本公式基本公式两个山体加速比修正模型两个山体加速比修正模型山体间距修正系数山体间距修正系数施扰山体坡度修正系数施扰山体坡度修正系数施扰山体高度修正系数施扰山体高度修正系数单扰SSdhdsdl01503004506007509001050 1200 1350 15000100200300400500

7、600700高度(mm)水平距离(mm)()()()()(000zzzzzzS）（脉动加速比脉动加速比zzzSzzHHzzzSzSHzHzSzS，）（，）（），（）（08 . 08 . 08 . 08 . 0/maxmax根据试验结果提出三折线模型根据试验结果提出三折线模型山体背风面湍流度显著增大。山体背风面湍流度显著增大。0.00.51.01.52.02.50100200300400500600700高度/mm背 风 面山脚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单个山

8、体高度影响单个山体高度影响)/54. 3976. 0(1maxLHSh2)/( 1 .21/8 .1025. 2GGhHHHH遮挡山体距离影响遮挡山体距离影响单扰,maxmax,SSdl216. 039. 057. 0GlGldlHdHd1max/54. 3976. 0LHS单个山体坡度影响单个山体坡度影响Hz42. 1以及遮挡山体坡度、多个山体影响等以及遮挡山体坡度、多个山体影响等0.30.40.50.60.70.80.91.01.10.00.51.01.52.02.53.01max/54. 3976. 0LHS 试验值 SmaxH/L10.00.40.81.21.62.00.550.600

9、.650.700.750.80216. 039. 057. 0GlGldlHdHd 试验值 dldl/HG0.200.250.300.350.400.450.80.91.01.11.21.31.41.51.61.72)/( 1 .21/8 .1025. 2GGhHHHH 试验值 hH/HG主要考虑山体背风处谱特性的改变，背风面风场的脉动能量可以看主要考虑山体背风处谱特性的改变，背风面风场的脉动能量可以看作来流湍流脉动能量与山体背风扰流涡旋能量的叠加，局部地区涡作来流湍流脉动能量与山体背风扰流涡旋能量的叠加，局部地区涡旋能量甚至占主导地位。旋能量甚至占主导地位。 ),(),(),(0nzSnzS

10、nzS涡0.1110020406080100120140160 来流谱 总功率谱 涡旋谱f风速谱nSv(m2/s3)提出归一化涡旋风速谱模型提出归一化涡旋风速谱模型 2132211232)/()/(1 )/(),(4afaafafaanznSa涡涡1a2a3a4a分别决定谱线的峰值横坐标、峰值纵坐标、带宽和偏态。分别决定谱线的峰值横坐标、峰值纵坐标、带宽和偏态。 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山体背风处相干函数不随频率衰减，而在山体涡脱折减频率处增大。山体背风处相干函数不

11、随频率衰减，而在山体涡脱折减频率处增大。DavenportDavenport风速相干函数风速相干函数 UyfCyeCoh/提出考虑涡旋脱落影响提出考虑涡旋脱落影响的相干函数模型的相干函数模型 ctczZfCctctczZAzZfCfSfeCohfSfSfBeeCohCZCZ/2/)(Ufzfc/fUzZtScfZCA B其中， ； 为频率； 为参考风速； 为参考高度；为两点的距离； 为截面的斯脱罗哈数； 为涡旋脱落影响频率范围；、 为系数； 进行了高层建筑刚性模型风洞测压试验进行了高层建筑刚性模型风洞测压试验讨论了高层建筑风荷载平均值、均方根值、功率讨论了高层建筑风荷载平均值、均方根值、功率谱

12、、相干函数等幅值和频域特征的变化规律谱、相干函数等幅值和频域特征的变化规律提出了高层建筑幅值和频域风荷载计算模型提出了高层建筑幅值和频域风荷载计算模型风荷载风荷载层风荷载层风荷载幅值特性幅值特性层风荷载层风荷载频域特性频域特性幅值特性幅值特性数学模型数学模型频域特性频域特性数学模型数学模型广义风荷载模型广义风荷载模型 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4四种湍流度四种湍流度五种风速五种风速不同高宽比不同高宽比圆形截面圆形截面方形截面方形截面不同宽厚比不同宽厚比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 层高度修正层高度修正 宽厚比修正宽厚比修正 s

14、IzDppC湍流度修正湍流度修正 层高度修正层高度修正 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),(高宽比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均方根阻力系数均方根阻力系数 ：宽厚比修正 ：湍流度修正层高度修正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数数均方根均方根升力系升力系数数层高度修正湍流度修正层高度修正5 . 112)/(1)/()(knknAffSDD26542321265423212654232126542321265423211BHeBHeeIneIneeBHdBHddIndInddkBHcBHccIncInccBHbBHbbInbInbbBHaBHaaInaInaaA1E-30.010.11E-30.010.1SD f /2DfB/vH 试验数据 阻 力谱 模型S3模型3层湍流 度26%阻 力谱2222)/()/(

17、1)/()(knknknSffSpLL26542321265423212654232126542321BHdBHddIndInddBHcBHccIncInccBHbBHbbInbInbbfBHaBHaaInaInaaSpp1E-30.010.11E-30.010.11SL f /2LfB/vH 试验数据 升力谱 模型S1模型6层湍流 度22%升力谱222121102)()()(ffSAffSAffSTT5911211)1 . 1/(7 . 011 . 1/)(fnfnffS21122111222)/()/(1)/()(1fnfnfnffS2654232112654232112654232112

18、65423211265423210BHeBHeeIneIneeBHdBHddIndInddBHcBHccIncInccfBHbBHbbInbInbbABHaBHaaInaInaaA1E-30.010.11E-30.010.1ST f /2TfB/vH 试验数据 扭 矩谱 模型S5模型10层湍流 度14%扭 矩谱进行了山地地形下典型超高层建筑风振响应分析进行了山地地形下典型超高层建筑风振响应分析讨论了山体坡度、高度、遮挡山体距离等参数变讨论了山体坡度、高度、遮挡山体距离等参数变化对山体不同位置超高层建筑风振响应的影响化对山体不同位置超高层建筑风振响应的影响分析了山地超高层建筑静力等效风荷载分布特

19、征，分析了山地超高层建筑静力等效风荷载分布特征，引入了静力等效风荷载比，并建立荷载比模型，便引入了静力等效风荷载比，并建立荷载比模型，便于工程实际应用。于工程实际应用。jjjjjiiH211)(222)()();,()(11*ijniniijiijFjPzzzzSS 012*22)()()()(dMSiHzzmjjjPjj广义风荷载广义风荷载 ：均方根位移响应均方根位移响应 ：频响函数频响函数 ：结构三个方向振型不耦合结构三个方向振型不耦合 频域计算中只考虑各方向的第一阶振型频域计算中只考虑各方向的第一阶振型 各方向第一阶振型假设为线形振型各方向第一阶振型假设为线形振型 基本参数：基本参数：方

20、形截面，高度300m，截面宽度60m，一阶阻尼比0.01，建筑折算密度190Kg/m3，来流10m高度风速30m/s，空气密度1.25Kg/m3，一阶周期5s。 计算位置：计算位置：横风向位移均方根值横风向位移均方根值顺风向位移均方根值顺风向位移均方根值顺风向位移平均值顺风向位移平均值2468100.0520.0560.0600.0640.068顺风向位移平均值/m山体位置编号 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顺风向位移均方根值/m山体位置编号 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横风向位移均方根值/m山体位置编号 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横风向位移均方根值横风向位移均方根值顺风向

22、位移均方根值顺风向位移均方根值顺风向位移平均值顺风向位移平均值2468100.0620.0640.0660.0680.070顺风向顶部位移平均值/m山体位置编号 H=50 m H=100 m H=150 m H=200 m2468100.0360.0370.0380.0390.0400.0410.0420.043顺风向顶部位移均方根值/m山体位置编号 H=50 m H=100 m H=150 m H=200 m2468100.120.140.160.180.20横风向顶部位移均方根值/m山体位置编号 H=50 m H=100 m H=150 m H=200 m横风向位移均方根值横风向位移均方根

23、值顺风向位移均方根值顺风向位移均方根值顺风向位移平均值顺风向位移平均值2468100.0500.0520.0540.0560.0580.0600.0620.0640.0660.068顺风向顶部位移平均值/m山体位置编号 dl=0 dl=200 m dl=400 m dl=600 m dl=800 m dl=1000 m 单个山体2468100.0360.0380.0400.0420.0440.0460.0480.050顺风向顶部位移均方根值/m山体位置编号 dl=0 dl=200 m dl=400 m dl=600 m dl=800 m dl=1000 m 单个山体2468100.080.10

24、0.120.140.160.180.200.220.24横风向顶部位移均方根值/m山体位置编号 dl=0 dl=200 m dl=400 m dl=600 m dl=800 m dl=1000 m 单个山体平均风荷载：平均风荷载：静力方法静力方法共振风荷载：共振风荷载：惯性力法惯性力法背景风荷载：背景风荷载：荷载响应相关法（荷载响应相关法（LRCLRC）)()()(hhQghPPBB)()2()(1210hrfmhPRR)(),(),()(0111hdhhzihhRhQprHFB相关系数22)()()()(hPhPhPhPRB总静力等效风荷载：总静力等效风荷载：)(1hrR一阶共振响应位移；峰

25、值系数；Bg)(hP风荷载均方根值；),(1hhRF风荷载协方差；Br 背景位移响应；共振风荷载共振风荷载背景风荷载背景风荷载平均风荷载平均风荷载05001000150020002500050100150200250300高度/m风荷载/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风荷载/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风荷载/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前述山地风场模型与超高层建筑风荷载模型对于工程设计应用极不方前述山地风场模型与超高层建筑风荷载模型对于工程设计应用极不方便，而平地超高层建筑静力等效风荷载的研究已经比较成熟，为了避便，而平地超高层建筑静力等效风荷载的研究已经比较成熟，为了避免繁琐的积分运算，可直接引入无量纲的系数免繁琐的积分运算，可直接引入无量纲的系数山地与平地静力等山地与平地静力等效风荷载比。效风荷载比。)()()(hPhPh)()()(hPhPhBBBRRRPP平均风荷载比平均风荷载比背景等效风荷载比背景等效风荷载比共振等效风荷载比共振等效风荷载比

27、 22)(*()(*)()(*)()(hPhPhhPhhPRRBB总静力等效风荷载：总静力等效风荷载：共振风荷载共振风荷载比比背景风荷载背景风荷载比比平均风荷载比平均风荷载比0501001502002503000.81.01.21.41.61.82.02.22.4平均 风荷载比高度/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背景风荷载比高度/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共振风荷载比高度/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共振风荷载共振风荷载比比背景风荷载背景风荷载比比平均风荷载平均风荷载比比0501001502002503000.00.20.40.60.81.01.2背景风荷载比高度/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背景风荷载比高度/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共振风荷载比高度/m H/L1=1.00 H/L1=0.75 H/L

30、1=0.60 H/L1=0.50建立了山地风场中平均和脉动风计算模型，填补了该领建立了山地风场中平均和脉动风计算模型，填补了该领域研究空缺。域研究空缺。1针对山地风场的特点，建立了基于湍流度的层风荷载计针对山地风场的特点，建立了基于湍流度的层风荷载计算模型。算模型。2提出了山地超高层建筑静力等效风荷载计算模型。提出了山地超高层建筑静力等效风荷载计算模型。3 进行了系列风洞试验，采集了大量试验有效数据，建立进行了系列风洞试验，采集了大量试验有效数据，建立了山地风场平均和脉动风计算模型，为山地超高层建筑了山地风场平均和脉动风计算模型，为山地超高层建筑的风效应分析奠定了基础。的风效应分析奠定了基础。1针对山地风场的特点，建立了基于湍流度的超高层建筑针对山地风场的特点，建立了基于湍流度的超高层建筑层风荷载计算模型，为高层建筑风致响应的计算奠定了层风荷载计算模型，为高层建筑风致响应的计算奠定了基础。基础。2提出了山地超高层建筑静力等效风荷载计算模型，为工提出了山地超高层建筑静力等效风荷载计算模型，为工程实际应用提供了参考。程实际应用提供了参考。3v1李正良, 王承启, 赵仕兴, 等. 复杂体型高层建筑风洞试验及数值模拟. 土木建筑与环境工程. 2009, 31(5): 69-73. v2李正良