超高层建筑风荷载数值模拟及试验研究

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论当前风工程的主要研究手段为实验室模拟，特别是风洞试验是开展风振研究与抗风设计的重要基础[12,13]。风与结构相互作用十分复杂，在理论上还不能建立完善的数学模型来描述实际风工程问题，在现行的建筑结构荷载规范中也没有明确直观的方法来确定一些复杂结构的风荷载。风洞实验数据(包括风速、风压和响应等)是研究风振机理、建立复杂计算模型、验证计算方法的依据。通过风洞试验,可以确定作用在工程结构上的风荷载与体型系数，从而提出简便合理、安全可靠的结构设计方案。自1940年美国Tacoma桥风致损毁

2、事故后，国内外重大工程无一例外地进行了风洞试验。顾明教授[14]等人在对上海金融大厦进行风洞试验时就发现待建的国际环球金融中心对金融大厦产生了严重的干扰效应。谢壮宁教授[15]等人通过对广东东莞一栋双塔高层建筑经行了风洞试验研究，研究两栋建筑之间的相互影响。重庆作为一座高速发展的现代化城市，其超高层建筑修建将越来越多，重庆大学张亮亮教授[16]等人对重庆未来国际大厦也进行了风洞试验研究。风洞试验的理论基础是相似准则。在模型与实物几何外形相似的基础上,若风洞模拟试验的对数衰减数、弹性数、密度比数、重力数、Re

3、ynolds数与实际情形相同，则在满足一定的长度缩尺比、速度缩尺比、密度缩尺比的条件下，试验模型的响应与实际结构的响应相同或成比例。在常规实验条件下，风洞中还不能完全展现真实条件下气流的运动状况，因此，根据不同的实验目的，对上述参数近似取舍，采用气动弹性模型或刚性模型。前者直接测量动态风荷载和结构响应；后者借助高频动态天平测量风荷载，再根据结构固有特性，计算结构动态响应。当测定结构物壁面的风速与风压分布时，一般采用刚性模型。风洞由尖塔、挡板、栅格、粗糙元、湍流度调节器、紊流主动发生器等若干装置组合，可以比较

4、精确地模拟自然风的紊流特性。目前，超声风速仪、热线扫描仪、机械扫描阀测压系统、电子扫描阀测压系统、位移传感器等是风洞模拟试验数据的主要采集设备。风洞试验有显著的优点：试验条件、试验过程可以人为地控制、改变和重复；在实验室范围内测试方便并且数据精确。风洞试验也有缺点,如风洞本身造价昂贵、动力消耗巨大；从模型制作到试验完成的周期较长；试验都是针对特定的工程结构进行，结构模型利用率低；风洞洞壁干扰、支架干扰影响测试结果等。现场实测是风工程研究中最直接最有效的方法，但无法在建筑物建造前进行，所以就无法为建筑的设计提

5、供参考。现场实测虽是最直接的研究手段，但它费时、费钱、费人力。因此当前风工程的主要研究手段仍然为实验室模拟。数值模拟技术与风洞试验的紧密结合,可提高风洞试验的效率和质量，节省试验费用，缩短设计周期，降低劳动强度，提高设计方案的可靠性。4重庆大学硕士学位论文1绪论1.3本文主要研究内容通过数值模拟以及风洞试验对重庆天成大厦的风荷载特性的研究，较全面的分析超高层建筑的风压分布规律以及周围环境建筑对建筑单体的风荷载特性的影响，分析了风压在建筑表面随建筑高度的变化规律，为超高层建筑在风荷载作用下的设计提供了定性的判

6、定，并分析了数值模拟在风洞试验中的指导应用。具体内容如下：(1)基于Fluent6.2软件平台，对天成大厦进行合理建模和分析，得出设计中可参考的直观风压云图，通过对云图的分析，得出数值模拟的天成大厦表面风压分布规律，并根据模拟结果指导风洞试验。(2)通过对天成大厦模型在模拟大气边界层风洞中的不同风向角下的风洞试验所得数据的处理，分析试验中结构在各种工况下的表面风压分布规律，并同数值模拟结果进行比较。(3)为考虑天成大厦周围建筑对该建筑的风荷载特性的影响，在数值计算以及风洞试验中分别模拟了仅含该建筑单体以及包

7、含天成大厦周围500米范围内的环境建筑两种情况，通过对比两种情况下天成大厦表面风压分布特征，分析了环境建筑对超高层建筑的风荷载特性的影响。(4)通过对风洞试验中天成大厦不同高度体型系数的分析，研究了超高层建筑表面风压随建筑高度的变化规律。(5)通过对天成大厦风荷载特性的数值模拟以及风洞试验研究，分析了数值模拟技术对风洞试验的优化。5重庆大学硕士学位论文2风荷载数值模拟2风荷载数值模拟1.3数值模拟理论风荷载数值模拟是近年随着计算流体动力学和计算机硬件的高速发展出现的，并逐步成为研究结构风工程的一种重要手段。

8、建筑物位于大气边界层内，气流在大气边界层中的流动属湍流，风工程研究的重点是钝体空气动力学，虽然计算风工程领域经过许多学者的努力，已经取得了许多成就，但至今其研究还是属于比较困难的领域，表现在建筑物或构筑物总是在地表边界层内的流场中存在，成为风流动中具有钝体的障碍物。钝体周围的流场由撞击、分离、回流、环绕和涡旋等组成。计算风工程在城市和土木工程领域中的发展很快，由基础的研究开始逐步进入应用阶段，具体表现在绕钝体流动