超高層建筑風(fēng)荷載、風(fēng)致效應(yīng)及其控制

風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害的主要災(zāi)種之一。本研究對(duì)超高層建筑抗風(fēng)研究中的幾個(gè)重要基礎(chǔ)問題開展研究。在492米高的上海環(huán)球金融中心上實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，研究風(fēng)速和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性；對(duì)復(fù)雜單體和群體超高層建筑模型在多種模擬條件下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)；基于風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，研究復(fù)雜超高層建筑的三維風(fēng)力分布、效應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載，以及群體超高層建筑的干擾效應(yīng)、機(jī)制、風(fēng)力分布特征和理論描述；采用理論和試驗(yàn)方法，研究風(fēng)雨共同作用下超高層建筑的激勵(lì)機(jī)制和效應(yīng)；通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)，研究建筑局部風(fēng)壓特性以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論和方法；研究建立超高層建筑抗風(fēng)數(shù)據(jù)庫的幾個(gè)基本問題；研究超高層建筑風(fēng)力和氣動(dòng)彈性響應(yīng)的數(shù)值模擬方法；研究超高層建筑風(fēng)荷載和效應(yīng)控制的空氣動(dòng)力學(xué)措施和阻尼器措施的理論和方法。通過以上研究，推進(jìn)超高層建筑抗風(fēng)研究領(lǐng)域的發(fā)展，為建造500米以上超高層建筑乃至更高的空中城市提供科學(xué)基礎(chǔ)和抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法。 2100433B

為減小超高層建筑的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，采用風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)超高層建筑三維風(fēng)荷載的吸/吹氣控制進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究?；诖髿膺吔鐚又械恼鎸?shí)入流湍流和FLUENT軟件中的LES方法構(gòu)建吸/吹氣控制下超高層建筑脈動(dòng)風(fēng)荷載的數(shù)值模擬技術(shù)，為進(jìn)一步研究超高層建筑吸/吹氣模型的脈動(dòng)風(fēng)荷載和橫風(fēng)向旋渦脫落特性奠定基礎(chǔ)。分析吸/吹氣控制的幾何參數(shù)（包括開孔位置、開孔寬度和高度等）和流量參數(shù)（包括吸/吹氣角、吸/吹氣流量系數(shù)和順風(fēng)向吹氣動(dòng)量系數(shù)等）對(duì)三維風(fēng)荷載特性的影響規(guī)律，探索影響模型風(fēng)荷載減阻和減振性能的控制性參數(shù)，并結(jié)合吸/吹氣控制下模型周圍的流場(chǎng)和渦量場(chǎng)闡明吸/吹氣控制機(jī)理。以抗風(fēng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，擬合風(fēng)荷載折減系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，確定最優(yōu)吸/吹氣控制方案，并提供超高層建筑風(fēng)荷載吸/吹氣控制的實(shí)用抗風(fēng)設(shè)計(jì)思路，為相關(guān)的工程應(yīng)用和規(guī)范修訂提供參考。

風(fēng)荷載是影響屋頂光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。目前，國(guó)內(nèi)外規(guī)范針對(duì)屋頂光伏系統(tǒng)風(fēng)荷載的規(guī)定還很欠缺。因此，有必要對(duì)其風(fēng)荷載特性及其風(fēng)致效應(yīng)的機(jī)理展開系統(tǒng)研究，為保證其抗風(fēng)設(shè)計(jì)安全性和經(jīng)濟(jì)性提供合理的依據(jù)。本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）研究了幾何縮尺比、測(cè)點(diǎn)數(shù)目、移動(dòng)平均時(shí)間等參數(shù)的合理取值，建立起可供屋頂系統(tǒng)風(fēng)荷載識(shí)別所用的合理方法和準(zhǔn)則，并對(duì)可以保證實(shí)驗(yàn)可靠性的上述準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證。（2）考慮了光伏板位置、傾角、間距等關(guān)鍵參數(shù)的影響，建立了基于局部風(fēng)力系數(shù)、面積平均風(fēng)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)的屋頂光伏系統(tǒng)風(fēng)荷載分布理論模型，可為我國(guó)屋頂光伏系統(tǒng)風(fēng)荷載專門條文的制訂提供較為系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。（3）基于本征正交分解分析了影響屋頂光伏系統(tǒng)風(fēng)荷載特性的氣動(dòng)機(jī)理，進(jìn)行了風(fēng)荷載取值的屋面分區(qū)，提出了降低風(fēng)荷載的氣動(dòng)措施；基于結(jié)構(gòu)荷載分擔(dān)機(jī)制明確了產(chǎn)生風(fēng)效應(yīng)的作用機(jī)制，提出了降低風(fēng)致效應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。 本項(xiàng)目的重要結(jié)果和關(guān)鍵數(shù)據(jù)包括：（1）指出屋頂系統(tǒng)風(fēng)荷載識(shí)別須建立合理的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法和可靠性原則，1:50為合理的幾何縮尺比取值，合理減小表面測(cè)點(diǎn)數(shù)目對(duì)結(jié)果影響較小，移動(dòng)平均時(shí)間對(duì)結(jié)果差異影響大；（2）對(duì)于獨(dú)立式和陣列式兩種屋頂光伏系統(tǒng)而言，光伏板在屋面的位置、光伏板傾角均為對(duì)其風(fēng)荷載大小影響顯著的設(shè)計(jì)參數(shù)，間距對(duì)陣列式系統(tǒng)風(fēng)荷載也有明顯影響。傾角越大，風(fēng)荷載越大；間距越大，風(fēng)荷載越大。本項(xiàng)目提出的面積平均風(fēng)力系數(shù)擬合公式考慮了傾角和有效面積兩個(gè)參數(shù)，可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)所參考。對(duì)于傾斜式屋頂光伏系統(tǒng)，其氣動(dòng)中心相對(duì)位置均大于0.5；（3）明確了影響屋頂光伏系統(tǒng)風(fēng)荷載大小的三類氣動(dòng)機(jī)理，并指出了建筑物導(dǎo)致的特征紊流是影響其極值風(fēng)荷載的決定性因素，從而提出了控制其風(fēng)荷載的女兒墻、分區(qū)布設(shè)等氣動(dòng)外形控制措施和結(jié)構(gòu)連接優(yōu)化措施。本項(xiàng)目成果可為相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供參考和理論保證，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。 2100433B

屋頂光伏系統(tǒng)未來發(fā)展?jié)摿薮?，并逐漸成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。然而，一方面，由于缺乏研究?jī)?chǔ)備和設(shè)計(jì)規(guī)范，實(shí)踐中對(duì)其風(fēng)荷載特性的認(rèn)識(shí)還很有限，影響其抗風(fēng)設(shè)計(jì)的安全性；同時(shí)，又常忽略結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體的荷載分擔(dān)機(jī)制，影響其抗風(fēng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。為此，擬開展該系統(tǒng)的風(fēng)荷載特性及其氣動(dòng)機(jī)理、以及考慮荷載分擔(dān)機(jī)制的風(fēng)致效應(yīng)研究。主要內(nèi)容包括：（1）運(yùn)用剛體測(cè)壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同參數(shù)下的風(fēng)荷載特性及氣動(dòng)機(jī)理進(jìn)行識(shí)別；（2）基于氣動(dòng)機(jī)理制定降低風(fēng)荷載的氣動(dòng)措施，并通過剛體測(cè)壓和測(cè)力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；（3）提出風(fēng)荷載與屋面風(fēng)壓間轉(zhuǎn)化因子實(shí)用公式；（4）進(jìn)行以荷載分擔(dān)機(jī)制的優(yōu)化為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)風(fēng)致效應(yīng)分析，建立針對(duì)不同構(gòu)件的等效風(fēng)荷載，并通過風(fēng)致效應(yīng)時(shí)程分析進(jìn)行驗(yàn)證。預(yù)期研究成果不僅有助于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載相關(guān)規(guī)范的制定，還將闡明提高系統(tǒng)抗風(fēng)性能的氣動(dòng)措施和結(jié)構(gòu)措施的機(jī)理，為該系統(tǒng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性提供合理的依據(jù)。