超高層建筑三維風(fēng)荷載的吸/吹氣控制研究結(jié)題摘要

高強(qiáng)輕質(zhì)材料的廣泛應(yīng)用和新型結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)，使得超高層建筑向著越來越高、越來越柔、阻尼比越來越小的方向發(fā)展，逐漸成為風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)已成為需重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素。為減小超高層建筑的風(fēng)致阻力，改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，本項(xiàng)目采用風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對全高或沿高度分段吸/吹氣控制下超高層建筑的平均風(fēng)荷載特性和脈動風(fēng)荷載特性進(jìn)行了研究。本項(xiàng)目順利地完成了預(yù)期研究內(nèi)容和研究目標(biāo)，取得了如下研究成果： （1）在參考航空航天和流體機(jī)械領(lǐng)域已有的吸/吹氣控制試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)要求和場地條件設(shè)計(jì)了一套吸/吹氣兩用的控制系統(tǒng)和管道，實(shí)現(xiàn)了超高層建筑模型上部吸/吹氣控制的風(fēng)洞試驗(yàn)。 （2）進(jìn)行了上部吸/吹氣下超高層建筑的剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究，分析了不同風(fēng)向角下吸/吹氣控制的幾何參數(shù)和流量參數(shù)對模型平均風(fēng)荷載特性和脈動風(fēng)荷載特性的影響規(guī)律。 （3）基于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬方法的可行性，并通過CFD數(shù)值方法進(jìn)行大規(guī)模的參數(shù)分析，確定吸/吹氣控制對氣動力參數(shù)、側(cè)風(fēng)面流動分離和橫風(fēng)向旋渦脫落特性的影響規(guī)律和控制效果，闡明了吸/吹氣控制機(jī)理。 （4）將大氣邊界層中的“真實(shí)”湍流作為LES數(shù)值計(jì)算的入流邊界條件，以風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，在FLUENT軟件中選取合適的數(shù)值參數(shù)和網(wǎng)格條件，獲得 LES 的精確數(shù)值模擬方法，從而構(gòu)建了吸/吹氣控制下超高層建筑脈動風(fēng)荷載的數(shù)值模擬技術(shù)。 （5）以抗風(fēng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，確定了風(fēng)荷載折減效應(yīng)的控制參數(shù)，擬合了風(fēng)荷載折減系數(shù)關(guān)于吸/吹氣控制參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，并討論了吸/吹氣控制在超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)中實(shí)際應(yīng)用的可行性及具體實(shí)施辦法。 （6）在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和學(xué)術(shù)會議上發(fā)表/錄用了學(xué)術(shù)論文7篇，其中被SCI或EI檢索4篇。參與編寫專著/教材一本，申請發(fā)明專利一項(xiàng)，培養(yǎng)碩士研究生畢業(yè)2名。 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)向吹氣動量系數(shù)等）對三維風(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和渦量場闡明吸/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)荷載是超高層建筑的主要控制荷載，而風(fēng)荷載作用下超高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)致效應(yīng)往往又是這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制因素。目前，雖然對順風(fēng)向風(fēng)荷載特性的理解較為完整，但是，由于橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載形成機(jī)理復(fù)雜，迄今為止尚未形成被普遍接受的超高層建筑三維風(fēng)荷載分布特性和理論描述，這制約了超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展。本項(xiàng)目擬從鈍體空氣動力學(xué)原理入手，采用風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對紊流激勵、尾流激勵、氣彈激勵等不同機(jī)制對超高層建筑三維風(fēng)荷載的影響進(jìn)行精細(xì)化分析，建立具有普遍意義的典型超高層建筑三維風(fēng)荷載模型。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究超高層建筑各類氣動抗風(fēng)措施的作用機(jī)理，確定氣動抗風(fēng)措施對超高層建筑三維風(fēng)荷載特性的影響，提出具有普遍意義的典型超高層建筑氣動抗風(fēng)措施。期望通過本項(xiàng)目的研究，能對我國超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展起到一定推動作用。 2100433B

隨著輕質(zhì)、高強(qiáng)材料的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代超高層建筑往更高、更柔的方向發(fā)展, 風(fēng)荷載成為此類結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。一般的來說，超高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的測量技術(shù)較為成熟，但風(fēng)荷載卻難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量。因此，根據(jù)實(shí)測結(jié)構(gòu)動力參數(shù)及風(fēng)致響應(yīng)來反演結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，成為間接量測超高層建筑風(fēng)荷載的一種有效途徑。 本項(xiàng)目綜合運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和理論分析，系統(tǒng)地研究了超高層建筑風(fēng)荷載反分析方法。建立了基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，測試了多次強(qiáng)/臺風(fēng)過程中的風(fēng)場特征及超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，分析了城市上空的強(qiáng)/臺風(fēng)特性（包括平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、峰值因子、湍流積分尺度和風(fēng)速譜），驗(yàn)證了風(fēng)場的湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子隨風(fēng)速的增大而減小、湍流積分長度隨平均風(fēng)速的增大而增大等規(guī)律，建立了典型城市中心的湍流剖面模型。在大量實(shí)測風(fēng)致響應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上識別了結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，利用隨機(jī)減量法評估了結(jié)構(gòu)阻尼比隨振幅的非線性變化特征?；诳柭鼮V波基本理論提出了三種風(fēng)荷載反演新方法，并結(jié)合有限樓層的實(shí)測風(fēng)致響應(yīng)和動力參數(shù)實(shí)現(xiàn)了超高層建筑未知風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)的實(shí)時(shí)同步反演，揭示了超高層建筑風(fēng)荷載的作用機(jī)理。完成了不同外形的超高層建筑物在不同流場條件下的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)得到的風(fēng)致響應(yīng)識別了結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果開展了對比性研究，評估了風(fēng)致響應(yīng)類別、結(jié)構(gòu)動力參數(shù)估計(jì)誤差、模態(tài)截?cái)?、測量噪聲及噪聲協(xié)方差矩陣等因素對風(fēng)荷載反演結(jié)果的影響，驗(yàn)證了三種反演新方法的有效性。對典型超高層建筑開展數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步評估了三種反演新方法的適用性及可靠性。研究成果將為超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)及相關(guān)研究提供有用的資料及依據(jù)。 2100433B