超高建筑強/臺風(fēng)作用及其效應(yīng)的現(xiàn)場實測與理論分析

本項目在我國東南沿海選取了具有代表性的超高層建筑開展實測研究，建立了“超高層建筑風(fēng)效應(yīng)及臺風(fēng)實測平臺”，實現(xiàn)了對超高層建筑臺風(fēng)效應(yīng)的大規(guī)模、全面監(jiān)測，積累了豐富的監(jiān)測資料。同時，項目組還建設(shè)了既能測試風(fēng)場又能測試房屋風(fēng)荷載的“追風(fēng)房測試系統(tǒng)”，其傳感器裝備齊全，可實時監(jiān)測臺風(fēng)風(fēng)場及房屋所受的強臺風(fēng)荷載和受雨率。在強/臺風(fēng)和結(jié)構(gòu)動力災(zāi)變過程的數(shù)值模擬方面，本項目建立了一種生成數(shù)值風(fēng)洞入口風(fēng)場的新方法，并已應(yīng)用與廣州“珠江城”大廈、廣州灣時代廣場等多棟超高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計；建立了一種新的CFD模型——新亞格子模型，該模型適合高雷諾數(shù)流場計算，適應(yīng)多種流態(tài)和復(fù)雜網(wǎng)格體系，且無試驗濾波迭代，計算量少，將新亞格子模型與入口流場的新技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了全尺寸超高層建筑的大渦模擬（雷諾數(shù)108量級）；提出了基于雙流體模型的風(fēng)夾雨(WDR)數(shù)值模擬新方法，雙流體模型描述WDR運動與過去的研究相比，大為簡化了邊界條件的處理和計算復(fù)雜性。此外，結(jié)合現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬技術(shù)，本項目開展了大量風(fēng)洞試驗和幕墻試驗研究，系統(tǒng)的獲得了結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布和風(fēng)致響應(yīng)規(guī)律，進一步完善了實驗技術(shù)，發(fā)展了理論分析和數(shù)值模擬方法，并自主研發(fā)了“超高層建筑風(fēng)雨荷載大渦模擬軟件”和建立了超高層建筑風(fēng)效應(yīng)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)庫，為超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

本項目應(yīng)用現(xiàn)場實測、理論分析、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗方法開展超高建筑強/臺風(fēng)作用及其效應(yīng)的系統(tǒng)研究，開發(fā)實測、風(fēng)洞試驗新技術(shù)，建立理論分析和數(shù)值模擬新方法。在我國東南沿海5棟最有代表性的超高層建筑上安裝實測設(shè)備開展實測研究，構(gòu)建世界上最大規(guī)模的超高層建筑風(fēng)效應(yīng)實測研究平臺，獲得有工程和科學(xué)意義的風(fēng)場和結(jié)構(gòu)響應(yīng)實測數(shù)據(jù)。通過分析得到強/臺風(fēng)風(fēng)場和超高建筑響應(yīng)特征，建立相應(yīng)的理論分析模型和基于并行計算的風(fēng)場及結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值模擬新方法，實現(xiàn)強/臺風(fēng)和結(jié)構(gòu)動力災(zāi)變過程的數(shù)值模擬及可視化動態(tài)顯示；并將此拓寬至強風(fēng)和大雨共同作用下超高建筑結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)變分析，提出相應(yīng)的理論模型和基于雙流體模型的數(shù)值模擬新方法。結(jié)合現(xiàn)場實測開展風(fēng)洞試驗和幕墻試驗獲得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布和風(fēng)致響應(yīng)規(guī)律，進一步完善實驗技術(shù)，發(fā)展理論分析和數(shù)值模擬方法，建立超高建筑風(fēng)效應(yīng)的數(shù)字建筑模型和數(shù)據(jù)庫，為超高建筑抗風(fēng)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

本項目主要研究構(gòu)建一套能夠滿足低矮建筑物風(fēng)荷載和復(fù)雜地貌的近地面風(fēng)場狀況實測研究需要、同原型尺寸基本相當(dāng)、可移動的的模型房屋及測試系統(tǒng)。在臺風(fēng)登陸時將該系統(tǒng)布置在臺風(fēng)登陸地區(qū)開展實測研究，變被動的等待臺風(fēng)登陸為主動的尋找臺風(fēng)，創(chuàng)造開展實測研究的機會。重點研究強臺風(fēng)時近地面風(fēng)場狀況（風(fēng)速剖面、湍流度剖面、功率譜等）和低矮房屋風(fēng)荷載狀況，獲得具有工程意義和科學(xué)價值的實測數(shù)據(jù)。將近年來迅速發(fā)展的新方法和新技術(shù)應(yīng)用于實測系統(tǒng)的建造和實測數(shù)據(jù)的分析，以獲得更加準確和可靠的實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)低矮建筑物風(fēng)效應(yīng)的典型性特征。將現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬等研究手段結(jié)合起來開展低矮建筑物抗風(fēng)問題的研究，挖掘不同研究手段所獲得結(jié)果的相似性特征，檢驗風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬方法的準確性和可靠性，進一步的改進風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬方法。提出在臺風(fēng)作用下低矮建筑物的等效風(fēng)荷載確定的新方法，為低矮建筑物的抗風(fēng)設(shè)計提供可靠的依據(jù)。 2100433B

針對超大跨橋梁、超高層建筑和超大空間結(jié)構(gòu)在強/臺風(fēng)作用下的動力災(zāi)變，重點突破強/臺風(fēng)場非平穩(wěn)和非定常時空特性及其氣動力理論模型、結(jié)構(gòu)非線性動力災(zāi)變演化規(guī)律與全過程數(shù)值模擬及其驗證、風(fēng)致動力災(zāi)變的失效機理與控制原理等關(guān)鍵科學(xué)問題；采用理論分析、物理實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，開展強/臺風(fēng)場時空特性數(shù)據(jù)庫和模擬模型、結(jié)構(gòu)氣動力數(shù)學(xué)模型與物理實驗識別、三維氣動力CFD 數(shù)值識別與高雷諾數(shù)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動多尺度物理模擬與實測驗證、結(jié)構(gòu)風(fēng)致災(zāi)變機理與控制措施等研究工作；研發(fā)并集成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的理論分析、數(shù)值模擬、物理試驗和現(xiàn)場實測系統(tǒng)，形成重大建筑與橋梁強/臺風(fēng)動力災(zāi)變模擬集成系統(tǒng)；最終實現(xiàn)重大工程風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^程分析的重點跨越和理論升華，提升我國防災(zāi)減災(zāi)基礎(chǔ)研究的原始創(chuàng)新能力，為保障我國超大尺度重大工程的安全建設(shè)和正常運行提供科學(xué)支撐。