非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)的大渦模擬研究

本項(xiàng)目主要基于大渦模擬方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)，開展非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)作用下的超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理研究。建立了成套的大渦模擬方法，包括適用于大渦模擬的非平穩(wěn)風(fēng)場(chǎng)入口生成方法以及高效的一體化流固耦合算法；以超高層建筑風(fēng)效應(yīng)和風(fēng)致振動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)為依據(jù)，開展非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下超高層建筑風(fēng)振響應(yīng)的大渦模擬全尺寸驗(yàn)證研究，改進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)，明確誤差來源和不確定度，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；基于驗(yàn)證后的大渦模擬方法，揭示非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)對(duì)超高層建筑的風(fēng)致振動(dòng)作用機(jī)理。研究成果對(duì)超高層建筑在非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程價(jià)值。 2100433B

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)興建了越來越多的超高層建筑，這些建筑結(jié)構(gòu)柔度高、阻尼小，屬于典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，因而在非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下的超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)問題亟需研究。.本項(xiàng)目主要采用大渦模擬方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)，開展非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)作用下的超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理研究。以多站點(diǎn)的長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立風(fēng)速非平穩(wěn)模型和提出合理的風(fēng)場(chǎng)非平穩(wěn)性量化方法；發(fā)展成套的大渦模擬方法，包括非平穩(wěn)風(fēng)場(chǎng)入口生成方法以及一體化流固耦合方法；基于超高層建筑風(fēng)效應(yīng)和風(fēng)致振動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，開展非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下超高層建筑風(fēng)振響應(yīng)的大渦模擬全尺寸驗(yàn)證研究，明確誤差來源，改進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)，提高模擬方法的準(zhǔn)確性；運(yùn)用驗(yàn)證后的大渦模擬方法，揭示非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)對(duì)超高層建筑的風(fēng)致振動(dòng)作用機(jī)理，建立流場(chǎng)非平穩(wěn)性和高層建筑風(fēng)振響應(yīng)之間的量化關(guān)系。.研究成果對(duì)超高層建筑在極端風(fēng)氣候下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

本項(xiàng)目以上海金茂大廈超高層建筑為研究對(duì)象，進(jìn)行臺(tái)風(fēng)和非臺(tái)風(fēng)環(huán)境下超高層建筑非高斯風(fēng)壓的數(shù)值模擬計(jì)算研究，發(fā)展一套先進(jìn)的超高層建筑非高斯風(fēng)壓的模擬技術(shù)及相應(yīng)的成套軟件，建立臺(tái)風(fēng)和非臺(tái)風(fēng)環(huán)境下上海金茂大廈的風(fēng)壓數(shù)據(jù)庫，從而指導(dǎo)我國(guó)正在建造的上海環(huán)球金融中心和以后的超高層建筑玻璃幕墻的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)。在時(shí)域內(nèi)，對(duì)臺(tái)風(fēng)和非臺(tái)風(fēng)環(huán)境下上海金茂大廈超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)控制的行為進(jìn)行不考慮和考慮結(jié)構(gòu)剛度不確定性兩個(gè)層 2100433B

對(duì)于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會(huì)在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。如果此時(shí)柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的柱狀體振動(dòng)反過來又會(huì)改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問題被稱作“渦激振動(dòng)”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動(dòng)問題時(shí)，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個(gè)問題的重要關(guān)鍵。在渦激振動(dòng)過程中，流體的動(dòng)壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動(dòng)壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度;另一方面，流體動(dòng)壓力的作用又會(huì)改變彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質(zhì)表現(xiàn)為流體對(duì)于彈性系統(tǒng)在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現(xiàn)象。

由慣性耦合產(chǎn)生附連質(zhì)量，在有流速場(chǎng)存在的條件下，由阻尼耦合產(chǎn)生附連阻尼，由彈性耦合產(chǎn)生附連剛度。流體的附連質(zhì)量、阻尼和剛度取決于流場(chǎng)的流動(dòng)特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統(tǒng)的特性，其關(guān)系式相當(dāng)復(fù)雜。用實(shí)驗(yàn)或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。

實(shí)驗(yàn)證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來表示，表達(dá)式為：

f=St*V/D

St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其定義式為St=D/（V*T）。

其中：V為垂直于構(gòu)件軸線的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特征長(zhǎng)度（m）；

T為相關(guān)的特征時(shí)間（s）。