多幢高層建筑間風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬和風(fēng)災(zāi)分析

某沿海超高層建筑高度達(dá)350m,高寬比達(dá)7.6,又處于浙江沿海地區(qū),風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載.數(shù)值模擬了不同風(fēng)向下超高層建筑底部平均風(fēng)合力和合力矩,與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相近,一般情況兩者差別不大于15%;同時(shí)擬合了該建筑表面的脈動(dòng)風(fēng)壓自譜密度和相干函數(shù)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,采用空間隨機(jī)風(fēng)振的cqc方法對(duì)塔樓進(jìn)行了風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析,并通過(guò)塔樓頂層峰值加速度響應(yīng)和底部靜力等效風(fēng)荷載合力和合力矩的比較與分析,表明高層建筑專用風(fēng)振分析方法在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性.

利用stream數(shù)值模擬軟件對(duì)某高層建筑群的室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬，并分析了冬季、夏季以及過(guò)渡季室外風(fēng)環(huán)境的流場(chǎng)、速度分布場(chǎng)以及風(fēng)壓分布場(chǎng)對(duì)建筑的影響。結(jié)果表明，冬季建筑周圍人行區(qū)距地1．5m高處最大的風(fēng)速為3．97m／s，最大風(fēng)速放大系數(shù)為1．07，冬季迎風(fēng)面建筑物前后壓差最大壓力為4．37pa，建筑前后壓差最大為2．78pa，其他方向建筑物前后壓差均小于5pa，不影響行人舒適要求。夏季、過(guò)渡季盛行風(fēng)向平均風(fēng)速條件下建筑前后壓差分別為4．16pa、6．56pa，室內(nèi)可利用自然通風(fēng)。

采用經(jīng)過(guò)fft算法改進(jìn)的諧波疊加法(waws)及自回歸(ar)模型的線性濾波法對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程模擬.對(duì)2種算法所模擬的風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行分析,結(jié)果顯示了風(fēng)速功率譜及相關(guān)函數(shù)的特性,分析結(jié)果說(shuō)明ar模型中模型階次及時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)風(fēng)速時(shí)程產(chǎn)生較大影響.根據(jù)結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿Ψ治?采用能量相等的原則,即使結(jié)構(gòu)固有頻率段內(nèi)的目標(biāo)譜和模擬譜能量相等,對(duì)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行修正,使模擬風(fēng)速時(shí)程更趨合理.

高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)值模擬研究

高層建筑和風(fēng)作用的耦合響應(yīng)分析

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為了分析風(fēng)洞試驗(yàn)中觀測(cè)到的高層建筑模型尾流有規(guī)律的漩渦脫落現(xiàn)象,基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件cfx和消息傳遞接口(mpi),利用局域網(wǎng)搭建了并行計(jì)算平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)計(jì)算機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高層建筑三維非定常風(fēng)場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。采用剪應(yīng)力模型(sst)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,捕獲到了高層建筑尾流的漩渦脫落現(xiàn)象,并與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)做了比較。結(jié)果表明,三維非定常計(jì)算獲得的高層建筑表面風(fēng)壓變化規(guī)律,較之三維定常和二維非定常計(jì)算所得的風(fēng)場(chǎng),能更真實(shí)地反映風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)情況。

基于計(jì)算流體力學(xué)軟件平臺(tái)fluent6.3,選用基于雷諾平均(rans)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε、realizablek-ε、rngk-ε和sstk-ω4種湍流模型對(duì)大氣邊界層中caarc標(biāo)模的單棟高層建筑的三維定常風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析,并將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明:數(shù)值模擬較好地反映了高層建筑周圍風(fēng)環(huán)境的繞流特性和表面風(fēng)壓的分布情況,4種湍流模型均能給出滿足工程應(yīng)用精度的結(jié)果。在迎風(fēng)面時(shí),與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好;在側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果介于npl與tj-2試驗(yàn)結(jié)果之間。迎風(fēng)面均受有正壓力,在迎風(fēng)面的2/3高度處為最大,兩邊及底下最小。建筑物的背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面全部承受負(fù)壓力。4種湍流模型的模擬結(jié)果之間差異較小,為高層建筑鈍體繞流的研究提供了依據(jù)。

以天津某高層建筑群為研究對(duì)象,利用phoenics數(shù)值模擬軟件對(duì)其室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬,設(shè)置夏季、過(guò)渡季與冬季等工況條件,分析不同工況下風(fēng)壓、速度場(chǎng)對(duì)建筑的影響.結(jié)果表明,項(xiàng)目場(chǎng)地在過(guò)渡季節(jié)天氣條件下室外人員活動(dòng)區(qū)域平均風(fēng)速達(dá)到最大,最大風(fēng)速約為3.0m/s.過(guò)渡季節(jié)建筑前后壓差最大,處于1.2~6pa,夏季、冬季盛行風(fēng)向平均風(fēng)速條件下建筑前后壓差皆大于1pa,室內(nèi)滿足自然通風(fēng)要求,且不影響室外行人的舒適性.

本文運(yùn)用cfd數(shù)值模擬方法,對(duì)一雙塔建筑群周邊風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)模擬分析評(píng)估.在cfd數(shù)值模型中,采用一種新的模擬平衡態(tài)邊界層的邊界條件數(shù)學(xué)模型以及合理的網(wǎng)格劃分策略,可以提高數(shù)值模擬結(jié)果的精度和直觀性.

針對(duì)大幅受迫振動(dòng)下建筑結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓的數(shù)值模擬問(wèn)題,基于任意拉格朗日-歐拉(ale)方法,結(jié)合流線迎風(fēng)petrov-galerkin(supg)方法和三步有限元方法,提出了一種適用于模擬帶運(yùn)動(dòng)邊界、高雷諾數(shù)來(lái)風(fēng)的穩(wěn)定化流體有限元大渦模擬方法,進(jìn)而用于分析屋蓋大幅值受迫振動(dòng)下的建筑結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)及其風(fēng)壓分布。研究顯示,屋蓋大幅值受迫振動(dòng)對(duì)屋蓋風(fēng)效應(yīng)影響較大,明顯改變結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓分布和風(fēng)壓脈動(dòng)分布。

利用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型,以20層高層建筑為例,分別對(duì)各種加壓方式下的高層建筑樓梯間及前室加壓送風(fēng)進(jìn)行了定量模擬分析,有助于深入了解各種加壓方式的特征,同時(shí)為評(píng)價(jià)加壓防煙系統(tǒng)的效果提供了一種定量分析方法。模擬結(jié)果表明:加壓送風(fēng)量的大小對(duì)門兩側(cè)的壓差值特別是著火層的門兩側(cè)的壓差值具有決定性的影響。

采用rng的k-ε湍流模型,對(duì)處于b類地貌風(fēng)場(chǎng)中的不同高度處設(shè)置洞口的高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)udf編程設(shè)定風(fēng)速和湍流強(qiáng)度等參數(shù).結(jié)果表明:當(dāng)洞口位于0.85h高層建筑時(shí),風(fēng)速在迎風(fēng)面前方減弱,在側(cè)面增大并形成對(duì)稱渦旋,在背風(fēng)面形成尾流;洞口內(nèi)形成狹縫效應(yīng)風(fēng)速最大;當(dāng)洞口位于不同位置時(shí),洞口對(duì)迎風(fēng)面和側(cè)面風(fēng)壓以及順風(fēng)向基底彎矩都有影響;洞口位于0.65h時(shí),側(cè)面風(fēng)壓系數(shù)較小,基底彎矩降幅最大,因此在0.65h開洞最為有利.

以某火災(zāi)事故建筑為原型,運(yùn)用fds模擬凹廊式高層建筑火災(zāi)的蔓延過(guò)程,對(duì)比室外凹廊處和室內(nèi)起火的條件下煙氣蔓延情況,分析凹廊處起火煙氣蔓延速度、溫度、遮光率和煙氣的質(zhì)量濃度等參數(shù)的變化以及有無(wú)主導(dǎo)風(fēng)向?qū)馂?zāi)蔓延的影響。結(jié)果表明:煙氣垂直方向蔓延速度表現(xiàn)為距離著火點(diǎn)越近速度越快；有凹廊設(shè)計(jì)的高層建筑更易形成"煙囪效應(yīng)",加速火勢(shì)蔓延,應(yīng)提高凹廊處耐火限度,增加防火、防煙設(shè)施；凹廊式建筑設(shè)計(jì)施工中應(yīng)對(duì)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向一側(cè)提升耐火限度。

高層建筑由于體積巨大、功能復(fù)雜、人員和物資相對(duì)集中,極易發(fā)生火災(zāi)。由于高樓豎向通道的\"煙囪效應(yīng)\"及高空氣流的作用,火災(zāi)在高層建筑上容易迅速蔓延,火勢(shì)難以控制。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外多次發(fā)生超高層建筑火災(zāi),造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。本文通過(guò)研究超高層建筑火災(zāi)的誘發(fā)因子,綜合研究典型火災(zāi)案例,構(gòu)建超高層建筑典型場(chǎng)所的火災(zāi)場(chǎng)景,通過(guò)情景分析,研究火災(zāi)煙氣蔓延特性,進(jìn)而挖掘超高層建筑火災(zāi)的共性情景表現(xiàn),研究結(jié)果能夠?yàn)槌邔咏ㄖ馂?zāi)防治和人員疏散提供數(shù)據(jù)參考。

高層建筑密集區(qū)的風(fēng)環(huán)境問(wèn)題日益受到關(guān)注,因此在項(xiàng)目建設(shè)前期對(duì)其周圍的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行研究與評(píng)估十分必要。本文通過(guò)某高層建筑密集區(qū)的cfd數(shù)值模擬研究,計(jì)算了16個(gè)風(fēng)向角下其周邊450m半徑范圍內(nèi)的流場(chǎng)特征,分析了其興建前后該區(qū)域的風(fēng)速比分布特征,并據(jù)此分析關(guān)鍵點(diǎn)風(fēng)速隨風(fēng)向的變化,最后比較了工程建設(shè)前后其周圍區(qū)域的總體風(fēng)環(huán)境水平。

基于計(jì)算流體力學(xué)軟件fluent對(duì)不同角部形狀的矩形高層建筑進(jìn)行三維數(shù)值風(fēng)場(chǎng)模擬。首先,選用三種不同的湍流模型realizablek-ε,rngk-ε及雷諾應(yīng)力模型(rsm),對(duì)矩形截面標(biāo)準(zhǔn)高層建筑進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明,與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,除了分離區(qū)等流動(dòng)復(fù)雜的區(qū)域外,數(shù)值模擬能夠較好地反映風(fēng)壓分布狀況。其中,雷諾應(yīng)力模型由于考慮湍流各向異性的影響,與試驗(yàn)結(jié)果最為接近。其次,對(duì)同尺寸下的切角及倒角高層建筑進(jìn)行雷諾應(yīng)力湍流模型下的數(shù)值模擬。結(jié)果表明,角部處理能有效地減小風(fēng)荷載。在側(cè)風(fēng)面,切角與倒角能有效抑制來(lái)流分離。在背風(fēng)面,切角能減小尾流寬度與旋渦尺寸,與原模型相比,風(fēng)荷載約降低15%;而倒角建筑由于較好的流線性,尾流寬度與旋渦尺寸降到最小,風(fēng)荷載僅為矩形截面的65%。

針對(duì)高層建筑風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)壓力問(wèn)題，選用了標(biāo)準(zhǔn)ｋ－ε紊流模型和交錯(cuò)網(wǎng)格的有限體積法，對(duì)兩項(xiàng)高層建筑物風(fēng)場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)模結(jié)果比較滿意

通過(guò)建立高層辦公建筑物理模型,采用大渦模擬方法進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同風(fēng)向條件下室外風(fēng)對(duì)高層建筑疏散通道煙氣運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:室外風(fēng)可以稀釋走廊煙氣中co的濃度,加快煙氣排出;煙氣在樓梯間的運(yùn)動(dòng)由于受到多種因素影響,情況較為復(fù)雜,迎風(fēng)時(shí),室外風(fēng)對(duì)于樓梯間煙氣排出和人員疏散具有積極的作用,背風(fēng)時(shí)則相反。因此高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大走廊中可開啟外窗的面積,將設(shè)有外窗的樓梯間設(shè)置在該地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向一側(cè)。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)聯(lián)體型高層建筑“之江大廈”的表面風(fēng)壓進(jìn)行了計(jì)算，并在邊界層風(fēng)洞中對(duì)大廈的風(fēng)壓作了模型試驗(yàn)測(cè)定。數(shù)值模擬基于ｒｅｙｎｏｌｄｓ時(shí)均方程，運(yùn)用了一種擴(kuò)展的ｋ－ε湍流模型；由控制容積法實(shí)現(xiàn)了控制微分方程的離散，ｓｉｍｐｌｅｃ算法實(shí)現(xiàn)了非線性離散化方程的迭代求解。計(jì)算得到的風(fēng)壓值與風(fēng)洞試驗(yàn)值作了比較，結(jié)果表明數(shù)值模擬較好地反映了聯(lián)體型高層建筑各表面風(fēng)壓的分布情況，由其得到的風(fēng)壓系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合。

高層建筑外表上風(fēng)區(qū)分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究

對(duì)于某些超高層建筑,其橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)甚至超過(guò)順風(fēng)向而成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素。為研究橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程特性及變化規(guī)律,基于橫風(fēng)向脈動(dòng)力譜,考慮風(fēng)力的豎向相干性,通過(guò)諧波合成法模擬橫風(fēng)力時(shí)程,在時(shí)域內(nèi)求解分析某超高層鋼筋混凝土建筑橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)。分析時(shí)考慮地貌、來(lái)流風(fēng)速以及結(jié)構(gòu)基頻的變化,探討各因素對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響規(guī)律,為超高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。