突變風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M與荷載特性研究.pdf

1、現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法主要是以對(duì)良態(tài)風(fēng)氣候（如季風(fēng)）的觀測(cè)為基礎(chǔ)，平穩(wěn)來(lái)流和擬定常氣動(dòng)力是這類方法的基本假定。而實(shí)際建筑風(fēng)災(zāi)害絕大多數(shù)是由極端風(fēng)氣候引起的，包括臺(tái)風(fēng)、雷暴和龍卷風(fēng)等。這些極端風(fēng)氣候有一個(gè)共同特點(diǎn)，即風(fēng)速和風(fēng)向會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)急劇改變（本文稱之為突變）。顯然，平穩(wěn)來(lái)流和擬定常氣動(dòng)力假定已不適用于描述突變風(fēng)作用，基于現(xiàn)行規(guī)范的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)也不能夠有效地防范這類風(fēng)災(zāi)害的發(fā)生。對(duì)于極端風(fēng)氣候及其作用的研究是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)

2、題之一，但是由于一些客觀因素的制約，進(jìn)展較為緩慢。這些困難主要表現(xiàn)在：由于極端風(fēng)的發(fā)生具有偶然性，作用范圍具有區(qū)域性，作用時(shí)間又通常較短，因此實(shí)測(cè)資料較少；不僅如此，對(duì)于極端風(fēng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)也均不成熟，這就使得研究人員很難獲得實(shí)驗(yàn)資料；此外，由于極端風(fēng)的非平穩(wěn)非高斯特性，也給相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和處理帶來(lái)困難。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先建立了一種概念化的階躍型突變氣流模型，并且研究了這種氣流的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法；然后通過(guò)一系列

3、模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對(duì)突變風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性進(jìn)行研究，揭示了相關(guān)作用機(jī)理，建立了一種突變風(fēng)荷載模型；最后，對(duì)建筑物的抗突變風(fēng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，給出了一些設(shè)計(jì)建議。本文主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面：
　　針對(duì)極端風(fēng)氣候的突變特點(diǎn)，提出一種階躍氣流模型，除了可改變氣流加速度外，還可以改變加速后的流場(chǎng)形態(tài)，從而得到“下?lián)舯┝餍碗A躍流”和“平滑流型階躍流”兩種可能的形式。在此基礎(chǔ)上，以日本宮崎大學(xué)的多風(fēng)扇主動(dòng)控制風(fēng)洞為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)不同位

4、置風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速及相位進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，獲得了與目標(biāo)氣流功率譜一致的風(fēng)洞流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述氣流形式的模擬。
　　為探究突變氣流作用下的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性，設(shè)計(jì)了一系列風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。具體考察的參數(shù)包括：二維圓柱體和方柱體，三維高層建筑、多層建筑和低矮建筑模型，不同來(lái)流加速度以及流場(chǎng)形態(tài)，不同來(lái)流風(fēng)向等，實(shí)驗(yàn)工況共計(jì)190余種。通過(guò)以上試驗(yàn)，為揭示突變氣流荷載的作用機(jī)理提供基本數(shù)據(jù)。
　　根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用“先二維后三維、先局部后整體、先靜

5、力后動(dòng)力、先均勻流后階躍流”的分析步驟，分別從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)結(jié)構(gòu)表面的突變氣流荷載進(jìn)行了細(xì)致研究。具體參數(shù)包括：點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)、面風(fēng)壓系數(shù)、阻力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)，脈動(dòng)風(fēng)壓的空間相關(guān)性、滑動(dòng)相關(guān)性和頻譜特性等。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了在氣流加速段結(jié)構(gòu)表面氣動(dòng)力所出現(xiàn)的“峰值”現(xiàn)象，得到了突變氣流作用下結(jié)構(gòu)荷載整體和局部特征的定量描述。
　　針對(duì)突變氣流荷載的非平穩(wěn)特點(diǎn)，引入希爾伯特-黃變換(HHT)時(shí)頻分析方法，研究了突變氣流風(fēng)荷載的時(shí)

6、變特點(diǎn)，得到加速全過(guò)程的時(shí)頻能量分布圖，揭示了突變氣流荷載的作用機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?EMD)方法提取了突變氣流作用下結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的趨勢(shì)項(xiàng)，作為風(fēng)荷載的時(shí)變平均分量；并對(duì)利用斜度和峰度的概念對(duì)突變氣流荷載脈動(dòng)分量的非高斯特征進(jìn)行了研究，建立了突變氣流作用下的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載模型。
　　在以上研究的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物抗突變風(fēng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了初步探討。在風(fēng)荷載部分，將突變氣流荷載分為時(shí)變平均風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載兩部分，通過(guò)引入非平穩(wěn)風(fēng)壓系數(shù)