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)方法主要是以對良態(tài)風(fēng)氣候（如季風(fēng)）的觀測為基礎(chǔ)，平穩(wěn)來流和擬定常氣動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，包括臺風(fēng)、雷暴和龍卷風(fēng)等。這些極端風(fēng)氣候有一個共同特點(diǎn)，即風(fēng)速和風(fēng)向會產(chǎn)生瞬時急劇改變（本文稱之為突變）。顯然，平穩(wěn)來流和擬定常氣動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。對于極端風(fēng)氣候及其作用的研究是近年來國內(nèi)外風(fēng)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問

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，作用時間又通常較短，因此實(shí)測資料較少；不僅如此，對于極端風(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)分析和處理帶來困難。
　　針對以上問題，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；然后通過一系列

3、模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對突變風(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。本文主要研究內(nèi)容包括以下幾方面：
　　針對極端風(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)扇主動控制風(fēng)洞為實(shí)驗(yàn)平臺，通過對不同位

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，實(shí)現(xiàn)了對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，不同來流加速度以及流場形態(tài)，不同來流風(fēng)向等，實(shí)驗(yàn)工況共計(jì)190余種。通過以上試驗(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、力后動力、先均勻流后階躍流”的分析步驟，分別從時域和頻域兩方面對結(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)，脈動風(fēng)壓的空間相關(guān)性、滑動相關(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)時頻分析方法，研究了突變氣流風(fēng)荷載的時

6、變特點(diǎn)，得到加速全過程的時頻能量分布圖，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)荷載的趨勢項(xiàng)，作為風(fēng)荷載的時變平均分量；并對利用斜度和峰度的概念對突變氣流荷載脈動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變平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載兩部分，通過引入非平穩(wěn)風(fēng)壓系數(shù)