本文是一篇土木工程论文,本文主要研究了高层建筑对大跨平屋盖风荷载的干扰效应和高层建筑对某金融城交通枢纽大跨屋盖风荷载的干扰效应。针对所研究的大跨度屋盖结构,根据相似性原理,在模拟大气边界层流场的风洞中进行了刚性模型试 验,获得了单体平屋盖表面在不同风向角作用下,屋面整体平均风压系数、屋面分区风压系数、屋面最小极小值风压系数、屋面分区最小极小值风压系数,然后根据这些风压系数,研究了单个高层施扰建筑高度、其与受扰屋盖的间距比以及风向角变化下对大跨平屋盖结构风荷载干扰效应的影响。
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着城市的高速发展,各种体育馆、会展中心、交通枢纽等大型场馆往往向着轻质和长大化方向发展,这些一般都是大跨度屋盖结构,具有阻尼小、质量轻、柔性大等特点,故风荷载是其主要的设计控制荷载之一。
另外,现代城市的发展往往产生了密集的建筑群,在风荷载作用下,建筑物之间的流场必定会相互干扰,受扰建筑的风荷载大小及分布,与其单独存在时会产生较大的变化。这种相互干扰的现象不仅仅发生在高层与高层之间,也发生在高层与大跨屋盖结构之间,由于大跨屋盖自身尺寸较大,风压分布形式更为复杂,且在某些情况下可能会大大超过其单独存在时的风荷载,引起了抗风设计中的安全性问题。下图 1-1,为典型的建筑群,兴建在高层建筑旁的大跨屋盖。
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1.2 结构抗风研究的主要方法
目前结构抗风研究的主要研究方法有全尺寸现场实测、风洞试验和数值模拟。这三种方法互相补充、印证、促进。
1.2.1 全尺寸现场实测
现场实测是指在场地中用风速仪对风场进行直接测量,在建筑表面用传感器测量其风特性和风致响应。李秋胜[1-3]等人对在高层建筑的风致效应实测开展诸多工作,得到许多宝贵成果。测量的数据是最为准确和真实,这些第一手资料往往可以和其它两种方法模拟的结果进行验证,但是比风洞试验和数值模拟更耗时,费资和需要更多的人力,且无法在建设建筑物之前进行实测,无法在设计建筑物之前提供参考数据,另外,在现场实测时,对风场环境要求较严格,难以人为地控制气象和地形等条件,还需保证各种仪器质量、数据传递等因素,所以现场实测很难用于规律性研究,其资料数据较其它两种方法较少,一般应用于重大的科研项目上。
1.2.2 风洞试验方法
风洞试验方法是指在通过一些模拟装置(二元塔旋涡源、分布粗糙元、格栅和挡板等),根据相似准则来模拟大气边界层内风场,并在模拟的风场中安放实际结构的缩尺模型,通过模型的风效应来研究实际结构的风效应。根据气动弹性模型试验不同的处理方法,分为刚性模型测压试验和气动弹性模型试验,刚性模型试验在大量的测点上可以同步测压,但不能反映风与结构相互作用,而气动弹性试验可以模拟原建筑的刚度、质量、频率、振型、阻尼等一系列动力特征,但不能直接获得结构荷载。
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第二章 风洞试验概况
2.1 风洞介绍
本文中涉及的风洞试验主要在华南理工大学风洞实验室完成的,该风洞拥有装备齐全、技术先进的风工程研究软硬件设施。风洞为单试验段回流型,试验段长为 24m、宽为 5.4、高为 3m。试验段风速10~30m s 连续可调,风场品质十分良好, 风洞构成部分示意图,见图2-1。
实验室采用澳大利亚 TFI Cobra 三维脉动风速测量系统和计算机自动控制的三维异动测量系统进行风场调试。测压系统则采用美国 Pressure Systems ,Inc.公司的 Initium 精密压力扫描阀系统。
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2.2 平屋盖风洞试验模型介绍
本试验采用刚性模型,试验模型分为两个部分:大跨度平屋盖结构和周边建筑,模型具有足够的强度和刚度(如图 2-2),在试验风速下不出现明显的变形和振动现象,几何外形与建筑原型相似,几何缩尺比为 1:300,模型尺寸 100cm×66.7cm×13.3c(m长×宽×高),代表实际尺寸为 300m×200m×40m 的大跨度平屋盖结构。本试验考虑单个高层施扰建筑的干扰影响,施扰建筑模型也以有机玻璃制成,截面尺寸为 20cm×20cm 不同高度的方形高层施扰建筑,其断面形为正方形(见图 2-3),试验的几何、风速、时间缩尺比分别为 1/300、1/5、1/30 试验时采样频率为 300Hz,单次采样时长 68.3s(实际时长约 34min)。
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第三章 单体大跨度平屋盖的风荷载特性..............................14
3.1 屋盖平均风压特性分析............................. 14
3.2 屋面极值风压特性分析............................. 17
第四章 单个高层建筑对大跨屋盖的干扰效应研究................................21
4.1 干扰试验工况布置............................. 21
4.2 干扰因子的定义................. 22
第五章 单个高层建筑对某金融城交通枢纽大跨度屋盖的干扰效应研究.................46
5.1 风洞试验和实验装置 ...................... 46
5.2 单体金融屋盖的风荷载特性............................... 48
第五章 单个高层建筑对某金融城交通枢纽大跨度屋盖的干扰效应研究
5.1 风洞试验和实验装置
本次风洞试验模型的几何外形与建筑原型相似(见图 5-1),几何缩尺比为1:200,施扰建筑模型以有机玻璃制成,尺寸为 20cm×20cm×90cm 的单个高层施扰建筑,形状设置了 4 种不同断面形式,其断面的形式分别为正方形(A-1)、5%斜切角(A-2)、5%圆倒角截面(A-3) 、5%凹角截面(A-4)(见图 5-2)。
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第六章 结论与展望
6.1 本文结论
本文主要研究了高层建筑对大跨平屋盖风荷载的干扰效应和高层建筑对某金融城交通枢纽大跨屋盖风荷载的干扰效应。针对所研究的大跨度屋盖结构,根据相似性原理,在模拟大气边界层流场的风洞中进行了刚性模型试 验,获得了单体平屋盖表面在不同风向角作用下,屋面整体平均风压系数、屋面分区风压系数、屋面最小极小值风压系数、屋面分区最小极小值风压系数,然后根据这些风压系数,研究了单个高层施扰建筑高度、其与受扰屋盖的间距比以及风向角变化下对大跨平屋盖结构风荷载干扰效应的影响。同时本文还结合某工程实例,在结构形式比较新颖的大跨度屋盖上游放置单个施扰高层建筑,研究了单个高层建筑外形、高层建筑与该屋盖的相对位置及风向角三因素对该屋盖上风荷载分布的影响。本文主要的结论有:
1.单体大跨平屋盖结构风荷载特性:
(1) 在各个风向下,平屋盖表面整体平均风压系数均为负值,即主要受风吸力的作用。在建筑物迎风前缘发生气流分离因此风吸值最大,之后随着距离的加大, 风吸力呈梯度逐渐减弱,气流在屋盖尾部产生再附现象。
(2) 在各个风向下,所研究的平屋盖整体平均风压系数最小值为-0.63,出现在 30°风向 下。迎风侧角部区域的分区风压系数普遍最小,其最小值为-1.26。出现在 0°风向下迎风角部分区。
(3) 在各个风向下,极值风压系数的分布规律与平均风压系数的分布规律相似;在 0°至 90°风向角范围内,极值风压最小值-5.21 出现在 30°风向下,且仍出现在屋盖的迎风角部分区。因此在围护构件设计时,应注意最不利风向对屋面风荷载的影响。
参考文献(略)