福建沿海历史街区风荷载特性数值模拟与风险防控方法

通过ANSYS Fluent软件选用RNG k-ε湍流模型,以福建沿海历史街区为对象,数值计算分析街道形态与路网形式对极值风压系数分布的影响并探讨风灾防控的策略。研究表明:单一街道在全风向下高宽比(1.33)产生爬越流时极值负压系数绝对值较大,最大负压系数绝对值产生于风向与街道垂直且高宽比最大(1.33)的条件下;随风向由垂直于街道变为平行,多条街道相交与单一街道风压系数变化一致:整体的正、负压系数绝对值和范围均大幅度降低,单一街道、同一高宽比的极值负压系数绝对值最大降低64.74%,平均降低了43.93%。对三坊七巷与和平路历史街区造成风致破坏的最重要因素是临近历史街区的高层建筑带来的极值正压与负压系数,其次为开敞空间与街区道路走向。极值负压系数绝对值在建筑间距/高度3.5～5.8时成正相关,拟合曲线为抛物线,在建筑间距/高度大于5.8时极值负压系数绝对值均趋于稳定值。当风向与方格路网垂直时,高密度低矮建筑的风荷载极值与建筑所在的道路走向(平行或垂直)不相关。历史街区的风灾防控可从绿化配置和建设控制地带建筑优化两方面实现。     

基于谱修正方法的非高斯风场模拟

为克服基于H erm ite谱修正方法的缺点,减少该方法中计算H erm ite多项式系数所需耗费的大量机时,提出了一种模拟非高斯风压场的新方法,采用非高斯累积分布函数(CDF)映射技术来代替基于H erm ite的概率密度函数(PDF)修正。选择任意边缘PDF模型作为概率目标模型,采用目标功率谱密度(PSD)作为样本函数,通过迭代修正该样本函数,使其收敛于目标概率密度函数和目标功率谱密度。将该方法应用于实际结构的非高斯风场模拟,模拟结果与目标谱符合良好,表明本文方法模拟非高斯风场具有较高的精确度和计算效率。     

平面局部凸出的双坡房屋表面风压特性分析及体型优化研究∗

以计算流体动力学和大气边界层基本理论为依据,对平面局部凸出的双坡野营房屋表面风压分布特性展开研究,在此基础上对其建筑外形进行合理的优化。研究过程中运用Fluent软件对模型进行分析和计算,并将数值模拟与TTU实测的结果进行对比,进而确定数值风洞的相关参数。将我国野营房屋使用的功能要求以及人体活动所需的空间尺度等作为依据,在此基础上建立模型,并在风向角、辅助建筑相对尺寸和建筑平面布置形式等的变化下,计算分析房屋表面的风压分布规律,最后将结果归纳为房屋的风荷载体型系数,以便抗风设计使用。进一步将房屋表面风压的平均值、极值和标准差作为优化目标,对平面局部凸出的双坡野营房屋的体型进行优化,最终得到该类型房屋风作用最小的合理建筑外形,以提高其抗风性能。结果表明:轻型双坡野营房屋因自身凸出的辅助建筑的存在,建筑周围的气流运动会受到影响,从而使建筑表面风压分布规律发生变化,更会出现主体建筑局部风荷载体型系数发生变号的现象,鉴于以上情况,可知辅助建筑对建筑表面风压的影响在抗风设计中必须予以重视。     

低矮建筑双坡屋盖上风压系数的概率分布

风灾调查显示,大部分的低矮建筑破坏都是从局部破坏开始的,因此深入研究建筑表面局部风压的概率统计特性从而合理估计极值风荷载,对减少低矮建筑的风致破坏有很大意义.基于东京工艺大学的在线低矮建筑气动数据库中的数据,以其中一个模型工况试验结果为例,分析屋面风压的概率分布特性.     

低矮建筑间的气动干扰因子效应风洞试验研究

低矮建筑通常都是成群出现的,周边建筑对被包围建筑的风荷载存在干扰效应,但多数国家荷载规范中都没有关于低矮建筑间气动干扰效应的研究.通过刚性模型表面测压风洞试验对被同类周边建筑所包围的平屋面低矮建筑表面风压系数进行了测量,分析了不同周边建筑的建筑面积密度和相对高度下被包围建筑平屋面上的最大局部负风压系数及最大升力系数的干扰因子.     

低矮建筑平均风压试验研究

通过一系列不同外形尺寸的单跨双坡低矮建筑刚性模型风洞测压试验,分析了不同风向角情况下结构表面的平均风压系数分布规律,重点考察了建筑结构外形参数和风场条件对低矮建筑主体承重结构风压系数的影响.     

风场和周边环境干扰对高层建筑平均风压的影响

就风场和周边干扰对高层建筑平均风压的影响进行了研究。结果表明:风场类型对高层建筑平均风压有较大的影响,当高层建筑无周边建筑干扰时,绝大多数情况下,不同场地类别的平均风压系数由大到小依次是B类、C类、D类;周边干扰对高层建筑平均风压的影响与干扰建筑所处位置有关,当干扰建筑位于高层建筑斜前方时,高层建筑迎风面的平均风压系数减小,当干扰建筑位于高层建筑来流斜下游时,高层建筑背风面的平均风压系数绝对值可能增大。     

闽南红砖大厝庭院形态对屋面风压与风场的影响研究

基于ANSYS Fluent软件选用RNG k-ε湍流模型,以闽南红砖大厝民居为对象,通过数值计算、分组对比分析庭院与厝埕的进深对风场及屋面风压分布的影响并探讨利于抗风的建筑形式。研究表明:①随院落宽度的增加屋面最大平均风压系数绝对值呈现显著地降低又升高,最大降低21.2%;庭院宽度与进深的比例为1.5时屋面最大平均风压系数和整体平均风压系数绝对值最小,利于防风。②随院落进深的增加,屋面最大平均风压系数绝对值呈现显著地降低又升高,最大降低26.0%,庭院宽度与进深的比例为0.67时屋面最大平均风压系数和整体平均风压系数绝对值最小,利于防风。③有厝埕的屋面最大平均风压系数绝对值、整体平均风压系数绝对值与无厝埕相比均显著下降,最大平均风压系数绝对值降低了48.7%;随着厝埕进深的减小,除少量测点外,平均风压系数绝对值降低,降低最大幅度为26%。     

低矮建筑几何参数对其双坡屋盖上最不利风压系数的影响

风灾调查显示大部分低矮建筑破坏都是从屋盖开始的,一般由最初的局部屋盖破坏逐渐扩展,最终导致整个屋盖破坏甚至房屋倒塌,局部风压极值对于低矮建筑抗风设计具有非常重要的意义.对108个双坡屋面建筑模型进行了表面压力测量风洞试验.试验模型、几何参数定义和坐标轴定义如图1和表1所示.     

强风下不同高度低矮建筑间干扰效应研究

以往研究已经认识到相对高度对低矮平屋面建筑风荷载分布有着直接的影响,但双坡屋面房屋气动特性与之存在差别。为研究相对高度对双坡屋面建筑风荷载分布与风致干扰效应影响,以2016年莫兰蒂台风登陆东南沿海某地区实测强风数据为基础,采用计算流体动力学方法,对不同高度的两栋低矮建筑与该地区不规则低矮建筑群模型的屋面风荷载进行数值模拟,并研究其风致干扰效应。研究结果表明:对于两栋低矮建筑,当高度比小于2时,随着高度比的增加,受扰房屋背风屋面负风压系数绝对值减小。在迎风屋面上,当高度比大于1时屋面风压为负,且随着高度比的增加迎风屋面负风压系数也随之增大。对于此不规则低矮建筑群,60°为抗风最不利风向角。整体上,高度增加的房屋其屋面负风压系数出现增大,高度不变的房屋屋面负风压系数减小。     

极值风速概率方法研究进展

极值风速的研究对于工程结构的设计和安全使用具有重要的现实意义.阐述了极值风速的研究背景,综述了国内外极值风速的研究进展,对比研究了近年来最新的极值风速概率模型,包括3种极值分布(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)以及POT方法、MIS法、R-LOS法和相应的改进方法.在比较各种方法优缺点和适用条件的同时,针对不同的概率分布模型,分别给出了具体所采用的合理的参数估计方法,如最小二乘法、最大似然函数法、概率加权矩法和矩法.同时对极值风速的不同方法研究现状进行了总结,最后针对当前的一些热点问题进行了展望.     

春季东北地区森林火险气象指数及其极值重现期特征

以1961-2010年间东北地区逐日气象观测数据为基础,计算春季逐日森林火险气象指数(FFDI)并用广义帕累托分布(GPD)模型对FFDI极值进行了拟合,结果表明:东北地区春季FFDI高值区分布于吉林西部、辽宁西部和内蒙东四盟市南部区域,高值区基本位于山脉背风坡一侧。春季各站FFDI值的趋势变化大致以大兴安岭山脊为界,山脊以东站点的FFDI趋势系数大部分为负值,其中部分站点趋势系数通过了95%置信水平检验,山脊以西站点趋势系数为正值,但趋势均不显著。GPD模型的概率分布能很好的拟合FFDI极值,96.5%站点的FFDI极值经验分布和理论分布相一致。20年一遇和50年一遇的FFDI极值空间分布大体一致,在50年一遇极值高值区中FFDI值超过40,低值区的FFDI值普遍低于25。     

极值分布在建设项目自然风险预测中的应用

建设项目中的自然风险系属于一种极端事件,因此考虑运用极值分布来预测建设项目中自然风险因素的发生.通过对天津及其临近地区的地震实例计算,证明了该方法的适用性.因此,运用极值分布可以较为准确地预测建设项目遭受设计自然风险的概率,为建设项目自然风险的预测及处理对策提供比较可靠的依据,进一步完善了建设项目的风险预警系统.     

典型体育场屋盖风荷载特性的风洞试验研究

对某一具有代表性的大型体育场刚性模型进行了表面测压风洞试验,介绍了试验所采用的主要技术参数和基本的数据处理方法,分析了结构典型测点在不同风向角下的风压变化规律,给出了该体育场屋盖上的对应于50年和100年重现期的10min平均风压值及前10个最小极值风压值。分析表明:风压系数平均值分布规律明显,能体现屋盖上流场分布的情况;均方根值能在一定程度上反映出气流分离和旋涡脱落情况。典型体育场屋盖上表面主要分布负压,其中迎风边缘及突出部位较大,低凹处及尾流区域较小;屋盖下表面在迎风的钝体边缘有较大区域正压出现,背风处分布有不大的均匀负压。     

多个主开洞的低矮建筑风压特性研究

研究多个主开洞的低矮建筑风压特性对于其抗风意义重大,但目前此类研究有限。依托CFD数值模拟计算平台,研究单面多个主开洞和多面多个主开洞的低矮建筑的风压分布特性。研究典型低矮建筑在单面多主开洞和多面多主开洞时,不同风速和风向角下的表面平均风压变化规律。分析得到多个开洞建筑的洞口位置、洞口数量和分布对平均风压系数的影响规律,发现单面多个主开洞和多面多个主开洞的低矮建筑的风压分布特性。对于多面多个主开洞建筑,发现并提出"通口效应"的存在。研究成果可为多个主开洞低矮房屋的抗风设计提供参考。     

基于极值风速预测的台风数值模型评述

在沿海台风多发地区，高耸及长大建筑结构对于极值风速作用非常敏感，因此在结构的设计、施工与使用期间有必要合理估算结构设计使用期限内可能遭遇的台风极值风速。台风极值风速的估算不仅涉及台风风场的数值模拟，也包括风速样本的采集与统计分析过程。较系统地介绍了台风风场结构的各类数学模型，并对它们在不同使用目的背景下的适用性作了评述与比较。最后，基于越界峰值法探讨了工程场地一定重现期内台风极值风速预测的可行性。     

复杂环境中玻璃幕墙设计风压风洞试验

风荷载是引起玻璃幕墙结构破坏的主要荷载之一,目前相应规范在玻璃幕墙设计风压取值上尚未考虑相邻建筑物的影响,其结果已经不能完全覆盖处于特定风场中的幕墙设计要求.通过风洞试验,得到了处于复杂环境中的玻璃幕墙设计风压值,介绍了目前中美两国规范关于玻璃幕墙风荷载取值的计算方法,探讨了试验值与中美两国规范计算值之间的差异.分析结果表明:对于处在复杂环境中的玻璃幕墙,现有规范设计风压的取值不是偏大就是偏小,尤其是在建筑底部的局部区域可能出现远大于规范计算值的负风压.所得结果可供同类幕墙工程设计参考.     

周围建筑群对大跨穹顶屋盖的风致干扰效应研究∗

大跨穹顶屋盖的风荷载会受到周围建筑群的影响,然而目前的规范中给出的风荷载并没有考虑此影响因素, 本文研究了周围建筑群的建筑布置形式和建筑面积密度对大跨穹顶屋盖的风致干扰效应及其作用规律。运用计算流体力学(CFD)方法中的雷诺时均方法定常计算屋面平均风压,其中采用指数率风速剖面定义平均风速,采用重组化群 k?ε 湍流模型模拟湍流特性,并与风洞试验结果进行对比验证了数值模拟方法的准确性。通过在数值风洞中建立大跨穹顶结构与干扰建筑群的组合模型,考虑五种建筑布置形式、四种建筑面积密度和 0°~360°风向角, 分析穹顶屋面各区域在典型风向下和最不利风向下的风压系数和干扰因子,研究不同的建筑布置形式和建筑面积密度引起的干扰效应。结果表明,当来流上游和下游均有干扰建筑时屋面风压急剧缩减,当来流两侧有干扰建筑时屋面风压显著放大;考虑建筑布置形式,穹顶结构相对的两侧有干扰建筑是最不利布置形式,其中屋面的中心区域和紧邻干扰建筑的区域是干扰效应最剧烈的屋面区域,在结构设计中需要重点关注;干扰效应的程度与建筑面积密度成正比,屋面区域风压的“放大效应”和“缩减效应”均会随建筑面积密度的增大而加剧。本文的研究结果可为大跨穹顶结构的抗风设计提供依据。     

基于YanMeng台风风场的输电线路极值风速推算方法

极值风速作为输电线路抗风设计的重要参数,对结构的强度和年限标准意义重大。为克服采用观测资料直接推算极值风速的缺陷,给出了一种沿海地区输电线路极值风速推算的数值方法,即以台风风场物理方程为基础,利用历史台风进行反演,验证风场模型的适应性,随后结合台风年鉴,采用模拟圆和Monte Carlo抽样模拟进行研究点最大风速序列计算,并根据极值III型Weibull分布进行极值风速的推算。最后以海口市为例,对该极值风速推算方法进行详细阐述,推算了海口市近100a内重现期的极值风速,并与观测统计值进行对比,研究发现本文模拟效果较好,可以作为沿海地区输电线路抗风设计的理论参照。     

基于泊松-对数正态复合极值模型的洪水灾害损失分析

在国际紧急灾害数据库的支持下,得到了中国在1980-2008年间发生的年洪水灾害发生次数、年单次洪水灾害经济损失极大值和年洪水灾害经济总损失3个统计指标;根据复合极值理论,利用泊松-对数正态复合极值模型对洪水灾害经济损失进行了分析。研究结果表明:(1)洪水灾害经济损失遵从对数正态分布;(2)单次极值经济损失与年经济总损失具有高度相关性;(3)复合极值方法可有效地用于洪水极值重现期的重建;(4)与传统的经验频率计算方法相比,该方法能克服因资料年限短、数据不足而造成的洪灾重现周期估算困难。