论文部分内容阅读
近年，随着先进建设技术和高性能建筑材料的快速发展，新一代的超高层建筑朝着高柔、轻质和低阻尼的方向不断发展。当超高层建筑基频甚至高阶模态频率位于强风动力荷载的能量主频段时，结构的风致响应将显著增大，此时结构运动将显著地影响其周围风场特性，从而产生具有自激特性的非线性气弹效应，因此亟需能够考虑流固耦合效应的高层建筑抗风设计方法和风振分析理论。目前，国内外结构工程师对高层建筑的抗风设计累积了一定的工程实践经验，但由于现有抗风设计规范仍缺乏对高层建筑气弹效应的相关规定，工程实践中也较少考虑高层建筑的流固耦合效应，这主要是由于缺乏高效可靠的高层建筑风振响应流固耦合分析方法。因此，开展考虑流固耦合效应的高层建筑风振响应机理研究是十分必要且急迫的。
本文主要研究工作和结论包括：
（1）为了得到适用于矩形断面钝体结构涡振研究的数值模拟方法，并对涡振现象和机理进行探讨，本文以一边长比为1∶1.5矩形断面钝体结构作为研究对象。首先，结合风洞试验结果，验证了数值模拟方法对钝体结构静止绕流模拟的准确性。其次，结合风洞气弹模型试验结果，在2D模拟中采用URANS（Unsteady Reynolds averaged Navier Stokes equations）方法评估了两种动力响应求解方法（Newmark-β法、四阶龙格-库塔法）及三种CFD（Computational Fluid Dynamics）求解设定对横风向涡振特性的模拟精度和有效性的影响。结果显示2D模拟中采用Newmark-β法及适合的求解设定时得到的位移响应结果与风洞试验较吻合，但无法重现风洞试验中得到的部分结果（如峰度）。随后，对比2D模拟中效果最优的工况结果与2.5D大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称L ES）结果，主要考虑2.5D模拟能够将2D模拟中忽略的沿模型展向各个截面的涡脱相关性纳入考虑范围。结果显示2.5D大涡模拟能够重现风洞试验中钝体模型发生涡振时的各个指标（如位移响应概率分布、峰度、峰值因子等）随折减风速变化的过程，为后续矩形断面钝体结构横风向涡激振动数值模拟研究提供了重要的参考和技术指南。
（2）为了得到适用于高层建筑涡激振动研究的双向流固耦合数值模拟方法，并对其发生涡激振动时的现象和机理进行探讨，本文以边长比为1∶1.5的矩形基准高层模型—CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Council）标准高层建筑模型作为研究对象，基于大涡模拟方法，首先采用三种不同的双向流固耦合方法（等效集中质量系统法、自由变形法、组件映射加权法）进行流固耦合数值模拟，结合风洞气弹试验结果，对三种方法精度和效率进行了对比。结果显示等效集中质量系统法能够在模型简化过后保留高层建筑的大部分动力特性（一阶模态频率、阻尼比、质量等），且能够很好地捕捉到临界风速附近位移响应显著增大以及“锁定”现象，实现了精度和效率的平衡。随后，采用等效集中质量系统法和大涡模拟方法对单体高层建筑顺风向及横风向涡激振动机理进行了进一步的研究。结果显示CAARC标准高层建筑发生涡激共振时，横风向分层荷载层间相关性整体增大，且与顶层相关系数大于0.8的分层范围显著增大；在频域上表现为由锁定现象出现至消失对应频率范围内横风向分层荷载相干性显著增大且相位相同，证明了模型后方尾流区中脱落频率与模型基频相近的旋涡产生的涡激力是涡激共振的主因，同时共振引起分层荷载相关性、相关性提高会加剧结构涡激共振的响应，自激特性显著。
（3）为了验证双向流固耦合数值模拟方法在实际超高层建筑涡激振动研究中的有效性，并探究气动外形优化对超高层建筑涡激振动的影响，本文结合风洞试验和现场实测，采用大涡模拟方法及本文验证后等效集中质量系统法对实际超高层建筑进行了刚性和双向流固耦合数值模拟。该高层建筑外形由于考虑气动优化较为复杂，具有缩进、倒角和切角等特征。刚性模型模拟结果显示，数值模拟方法获取的基底荷载与风洞测力试验结果较接近，考虑到风洞试验受限于相似性法则、风洞尺寸大小及最大风速等要素，数值模拟方法未来可成为对高度较高、基频较低的超高层建筑气动及气弹效应评估的重要手段。气弹模型模拟结果显示不同折减风速下该超高层建筑加速度、位移响应结果与风洞试验、现场实测结果较接近，而采用风洞测力试验结果计算得到的顺风向响应结果偏保守，横风向响应结果不准确。相比方形截面超高层建筑，经过气动外形修正后的超高层建筑分层荷载间的相关性显著降低，原因在于不同高度处的截面修正使得它们的涡脱过程处于不同的阶段，即相位有差异；在荷载谱上反映为基底弯矩谱为宽带谱而各分层荷载谱峰值对应的频率各不相同。本文建立起了一套基于等效集中质量系统法和大涡模拟方法的双向流固耦合数值模拟方法，为后续超高层建筑涡激振动数值模拟研究提供了重要的参考和技术指南。
本文主要研究工作和结论包括：
（1）为了得到适用于矩形断面钝体结构涡振研究的数值模拟方法，并对涡振现象和机理进行探讨，本文以一边长比为1∶1.5矩形断面钝体结构作为研究对象。首先，结合风洞试验结果，验证了数值模拟方法对钝体结构静止绕流模拟的准确性。其次，结合风洞气弹模型试验结果，在2D模拟中采用URANS（Unsteady Reynolds averaged Navier Stokes equations）方法评估了两种动力响应求解方法（Newmark-β法、四阶龙格-库塔法）及三种CFD（Computational Fluid Dynamics）求解设定对横风向涡振特性的模拟精度和有效性的影响。结果显示2D模拟中采用Newmark-β法及适合的求解设定时得到的位移响应结果与风洞试验较吻合，但无法重现风洞试验中得到的部分结果（如峰度）。随后，对比2D模拟中效果最优的工况结果与2.5D大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称L ES）结果，主要考虑2.5D模拟能够将2D模拟中忽略的沿模型展向各个截面的涡脱相关性纳入考虑范围。结果显示2.5D大涡模拟能够重现风洞试验中钝体模型发生涡振时的各个指标（如位移响应概率分布、峰度、峰值因子等）随折减风速变化的过程，为后续矩形断面钝体结构横风向涡激振动数值模拟研究提供了重要的参考和技术指南。
（2）为了得到适用于高层建筑涡激振动研究的双向流固耦合数值模拟方法，并对其发生涡激振动时的现象和机理进行探讨，本文以边长比为1∶1.5的矩形基准高层模型—CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Council）标准高层建筑模型作为研究对象，基于大涡模拟方法，首先采用三种不同的双向流固耦合方法（等效集中质量系统法、自由变形法、组件映射加权法）进行流固耦合数值模拟，结合风洞气弹试验结果，对三种方法精度和效率进行了对比。结果显示等效集中质量系统法能够在模型简化过后保留高层建筑的大部分动力特性（一阶模态频率、阻尼比、质量等），且能够很好地捕捉到临界风速附近位移响应显著增大以及“锁定”现象，实现了精度和效率的平衡。随后，采用等效集中质量系统法和大涡模拟方法对单体高层建筑顺风向及横风向涡激振动机理进行了进一步的研究。结果显示CAARC标准高层建筑发生涡激共振时，横风向分层荷载层间相关性整体增大，且与顶层相关系数大于0.8的分层范围显著增大；在频域上表现为由锁定现象出现至消失对应频率范围内横风向分层荷载相干性显著增大且相位相同，证明了模型后方尾流区中脱落频率与模型基频相近的旋涡产生的涡激力是涡激共振的主因，同时共振引起分层荷载相关性、相关性提高会加剧结构涡激共振的响应，自激特性显著。
（3）为了验证双向流固耦合数值模拟方法在实际超高层建筑涡激振动研究中的有效性，并探究气动外形优化对超高层建筑涡激振动的影响，本文结合风洞试验和现场实测，采用大涡模拟方法及本文验证后等效集中质量系统法对实际超高层建筑进行了刚性和双向流固耦合数值模拟。该高层建筑外形由于考虑气动优化较为复杂，具有缩进、倒角和切角等特征。刚性模型模拟结果显示，数值模拟方法获取的基底荷载与风洞测力试验结果较接近，考虑到风洞试验受限于相似性法则、风洞尺寸大小及最大风速等要素，数值模拟方法未来可成为对高度较高、基频较低的超高层建筑气动及气弹效应评估的重要手段。气弹模型模拟结果显示不同折减风速下该超高层建筑加速度、位移响应结果与风洞试验、现场实测结果较接近，而采用风洞测力试验结果计算得到的顺风向响应结果偏保守，横风向响应结果不准确。相比方形截面超高层建筑，经过气动外形修正后的超高层建筑分层荷载间的相关性显著降低，原因在于不同高度处的截面修正使得它们的涡脱过程处于不同的阶段，即相位有差异；在荷载谱上反映为基底弯矩谱为宽带谱而各分层荷载谱峰值对应的频率各不相同。本文建立起了一套基于等效集中质量系统法和大涡模拟方法的双向流固耦合数值模拟方法，为后续超高层建筑涡激振动数值模拟研究提供了重要的参考和技术指南。