高层建筑风效应的数值模拟研究及等效静力风荷载计算

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随着我国经济的飞跃发展、科技的进步及城市化人口的剧增,(超)高层建筑得以迅速发展。而现代新型的高强轻质建筑材料以及先进的施工技术使得(超)高层建筑向着越来越轻、越来越柔、阻尼越来越小的方向发展,成为风敏感结构,风荷载是其设计时的主要控制荷载。目前,结构风工程领域的研究手段主要包括理论分析、现场实测、风洞试验及数值模拟技术。计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)是最近几十年发展起来的新兴学科,随着计算机技术的提高,数值模拟以其自身的优点展现出广阔的发展空间,其在土木工程中的应用也得到了众多学者的亲睐和重视。本文前部分的研究工作围绕(超)高层建筑表面风荷载的数值模拟开展。先介绍了计算流体动力学相关基本理论,包括控制方程通用形式的建立、湍流模型的归类及近壁面的处理方法等;接着以一实际工程项目为背景,对几个影响模拟精度的重要因素如边界条件、计算域的设置、湍流模型的选取以及网格尺寸的划分等进行了详细的讨论,在此基础上,建立合理的建筑模型,编写相应程序,对该(超)高层建筑周围风场进行数值模拟,并将平均风压系数与风洞试验结果进行对比分析,对产生的误差作出了合理的解释,并指出CFD数值模拟技术的可行性和可靠性,为(超)高层建筑结构的抗风设计提供一定的参考依据。(超)高层建筑的等效静力风荷载一直是风工程界关注的一个热点问题。目前关于高层建筑等效静力风荷载的计算方法有多种,主要有阵风荷载因子(GLF)法、惯性风荷载(IWL)法以及荷载响应相关(LRC)法等等。本文后半部分主要对上述三种方法进行详细而系统的总结和比较,指出了各种方法的优缺点及适用条件,接着以一实际工程项目为例,采用三种方法计算了该高层建筑的等效静力风荷载,并对计算结果进行分析比较,得到了一些有价值的结论,为工程设计人员合理选取相应的等效静力风荷载计算方法提供了有价值的参考意见。
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