高层双塔建筑体型系数的风洞试验研究及数值模拟

论文摘要

风荷载是影响结构力学行为的一个重要荷载,对于高层、超高层建筑而言尤其如此。社会的进步推动了城市现代化的不断发展,同时也导致越来越多、越来越密集的高层建筑群的出现。相邻建筑物之间流场的相互干扰使得相邻建筑物之间的风荷载以及风性态与单体建筑物相比发生了改变,并可能引发许多相关的安全问题。根据我国荷载规范,在进行建筑结构风荷载计算时,首先需要确定结构的体型系数,但对于多塔建筑,特别是距离较近的双塔建筑,荷载规范并没有给出具体的体型系数确定方法,只是建议乘以相互干扰增大系数或者按照风洞试验给出。风洞试验的准备周期较长,而且花费较大,为了进一步提高确定双塔结构体型系数方法的准确性、时效性和经济性,本文以北京东直门交通枢纽暨东华国际广场商务区项目双塔写字楼为研究背景,对该双塔结构的体型系数进行了风洞试验研究和数值风洞模拟,并对二者所得结果进行了比较,验证了数值风洞的有效性。另外,还采用数值模拟方法对东华广场商务区的风环境进行了评价。本文的主要内容包括以下几个方面:首先,结合东直门双塔结构进行了风洞试验研究,得到了双塔结构的体型系数,计算了50年、100年周期的设计风荷载,并提出了相关的设计建议。其次,在相关文献研究的基础之上,结合风洞试验的风场数据确定了数值风洞的边界条件并验证了边界条件的有效性。再次,建立数值风洞模型对东直门双塔结构的风压系数和体型系数进行了数值模拟,并与风洞试验结果进行了对比,验证了数值风洞结果的有效性并比较了两种方法的优劣。另外还采用数值风洞方法对东华广场商务区的风环境进行了评估。最后,结合风洞试验结果以及数值风洞模拟结果对双塔结构提出了相关的设计建议。本文的研究成果能够对双塔结构体型悉数的确定提供指导,并对类似工程有一定的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 选题背景及意义
• 1.3 文献综述
• 1.3.1 体型系数
• 1.3.2 风洞试验研究方法
• 1.3.3 数值风洞研究方法
• 1.3.4 目前研究和工程应用存在的问题
• 1.4 研究方法及内容
• 1.5 论文结构安排
• 第2章 高层双塔的风洞试验研究
• 2.1 风洞试验理论基础和分析
• 2.2 试验设备及测点布置
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 模型测点布置
• 2.3 试验过程与数据处理
• 2.3.1 风压计算
• z'>2.3.2 风压高度变化系数μ_z
• s'>2.3.3 体型系数μ_s
• 2.3.4 风荷载
• 2.3.5 结果分析和讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 数值风洞模拟方法有效性验证
• 3.1 数值风洞方法
• 3.1.1 数值风洞的计算精度
• 3.1.2 数值风洞的尺寸选取
• 3.1.3 数值计算软件的选用
• 3.2 湍流模型的选择和边界条件的确定
• 3.2.1 平衡边界层模型
• 3.2.2 传统边界层模型
• 3.2.3 数值模拟边界条件的确定
• 3.3 数值结果比较
• 3.3.1 计算域的确定
• 3.3.2 计算结果比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 高层双塔的数值风洞模拟
• 4.1 数值模型的建立
• 4.1.1 计算模型来流风向角定义
• 4.1.2 几何建模与网格划分
• 4.1.3 边界条件的设定
• 4.1.4 求解方法与收敛准则
• 4.2 数值模拟计算结果
• 4.2.1 平均风压系数分布情况
• 4.2.2 各主要立面最大体型系数
• 4.2.3 东华广场及双塔风环境
• 4.3 数值模拟与风洞试验计算结果对比
• 4.4 不同边界层计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 工程应用和设计建议
• 5.1 东直门双塔结构风洞试验的工程应用
• 5.2 双塔结构数值风洞方法的应用建议
• 5.2.1 数值风洞模拟流程
• 5.2.2 数值风洞模拟的相关建议
• 5.3 风洞试验和数值风洞的工程应用比较
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果