非平稳强风下超高层建筑风致振动的大涡模拟研究

本项目主要基于大涡模拟方法，并结合现场实测和风洞试验，开展非平稳强风作用下的超高层建筑风致振动机理研究。建立了成套的大涡模拟方法，包括适用于大涡模拟的非平稳风场入口生成方法以及高效的一体化流固耦合算法；以超高层建筑风效应和风致振动监测平台为依据，开展非平稳强风下超高层建筑风振响应的大涡模拟全尺寸验证研究，改进数值模拟技术，明确误差来源和不确定度，提高模拟结果的准确性；基于验证后的大涡模拟方法，揭示非平稳强风对超高层建筑的风致振动作用机理。研究成果对超高层建筑在非平稳强风下的抗风设计具有重要的理论意义和工程价值。 2100433B

随着经济和社会的持续发展，我国兴建了越来越多的超高层建筑，这些建筑结构柔度高、阻尼小，属于典型的风敏感结构，因而在非平稳强风下的超高层建筑风致振动问题亟需研究。.本项目主要采用大涡模拟方法，并结合现场实测和风洞试验，开展非平稳强风作用下的超高层建筑风致振动机理研究。以多站点的长期现场实测风速数据为基础，建立风速非平稳模型和提出合理的风场非平稳性量化方法；发展成套的大涡模拟方法，包括非平稳风场入口生成方法以及一体化流固耦合方法；基于超高层建筑风效应和风致振动监测平台，开展非平稳强风下超高层建筑风振响应的大涡模拟全尺寸验证研究，明确误差来源，改进数值模拟技术，提高模拟方法的准确性；运用验证后的大涡模拟方法，揭示非平稳强风对超高层建筑的风致振动作用机理，建立流场非平稳性和高层建筑风振响应之间的量化关系。.研究成果对超高层建筑在极端风气候下的抗风设计具有重要的理论意义和工程价值。

本项目以上海金茂大厦超高层建筑为研究对象，进行台风和非台风环境下超高层建筑非高斯风压的数值模拟计算研究，发展一套先进的超高层建筑非高斯风压的模拟技术及相应的成套软件，建立台风和非台风环境下上海金茂大厦的风压数据库，从而指导我国正在建造的上海环球金融中心和以后的超高层建筑玻璃幕墙的抗台风设计。在时域内，对台风和非台风环境下上海金茂大厦超高层建筑风致振动控制的行为进行不考虑和考虑结构刚度不确定性两个层 2100433B

对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物，这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在处理涡激振动问题时，把流体和固体弹性系统作为一个统一的动力系统加以考虑，并找到两者的耦合条件，是解决这个问题的重要关键。在涡激振动过程中，流体的动压力是一种作用于弹性系统的外加载荷，动压力的大小取决于弹性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面，流体动压力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。这种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在惯性、阻尼和弹性诸方面的耦合现象。

由惯性耦合产生附连质量，在有流速场存在的条件下，由阻尼耦合产生附连阻尼，由弹性耦合产生附连刚度。流体的附连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特征参量（诸如流速、水深、流量等）、边界条件以及弹性系统的特性，其关系式相当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量，是水弹性问题研究中的重要课题。

实验证明，漩涡的发放频率f可用无量纲参数斯特劳哈尔数St（Strouhal Number）来表示，表达式为：

f=St*V/D

St是构件剖面形状与雷诺数Re的函数，其定义式为St=D/（V*T）。

其中：V为垂直于构件轴线的速度（m/s）；

D为圆柱直径或柱体的其他特征长度（m）；

T为相关的特征时间（s）。