复杂体型建筑风荷载数值模拟及试验研究
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重庆大学硕士学位论文
如下的问题[2]： (1)过大的风荷载会引起主体结构或结构构件开裂或失稳； (2)过大的风荷载会引起结构或结构构件的挠度或变形增大； (3)围护结构和外部装饰材料等容易剥落、损坏，如窗户、覆面材料等； (4)有时虽然风荷载不是很大，但由于反复作用，会导致对风敏感的主体结构、 结构构件或构件材料发生疲劳、失稳而破坏； (5)由于风致振动的时间很长， 容易使结构长时间摆动， 有时甚至摆动幅度很大， 这样使用者在建筑物内就会感到不适； (6)建筑结构的负气动阻尼过大会产生气动弹性失稳现象， 最终导致结构跨塌或 失稳，高层结构、悬索桥、烟囱等都有可能因为空气动力失稳现象而引起破坏。 因此探讨复杂体型建筑的风荷载的特性，有极其重要的现实意义。限于笔者 水平，本文以正在修建的重庆大剧院为工程背景，对复杂体型建筑的风荷载特性 进行粗浅研究。 重庆大剧院，它是集歌剧、戏剧、音乐会演出、文化艺术交流等多功能为一 体的大型社会文化设施，是重庆市十大公共建筑之一，是一幢有核心作用的标志 性大型公共建筑。该建筑位于重庆市江北城江北嘴两江汇合处临江地段，北距重 庆江北机场约 20 公里，距规划的龙头寺重庆铁路客运站约 3 公里；南有朝天门码 头，与渝中半岛隔江相望，有独特的地理优势。大剧院用地规模 4.97 公顷，总建 筑面积约 99010 平方米[3]。建筑地下一层，地上七层，功能为剧场。建筑物立面由 11 个不规则条带组成，总高度为 63.85 米[3]。结构采用钢筋混凝土框架—剪力墙结 构体系，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为 6 度，为乙类建筑[4]。这类建筑为 了建筑造型需求，一般其主体或附属结构等具有质量轻、跨度大、柔性大、阻尼 小、自振频率低的特点，而且这类结构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速 变化大、湍流度高的区域，再加上体型多不规则而复杂，绕流和空气动力作用十 分复杂，其流动的机理十分复杂，因此这类建筑对风荷载十分敏感。风荷载成为 其设计的主要控制荷载。
Wind environment,
Complex shape building
IV
1
绪
论
1
1.1 研究背景
绪 论ห้องสมุดไป่ตู้
随着社会审美取向的后现代转型及建筑技术和施工水平的发展，当代建筑体 型和空间不断突破自文艺复兴以降盛行的欧氏几何的限制，复杂性、分形几何、 绉子等时空观念日益受到建筑师和结构师的重视(图 1.1—图 1.4)， 通过建筑结构的 理性创新，一种新的建筑空间和形式体验在日益混沌的都市生活中得以实现。在 当代中国快速城市化进程中， 类似北京奥运会体育场“鸟巢”、 重庆大剧院等这样的 地标建筑无一例外的选择了非欧几何体量，以突显其在城市空间中的重要地位。
图 1.4 重庆大剧院 Fig.1.4 Chongqing Grand Theater
风导致建筑物和工程结构的损伤和破坏的事例屡见不鲜，如 1940 年美国 Tacoma 桥被风吹毁倒塌， 1965 年英国 Ferrybridge 电站的 8 个大型冷却塔在大风中 倒塌三座[1]等等。总的来说，风对建筑结构有两种作用：一是给建筑结构以水平荷 载，二是使建筑结构产生振动。由于风荷载对结构的作用，可能使建筑结构产生
I
英文摘要
ABSTRACT
With the development of science and technology, light and high-strength building materials are widely used and at the same time lots of complex shape buildings are coming forth. So according to the load codes, it is difficult to obtain the characteristics of wind loads on complex shape buildings. Based on the project of Chongqing Grand Theater, wind loads on complex shape buildings are analyzed by means of the combination of wind tunnel test and numerical simulation. The study is mainly focused on the following aspects: (1) The design of model and the scheme of wind tunnel test are carried on. Aimed at the difficulty about the layout of pressure points on the surface of complex shape buildings, the distributions of wind pressure on buildings are estimated by means of numerical simulation before wind tunnel tests, and then it is realized to optimize the locations of pressure points.According to the practices, the above methods are reasonable and effective. (2) In order to make the comparison between the application of project and the codes more convenient, the formula for the pressure coefficient C p and the shape coefficient µ s is derived in this paper, which takes the mountainous terrain into account. (3) The experiment of measuring wind pressure on the surface of Chongqing Grand Theater is carried out in the boundary layer wind tunnel (BLWT). Based on the experiment data, the characteristics of the wind load distribution on the surface of the building are obtained, when the building is under the different conditions, such as various wind directions or different terrains. The max (min) wind pressure values of once for 50(100) years are also calculated. (4) The wind environment around Chongqing Grand Theater is measured. According to the ratio of wind velocity k, the wind environment around the building is evaluated. (5) Based on the software of Fluent6.1, the model is built reasonablely and calculated, its results have a good meet with the experiment data. The practices show that numerical simulation can provide a lot of help during the wind tunnel tests.
中文摘要
摘
要
随着科学技术的发展，轻质高强材料被广泛采用，大量复杂体型的建筑也不 断涌现，其风荷载特性在结构规范中并无明确规定。结合重庆大剧院工程，本文 采用风洞试验与数值模拟两者相结合的方法，对复杂体型建筑的风荷载进行了研 究，主要有以下几个方面的工作： (1)进行了风洞试验方案及模型的设计，并针对复杂体型建筑表面测压点布置 难的问题，采用了数值模拟方法预先定性估计建筑表面风压分布情况，实现了测 压孔的优化布置。实践表明，上述方法是合理有效的。 (2)为了便于工程应用与规范相对照，推导了在考虑山地地形影响下，试验所 得的风压系数与相应体型系数的转化关系(该体型系数为局部体型系数，并非平均 意义上的整体体型系数)，并根据实验结果求得了山地地形下结构体型系数。 (3)在模拟了大气边界层的风洞中，进行了重庆大剧院模型测压试验。根据试 验数据，得到了该建筑在不同风向以及不同地形等工况下的表面风压分布规律以 及 50(100)年一遇的最大(最小)风压值。 (4)对重庆大剧院周围风环境进行了测量，并根据人群主要活动场所的风速比 值，评价了该建筑周围的风环境。 (5)基于 Fluent6.1 软件平台，对重庆大剧院进行了合理建模以及数值模拟。实 践表明，数值模拟起到了试验中的数据辨伪和试验后的数据对比作用，充分提高 了试验效率。 关键词：风洞试验，数值模拟，风压，风环境，复杂体型建筑
1.2 国内外研究现状
风工程的研究方法包括现场实测、实验室模拟和理论分析(包括数值计算)。 现场实测是风工程研究中最直接最有效的方法，但无法在建筑物建造前进行， 所以就无法为建筑的设计提供参考。风荷载现场实测的最早研究者是古斯塔夫埃 菲尔[2]，他对风作用下的塔顶位移进行了量测和研究(1893—1895)。纽约帝国大厦 是第一个安装风荷载量测设备的建筑物，拉斯本 1940 年在 ASCE 报告中描述了帝 国大厦建筑物基本上按结构的基频振动的观测结果。1960 年以后，由于高层建筑
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1
绪
论
的风行，在加拿大、英国、澳大利亚、香港和荷兰等国家和地区又兴起了现场实 测研究的热潮。实测的数据是极有参考价值的，它成为了检验模型试验方法和理 论分析准确与否的标准，如得克萨斯科技大学建立的实际尺度的低矮房屋模型也 就是著名的标准模型(TTU BUILDING)， 许多重要的研究工作都是根据它提供的实 测数据进行的。 现场实测虽是最直接的研究手段，但它费时、费钱、费人力。因此当前风工 程的主要研究手段仍然为实验室模拟，特别是风洞模拟[5][6](如图 1.5—图 1.8)。 我国早期工业空气动力试验一般在航空风洞中进行，不能模拟大气边界层。 1973 年，北京大学就用漩涡发生器和粗糙元，在航空风洞中成功地模拟了大气边 界层。大量的地面模拟设备建设始于上个世纪 80 年代，至今为止先后建成了近 20 余座用于工业空气动力学研究的风洞。这些风洞大致可分为三类[5] [7]： 一类是原来的航空风洞用于工业空气动力试验，如中国空气动力研究与发展 中心的 4 米×3 米风洞和 8 米×6 米风洞、 中国航空气动研究院的 3.5 米×2.5 米风洞、 北京空气动力研究所的 3 米×3 米风洞、南京航空航天大学的 2.5 米×2.5 米风洞， 在不模拟大气边界层的情况下，利用这些风洞进行了高层建筑试验、桥梁试验及 防护林等试验，还开展了汽车、高速列车等研究项目。 另一类是将航空风洞增加大气边界层模拟装置，进行了高层建筑、火箭风载、 大跨度桥梁、煤堆粉尘扩散等试验，如中国空气动力研究与发展中心的 2.2 米×4 米×15 米工业试验段、12 米×16 米×25 米试验段、北京空气动力研究所的 3 米×3 米风洞、北京大学的 2.25 米风洞都采用尖劈和粗糙元等方法模拟大气边界层,开展 了大量建筑物风载和行人高度风环境试验、运载火箭地面风载荷与动态响应研究、 桥梁气动弹性试验、大型发电场冷却塔风载荷试验。 第三类是专门用于工业空气动力试验的风洞，这些风洞一般采用自然生成法 模拟大气边界层。比较典型的分别属于十几所大学及有关的研究机构。如广建所、 同济大学、西南交通大学、北京大学、湖南大学、长安大学和汕头大学等，共 20 余座风洞。能模拟为温度层结的风洞仅 2 座，分别是中国环科院 3 米×2 米×24 米 的大气边界层风洞、北京大学的 1.5 米×1 米×8 米风洞。这些风洞开展了大量的汽 车、高速列车、大跨度桥梁、高层建筑、大型体育场馆、大气污染扩散、核电站 的大气弥散等方面的工业空气动力试验，为国家重点工程的建设作出了重要的贡 献。 我国在工业空气动力试验中采用的测试技术大都是从航空气动试验中移植过 来的。如用内式应变天平测量气动载荷、用电子扫描阀测量模型表面压力分布、 用热线风速仪测量模型绕流的平均速度和脉动速度；为了满足建筑物的动态气动 载荷研制了高频底座天平和行人高度风测量探头，用脉动压力传感器测量了建筑
图 1.1 北京奥运会体育场“鸟巢” Fig.1.1 Beijing Olympic Stadium "nest"
图 1.2 德国科学中心 Fig.1.2 German Science Center
图 1.3 苏格兰议会大厦 Fig.1.3 Scotland Parliamentarian Building
III
重庆大学硕士学位论文
Numerical simulation can distinguish the data truth or not during the experiment, and its results can be compared with the experiment data after the experiment. So it makes the experiment go on more smoothly and the experiment data more credible. Keywords: Wind tunnel test, Nummerical simulation, Wind pressure,
重庆大学硕士学位论文
如下的问题[2]： (1)过大的风荷载会引起主体结构或结构构件开裂或失稳； (2)过大的风荷载会引起结构或结构构件的挠度或变形增大； (3)围护结构和外部装饰材料等容易剥落、损坏，如窗户、覆面材料等； (4)有时虽然风荷载不是很大，但由于反复作用，会导致对风敏感的主体结构、 结构构件或构件材料发生疲劳、失稳而破坏； (5)由于风致振动的时间很长， 容易使结构长时间摆动， 有时甚至摆动幅度很大， 这样使用者在建筑物内就会感到不适； (6)建筑结构的负气动阻尼过大会产生气动弹性失稳现象， 最终导致结构跨塌或 失稳，高层结构、悬索桥、烟囱等都有可能因为空气动力失稳现象而引起破坏。 因此探讨复杂体型建筑的风荷载的特性，有极其重要的现实意义。限于笔者 水平，本文以正在修建的重庆大剧院为工程背景，对复杂体型建筑的风荷载特性 进行粗浅研究。 重庆大剧院，它是集歌剧、戏剧、音乐会演出、文化艺术交流等多功能为一 体的大型社会文化设施，是重庆市十大公共建筑之一，是一幢有核心作用的标志 性大型公共建筑。该建筑位于重庆市江北城江北嘴两江汇合处临江地段，北距重 庆江北机场约 20 公里，距规划的龙头寺重庆铁路客运站约 3 公里；南有朝天门码 头，与渝中半岛隔江相望，有独特的地理优势。大剧院用地规模 4.97 公顷，总建 筑面积约 99010 平方米[3]。建筑地下一层，地上七层，功能为剧场。建筑物立面由 11 个不规则条带组成，总高度为 63.85 米[3]。结构采用钢筋混凝土框架—剪力墙结 构体系，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为 6 度，为乙类建筑[4]。这类建筑为 了建筑造型需求，一般其主体或附属结构等具有质量轻、跨度大、柔性大、阻尼 小、自振频率低的特点，而且这类结构往往比较低矮，在大气边界层中处于风速 变化大、湍流度高的区域，再加上体型多不规则而复杂，绕流和空气动力作用十 分复杂，其流动的机理十分复杂，因此这类建筑对风荷载十分敏感。风荷载成为 其设计的主要控制荷载。
Wind environment,
Complex shape building
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绪
论
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1.1 研究背景
绪 论ห้องสมุดไป่ตู้
随着社会审美取向的后现代转型及建筑技术和施工水平的发展，当代建筑体 型和空间不断突破自文艺复兴以降盛行的欧氏几何的限制，复杂性、分形几何、 绉子等时空观念日益受到建筑师和结构师的重视(图 1.1—图 1.4)， 通过建筑结构的 理性创新，一种新的建筑空间和形式体验在日益混沌的都市生活中得以实现。在 当代中国快速城市化进程中， 类似北京奥运会体育场“鸟巢”、 重庆大剧院等这样的 地标建筑无一例外的选择了非欧几何体量，以突显其在城市空间中的重要地位。
图 1.4 重庆大剧院 Fig.1.4 Chongqing Grand Theater
风导致建筑物和工程结构的损伤和破坏的事例屡见不鲜，如 1940 年美国 Tacoma 桥被风吹毁倒塌， 1965 年英国 Ferrybridge 电站的 8 个大型冷却塔在大风中 倒塌三座[1]等等。总的来说，风对建筑结构有两种作用：一是给建筑结构以水平荷 载，二是使建筑结构产生振动。由于风荷载对结构的作用，可能使建筑结构产生
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英文摘要
ABSTRACT
With the development of science and technology, light and high-strength building materials are widely used and at the same time lots of complex shape buildings are coming forth. So according to the load codes, it is difficult to obtain the characteristics of wind loads on complex shape buildings. Based on the project of Chongqing Grand Theater, wind loads on complex shape buildings are analyzed by means of the combination of wind tunnel test and numerical simulation. The study is mainly focused on the following aspects: (1) The design of model and the scheme of wind tunnel test are carried on. Aimed at the difficulty about the layout of pressure points on the surface of complex shape buildings, the distributions of wind pressure on buildings are estimated by means of numerical simulation before wind tunnel tests, and then it is realized to optimize the locations of pressure points.According to the practices, the above methods are reasonable and effective. (2) In order to make the comparison between the application of project and the codes more convenient, the formula for the pressure coefficient C p and the shape coefficient µ s is derived in this paper, which takes the mountainous terrain into account. (3) The experiment of measuring wind pressure on the surface of Chongqing Grand Theater is carried out in the boundary layer wind tunnel (BLWT). Based on the experiment data, the characteristics of the wind load distribution on the surface of the building are obtained, when the building is under the different conditions, such as various wind directions or different terrains. The max (min) wind pressure values of once for 50(100) years are also calculated. (4) The wind environment around Chongqing Grand Theater is measured. According to the ratio of wind velocity k, the wind environment around the building is evaluated. (5) Based on the software of Fluent6.1, the model is built reasonablely and calculated, its results have a good meet with the experiment data. The practices show that numerical simulation can provide a lot of help during the wind tunnel tests.
中文摘要
摘
要
随着科学技术的发展，轻质高强材料被广泛采用，大量复杂体型的建筑也不 断涌现，其风荷载特性在结构规范中并无明确规定。结合重庆大剧院工程，本文 采用风洞试验与数值模拟两者相结合的方法，对复杂体型建筑的风荷载进行了研 究，主要有以下几个方面的工作： (1)进行了风洞试验方案及模型的设计，并针对复杂体型建筑表面测压点布置 难的问题，采用了数值模拟方法预先定性估计建筑表面风压分布情况，实现了测 压孔的优化布置。实践表明，上述方法是合理有效的。 (2)为了便于工程应用与规范相对照，推导了在考虑山地地形影响下，试验所 得的风压系数与相应体型系数的转化关系(该体型系数为局部体型系数，并非平均 意义上的整体体型系数)，并根据实验结果求得了山地地形下结构体型系数。 (3)在模拟了大气边界层的风洞中，进行了重庆大剧院模型测压试验。根据试 验数据，得到了该建筑在不同风向以及不同地形等工况下的表面风压分布规律以 及 50(100)年一遇的最大(最小)风压值。 (4)对重庆大剧院周围风环境进行了测量，并根据人群主要活动场所的风速比 值，评价了该建筑周围的风环境。 (5)基于 Fluent6.1 软件平台，对重庆大剧院进行了合理建模以及数值模拟。实 践表明，数值模拟起到了试验中的数据辨伪和试验后的数据对比作用，充分提高 了试验效率。 关键词：风洞试验，数值模拟，风压，风环境，复杂体型建筑
1.2 国内外研究现状
风工程的研究方法包括现场实测、实验室模拟和理论分析(包括数值计算)。 现场实测是风工程研究中最直接最有效的方法，但无法在建筑物建造前进行， 所以就无法为建筑的设计提供参考。风荷载现场实测的最早研究者是古斯塔夫埃 菲尔[2]，他对风作用下的塔顶位移进行了量测和研究(1893—1895)。纽约帝国大厦 是第一个安装风荷载量测设备的建筑物，拉斯本 1940 年在 ASCE 报告中描述了帝 国大厦建筑物基本上按结构的基频振动的观测结果。1960 年以后，由于高层建筑
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绪
论
的风行，在加拿大、英国、澳大利亚、香港和荷兰等国家和地区又兴起了现场实 测研究的热潮。实测的数据是极有参考价值的，它成为了检验模型试验方法和理 论分析准确与否的标准，如得克萨斯科技大学建立的实际尺度的低矮房屋模型也 就是著名的标准模型(TTU BUILDING)， 许多重要的研究工作都是根据它提供的实 测数据进行的。 现场实测虽是最直接的研究手段，但它费时、费钱、费人力。因此当前风工 程的主要研究手段仍然为实验室模拟，特别是风洞模拟[5][6](如图 1.5—图 1.8)。 我国早期工业空气动力试验一般在航空风洞中进行，不能模拟大气边界层。 1973 年，北京大学就用漩涡发生器和粗糙元，在航空风洞中成功地模拟了大气边 界层。大量的地面模拟设备建设始于上个世纪 80 年代，至今为止先后建成了近 20 余座用于工业空气动力学研究的风洞。这些风洞大致可分为三类[5] [7]： 一类是原来的航空风洞用于工业空气动力试验，如中国空气动力研究与发展 中心的 4 米×3 米风洞和 8 米×6 米风洞、 中国航空气动研究院的 3.5 米×2.5 米风洞、 北京空气动力研究所的 3 米×3 米风洞、南京航空航天大学的 2.5 米×2.5 米风洞， 在不模拟大气边界层的情况下，利用这些风洞进行了高层建筑试验、桥梁试验及 防护林等试验，还开展了汽车、高速列车等研究项目。 另一类是将航空风洞增加大气边界层模拟装置，进行了高层建筑、火箭风载、 大跨度桥梁、煤堆粉尘扩散等试验，如中国空气动力研究与发展中心的 2.2 米×4 米×15 米工业试验段、12 米×16 米×25 米试验段、北京空气动力研究所的 3 米×3 米风洞、北京大学的 2.25 米风洞都采用尖劈和粗糙元等方法模拟大气边界层,开展 了大量建筑物风载和行人高度风环境试验、运载火箭地面风载荷与动态响应研究、 桥梁气动弹性试验、大型发电场冷却塔风载荷试验。 第三类是专门用于工业空气动力试验的风洞，这些风洞一般采用自然生成法 模拟大气边界层。比较典型的分别属于十几所大学及有关的研究机构。如广建所、 同济大学、西南交通大学、北京大学、湖南大学、长安大学和汕头大学等，共 20 余座风洞。能模拟为温度层结的风洞仅 2 座，分别是中国环科院 3 米×2 米×24 米 的大气边界层风洞、北京大学的 1.5 米×1 米×8 米风洞。这些风洞开展了大量的汽 车、高速列车、大跨度桥梁、高层建筑、大型体育场馆、大气污染扩散、核电站 的大气弥散等方面的工业空气动力试验，为国家重点工程的建设作出了重要的贡 献。 我国在工业空气动力试验中采用的测试技术大都是从航空气动试验中移植过 来的。如用内式应变天平测量气动载荷、用电子扫描阀测量模型表面压力分布、 用热线风速仪测量模型绕流的平均速度和脉动速度；为了满足建筑物的动态气动 载荷研制了高频底座天平和行人高度风测量探头，用脉动压力传感器测量了建筑
图 1.1 北京奥运会体育场“鸟巢” Fig.1.1 Beijing Olympic Stadium "nest"
图 1.2 德国科学中心 Fig.1.2 German Science Center
图 1.3 苏格兰议会大厦 Fig.1.3 Scotland Parliamentarian Building
III
重庆大学硕士学位论文
Numerical simulation can distinguish the data truth or not during the experiment, and its results can be compared with the experiment data after the experiment. So it makes the experiment go on more smoothly and the experiment data more credible. Keywords: Wind tunnel test, Nummerical simulation, Wind pressure,