超大型冷卻塔動(dòng)態(tài)風(fēng)壓實(shí)測(cè)與干擾效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究

本項(xiàng)目自2010年起，圍繞了五個(gè)方面開(kāi)展研究工作：1）動(dòng)態(tài)風(fēng)壓傳感器開(kāi)發(fā)、調(diào)試及其現(xiàn)場(chǎng)安裝介紹；2）大型雙曲面冷卻塔表面脈動(dòng)風(fēng)壓分布特性研究；3）雙曲圓截面冷卻塔壁面粗糙度對(duì)其繞流動(dòng)態(tài)特性影響；4）大型雙曲面冷卻塔風(fēng)致振動(dòng)耦合效應(yīng)分析；5）大型雙曲面冷卻塔氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)和響應(yīng)特性研究。主要研究進(jìn)展和成果匯總?cè)缦拢?一、采用全天候動(dòng)態(tài)風(fēng)壓采集設(shè)備，對(duì)徐州某電廠冷卻塔（約166m 高）進(jìn)行通風(fēng)筒表面動(dòng)、靜態(tài)風(fēng)壓長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，校驗(yàn)現(xiàn)有的單塔平均風(fēng)壓雷諾數(shù)效應(yīng)模擬標(biāo)準(zhǔn)，提出具有原創(chuàng)性的冷卻塔超高雷諾數(shù)條件（Re≥10E7）脈動(dòng)風(fēng)壓雷諾數(shù)效應(yīng)模擬準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究多種典型群塔組合條件干擾效應(yīng)及其機(jī)理，著重研究強(qiáng)風(fēng)動(dòng)力荷載作用下冷卻塔風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^(guò)程物理和有限元模擬方法。 二、提出了雙曲薄殼冷卻塔氣彈模型等效梁格設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)了梁格法冷卻塔氣彈模型縮尺剛度計(jì)算公式，建議了冷卻塔縮尺模型模擬原型結(jié)構(gòu)高雷諾數(shù)條件下表面繞流Reynolds數(shù)和Strouhal數(shù)效應(yīng)修正和驗(yàn)證辦法。設(shè)計(jì)加工1:200比例測(cè)壓測(cè)振一體化的等效梁格冷卻塔氣彈模型，在同濟(jì)大學(xué)TJ-3風(fēng)洞中，進(jìn)行了冷卻塔單塔測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)，在模型頻率、振型、氣動(dòng)力參數(shù)模擬，風(fēng)振系數(shù)分布和試驗(yàn)易操作性方面均取得良好的較果，較好地避免了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)模型設(shè)計(jì)方法的不足。 三、結(jié)合全模態(tài)耦合CQC算法，對(duì)超大塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了深入的探討，研究了多種響應(yīng)分量在子午向及環(huán)向斷面上的數(shù)值大小及分布特征，表明結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)在總體風(fēng)振響應(yīng)占主導(dǎo)地位?；谠囼?yàn)結(jié)果并結(jié)合數(shù)值算法探討了自激力效應(yīng)對(duì)于大型冷卻塔表面風(fēng)壓和風(fēng)振響應(yīng)的影響，結(jié)果表明自激力對(duì)于表面平均風(fēng)壓的分布特性影響甚小、對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓的分布和數(shù)值影響較大。 四、項(xiàng)目組參加國(guó)際合作與學(xué)術(shù)交流5次，完成國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告共計(jì)7次。擔(dān)任國(guó)際、國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)組織要職2人次。發(fā)表標(biāo)注本項(xiàng)目資助的國(guó)際論文約20篇，國(guó)內(nèi)重要期刊論文28篇，其中SCI和EI收錄28篇。 五、2012年申請(qǐng)獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”人材項(xiàng)目。獲得2010年浙江省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2011年中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)、授權(quán)和申請(qǐng)實(shí)用新型專利1項(xiàng)、申請(qǐng)獲得軟件著作權(quán)3項(xiàng)。 六、項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)共資助培養(yǎng)畢業(yè)研究生5名，其中2名研究生已經(jīng)畢業(yè)，全部標(biāo)注了本項(xiàng)目資助。 2100433B

我國(guó)冷卻塔規(guī)范風(fēng)荷載條款仍源自上世紀(jì)80年代原型冷卻塔（90m高）實(shí)測(cè)資料，且僅規(guī)定了塔筒表面靜態(tài)風(fēng)壓分布。事實(shí)上，超大型冷卻塔（高度≥165m）風(fēng)振問(wèn)題與風(fēng)荷載動(dòng)態(tài)作用關(guān)系更加密切，由此導(dǎo)致了冷卻塔物理和數(shù)學(xué)模型雷諾數(shù)效應(yīng)模擬準(zhǔn)則的不完整性，難于準(zhǔn)確再現(xiàn)冷卻塔表面動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載與來(lái)流條件、塔群組合等參數(shù)間的合理關(guān)系，已成為制約超大型冷卻塔抗風(fēng)性能研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的瓶頸。為此，擬采用全天候動(dòng)態(tài)風(fēng)壓采集設(shè)備，對(duì)徐州某電廠冷卻塔（約166m高）進(jìn)行通風(fēng)筒表面動(dòng)、靜態(tài)風(fēng)壓長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，校驗(yàn)現(xiàn)有的單塔平均風(fēng)壓雷諾數(shù)效應(yīng)模擬標(biāo)準(zhǔn)，提出具有原創(chuàng)性的冷卻塔超高雷諾數(shù)條件（Re≥10E7）脈動(dòng)風(fēng)壓雷諾數(shù)效應(yīng)模擬準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究多種典型群塔組合條件干擾效應(yīng)及其機(jī)理，著重研究強(qiáng)風(fēng)動(dòng)力荷載作用下冷卻塔風(fēng)致災(zāi)變?nèi)^(guò)程物理和有限元模擬方法，再現(xiàn)并探究1965年英國(guó)渡橋電廠八座冷卻塔風(fēng)毀事故原因。

在基金項(xiàng)目（51278204）支持下對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下超高層建筑風(fēng)效應(yīng)的實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)開(kāi)展系統(tǒng)性研究，研究包括以下方面：1). 針對(duì)我國(guó)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)不同體系的超高建筑，構(gòu)建基于GPRS的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)建筑的風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)年的持續(xù)觀測(cè)；2). 研究風(fēng)洞同步測(cè)壓信號(hào)降噪的有效方法，分析現(xiàn)有信號(hào)參數(shù)識(shí)別的時(shí)、頻域技術(shù)中存在的問(wèn)題和可能的改進(jìn)方法；3). 建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果和相應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)的對(duì)比；4).通過(guò)對(duì)測(cè)量信號(hào)的參數(shù)識(shí)別，研究結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)隨結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值變化的規(guī)律；5).建筑外形對(duì)超高層建筑橫風(fēng)效應(yīng)影響及氣動(dòng)抗風(fēng)措施；6). 不同寬度比和不同高度比的2個(gè)高層建筑間的風(fēng)壓干擾效應(yīng)；7).完成4棟高度超過(guò)400m的超高層建筑的抗風(fēng)研究試驗(yàn)，它們是：寧波城市之光主塔高451.5m，濟(jì)南恒大國(guó)際金融中心高518m、南寧東盟塔高528m、合肥恒大中心高518m。項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)在于以下幾個(gè)方面： 1). 近6年來(lái)對(duì)位于珠江三角洲地區(qū)數(shù)棟建筑風(fēng)效應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，遇見(jiàn)了和深圳地區(qū)10年重現(xiàn)期相當(dāng)?shù)淖畲箫L(fēng)速，測(cè)到的最大峰值加速度僅為0.123m/s2，表明這些建筑的舒適度能夠滿足要求；2). 在對(duì)幾類小波基降噪效果分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)symN小波是風(fēng)洞測(cè)量風(fēng)壓時(shí)程信號(hào)預(yù)處理的最優(yōu)小波基，通過(guò)調(diào)整其消失矩階數(shù)可分別獲得不同信噪比信號(hào)的最佳降噪效果；3). 提出了適合有色噪聲激勵(lì)參數(shù)識(shí)別、精度更高的改進(jìn)貝葉斯譜密度方法；4). 對(duì)幾棟超高層所歷經(jīng)幾次臺(tái)風(fēng)過(guò)程測(cè)得信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，結(jié)果顯示識(shí)別的不同風(fēng)況結(jié)構(gòu)自振頻率變異性非常小，但基本上均高于設(shè)計(jì)階段有限元數(shù)值分析的結(jié)果，且最大差別可達(dá)20%，而識(shí)別的阻尼比呈現(xiàn)離散性，且與已有研究的結(jié)論不同，識(shí)別的阻尼比和振動(dòng)幅值不存在統(tǒng)計(jì)相關(guān)性；5).在風(fēng)場(chǎng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)基本一致的情況下，實(shí)測(cè)結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，這說(shuō)明風(fēng)洞試驗(yàn)的可靠性；6). 提出了用于超高層建筑模型抗風(fēng)試驗(yàn)的高頻底座力天平的動(dòng)力校準(zhǔn)方法；7). 總結(jié)建筑外形對(duì)超高層建筑橫風(fēng)向效應(yīng)的影響的基本規(guī)律，提出超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力的控制策略及其適用性條件；8). 提出反映建筑并列布置時(shí)側(cè)立面最大峰值風(fēng)壓干擾因子隨并列間距變化的高精度回歸關(guān)系式。 迄今為止發(fā)表論文11篇。 2100433B

低矮房屋在風(fēng)災(zāi)中破壞所造成的損失超過(guò)風(fēng)災(zāi)總損失的半數(shù)，改善建筑物外形是解決低矮房屋抗風(fēng)問(wèn)題的最有效途徑。通過(guò)對(duì)不同屋面坡腳的足尺低矮房屋風(fēng)荷載和近地風(fēng)特性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)，深入研究各種坡腳低矮房屋的風(fēng)荷載分布特征，并獲得沿海地區(qū)近地風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)特性；結(jié)合相同外形低矮房屋的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析影響低層建筑風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果精度的因素，改進(jìn)風(fēng)場(chǎng)模擬技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)方法；深入分析各種屋檐構(gòu)造特征（女兒墻、挑檐和檐口形狀等）對(duì)低矮房屋風(fēng)荷載的影響，提出有效的抗風(fēng)措施；研究屋面關(guān)鍵部位（角部、邊緣和屋脊）的脈動(dòng)壓力概率分布特性，提出峰值壓力的合理估算方法；在上述研究的基礎(chǔ)上，深入認(rèn)識(shí)低矮房屋的風(fēng)荷載作用機(jī)理和破壞機(jī)理，提出適合我國(guó)的低矮房屋抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，提高我國(guó)沿海強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū)低矮房屋的抗風(fēng)能力，顯著減輕風(fēng)災(zāi)損失。

強(qiáng)風(fēng)作用下超高建筑的風(fēng)效應(yīng)實(shí)測(cè)是風(fēng)工程非常重要的基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性工作。已有在超高建筑實(shí)測(cè)研究所取得的成果和結(jié)論還遠(yuǎn)不足以全面反映建筑風(fēng)效應(yīng)內(nèi)在特性的規(guī)律，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、風(fēng)場(chǎng)參數(shù)存在的不確定性以及風(fēng)洞模擬試驗(yàn)技術(shù)存在的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致模型試驗(yàn)的結(jié)果和原型的風(fēng)效應(yīng)之間存在一定的差別，因而會(huì)高估風(fēng)效應(yīng)而造成浪費(fèi)或低估風(fēng)效應(yīng)而導(dǎo)致不安全或居住者不舒適性?；诖耍岢霰卷?xiàng)目研究，針對(duì)我國(guó)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)不同體系的超高建筑，構(gòu)建基于GPRS的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用較短時(shí)間獲取量大和覆蓋面廣的結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用有效的分析方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取不同結(jié)構(gòu)體系建筑的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和氣動(dòng)荷載特征，同時(shí)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為修正風(fēng)洞試驗(yàn)方法和理論模型提供依據(jù)。通過(guò)本項(xiàng)目研究，進(jìn)一步加深對(duì)超高建筑抗風(fēng)研究中尚未解決的一些重要基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，為超大尺度的超高建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)支撐。