高层建筑结构雷电冲击模型建立及其求解方法研究

摘要

随着城市用地的减少和城市人口的不断增加，高层建筑不断涌现，然而高层建筑更容易成为雷击目标。因此为全面了解雷击后高层建筑物内的电磁暂态现象，本文建立了考虑高耸物体顶部和底部反射系数的雷电冲击电流数学模型，提出了基于有限元方法的求取建筑物钢筋结构体电流分布及建筑物内部空间位置的磁场分布的三维电磁耦合模型，提出了基于有限元的三维电-热耦合模型，并将建筑物模型简化为单根圆柱导体来分析其温度分布，对一个五层建筑物缩比模型的电流分布、磁场分布、温度分布及电动力效应进行了试验研究。
　　首先，研究了雷电回击的传输线模型表示的雷击高耸物体后的暂态行为，提出了集总电压源模型、分布电流源模型和诺顿等效电路模型表示的雷电通道及高耸物体中的雷电流的数学公式。仿真分析了用集总电压源模型和分布电流源模型表示的雷击平坦地面和雷击高耸物体的电流波形、高耸物体顶部和底部反射系数对电流波形的影响及高耸物体对首次和后续回击电流的影响。
　　其次，研究了雷击下高层建筑物的电流和磁场分布，建立了参数化的高层建筑物雷电冲击仿真模型，并用一个典型建筑物模型作为算例，对不同计算方法得出的结果进行了比较。提出同轴对称多回路导体测试结构，试验研究了五层建筑物缩比模型钢筋结构体电流分布，并测量了建筑物模型顶层、第四层和底层各六个空间位置点的磁感应强度，将试验研究结果与提出的电磁耦合模型仿真结果比较，发现两者电流分布吻合较好，而磁感应强度略有差别，但两者分布趋势相同。
　　最后，研究了高层建筑物的热效应和电动力效应，试验研究了五层建筑物缩比模型遭受相同幅值不同电荷量长冲击电流后的温度分布，试验结果与提出的基于有限元的电-热耦合模型仿真结果吻合，并仿真分析了长冲击电流幅值和转移电荷量与温升的关系，为解决此类问题提供了试验及理论依据。同时，试验研究了五层建筑物缩比模型受不同幅值的冲击电流作用下的破坏程度，结果表明冲击电流幅值虽大，但因其持续时间短不会对建筑物钢筋结构体造成破坏。

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第一章 绪论

1.1 课题的提出和意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.3 本文的研究内容和章节安排

第二章 雷击高耸物体的雷电流模型及仿真分析

2.1 雷电通道与高耸物体的相互作用

2.2 集总电压源模型

2.3 分布电流源模型

2.4 诺顿等效电路模型

2.5 集总电压源模型与分布电流源模型的仿真分析

2.6 高耸物体顶部及底部反射系数对电流波形的影响

2.7 高耸物体对首次和后续回击电流的影响

2.8 本章小结

第三章 高层建筑物钢筋结构体电流分布

3.1 高层建筑物雷电冲击模型建立

3.2 电流分布试验研究

3.3 结果对比与分析

3.4 本章小结

第四章 高层建筑物雷电防护系统内部磁场分布

4.1 建筑物缩比模型内部磁场分布试验

4.2 磁场分布仿真分析

4.3 结果对比与分析

4.4 本章小结

第五章 高层建筑物钢筋结构体的热效应及电动力效应

5.1 雷电放电过程中的热效应

5.2 短冲击电流在建筑物LPS中的热效应

5.3 长冲击电流热效应的试验研究

5.4 长冲击电流热效应仿真研究

5.5 雷直击建筑物的电动力效应

5.6 本章小结

第六章 结论

6.1 论文工作总结

6.2 主要创新点

6.3 需要进一步研究的工作

参考文献

攻读博士学位期间所取得的相关科研成果

致谢