复杂山地地形对高层建筑风荷载取值影响的研究*

摘要

现今随着社会经济的发展以及土木建筑技术的不断进步，中国正在进行着大规模的（超）高层建筑建设。在山地丘陵地区，山地地形会对大气风场产生加速效应。山体自身的坡度、高度、山体之间的遮挡间距以及来流风向等因素都影响风场的这种加速效应，并使风场变得复杂。高层建筑一般柔性低频，对风荷载极其敏感。本文采用大气边界层风洞试验与计算流体动力学数值模拟相结合的手段，研究复杂山地地形对高层建筑风荷载取值影响，为山地高层结构设计提供合理的风荷载参数。
　　本文在以往的研究成果基础之上，对两座余弦型单个山体进行了大气边界层风洞试验，考虑了加速效应沿山坡的详细分布，得到了迎风坡面、背风坡面以及侧风坡面平均风速和湍流度沿山坡的分布规律。同时采用计算流体动力学软件ANSYS Fluent对不同几何特征山地地形进行数值模拟，研究了山体高度、坡度、遮挡间距以及来流风向角等因素对加速效应的影响。数值模拟与风洞试验数据吻合良好。
　　对于单个山体，其加速效应最显著位置为山顶近地区域。迎风面、背风面从山脚的负加速效应逐步增长到山顶的最大加速效应，并以山腰位置为正负加速效应分界。山腰到山顶之间，迎风面背风面速度剖面几乎相同。侧风面的风速加速效应不可忽略，在某些位置甚至大于迎、背风面。本文同时还对不同山体坡度和高度工况拟合了修正系数以计算其影响。湍流度在山顶下风方向变化明显。通过风洞试验结果与主流国家规范山地风荷载取值进行对比发现，相对于中国、欧洲荷载规范，美国规范对山地地形建筑风荷载取值与风洞试验结果最为接近。
　　对于斜向来流风作用下山地地形，山体受干扰程度随来流风向角及山体间距的增大而减弱，但受扰山体的不同部位呈现不同的变化规律。受影响最小的部位是山顶以及山体外侧风面位置。在内侧风面某些位置风速加速比明显增大。本文还根据山地风场特性提出了山地建筑物选址建议。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 山地风场研究现状

1.3 本文主要工作

2 风的特性以及山地风场主要研究方法

2.1 大气边界层的风特性

2.2山地风场主要研究方法

2.3 本章小结

3 单个山体山地风场研究

3.1 单个山体风洞试验

3.2 RANS数值模拟研究

3.3 LES数值模拟研究

3.4 风洞试验与数值模拟结果分析对比

3.5 风洞试验结果与各国规范取值对比

3.6 本章小结

4 斜向来流风作用下山地风场特性

4.1 斜向来流风作用下山地风场数值模拟概况

4.2 斜向来流风作用下山地风场数值模拟结果

4.3 风荷载特性与建筑物选址建议

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要研究结论

5.2 存在的问题和研究工作展望

致谢

参考文献

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