超大型冷却塔动态风压实测与干扰效应风洞试验研究

本项目自2010年起，围绕了五个方面开展研究工作：1）动态风压传感器开发、调试及其现场安装介绍；2）大型双曲面冷却塔表面脉动风压分布特性研究；3）双曲圆截面冷却塔壁面粗糙度对其绕流动态特性影响；4）大型双曲面冷却塔风致振动耦合效应分析；5）大型双曲面冷却塔气弹模型风洞试验和响应特性研究。主要研究进展和成果汇总如下： 一、采用全天候动态风压采集设备，对徐州某电厂冷却塔（约166m 高）进行通风筒表面动、静态风压长期现场观测，校验现有的单塔平均风压雷诺数效应模拟标准，提出具有原创性的冷却塔超高雷诺数条件（Re≥10E7）脉动风压雷诺数效应模拟准则。在此基础之上，结合风洞试验方法研究多种典型群塔组合条件干扰效应及其机理，着重研究强风动力荷载作用下冷却塔风致灾变全过程物理和有限元模拟方法。 二、提出了双曲薄壳冷却塔气弹模型等效梁格设计方法，推导了梁格法冷却塔气弹模型缩尺刚度计算公式，建议了冷却塔缩尺模型模拟原型结构高雷诺数条件下表面绕流Reynolds数和Strouhal数效应修正和验证办法。设计加工1:200比例测压测振一体化的等效梁格冷却塔气弹模型，在同济大学TJ-3风洞中，进行了冷却塔单塔测振风洞试验，在模型频率、振型、气动力参数模拟，风振系数分布和试验易操作性方面均取得良好的较果，较好地避免了传统连续介质模型设计方法的不足。 三、结合全模态耦合CQC算法，对超大塔结构的风振响应进行了深入的探讨，研究了多种响应分量在子午向及环向断面上的数值大小及分布特征，表明结构共振响应在总体风振响应占主导地位。基于试验结果并结合数值算法探讨了自激力效应对于大型冷却塔表面风压和风振响应的影响，结果表明自激力对于表面平均风压的分布特性影响甚小、对脉动风压的分布和数值影响较大。 四、项目组参加国际合作与学术交流5次，完成国际学术会议报告共计7次。担任国际、国内学术组织要职2人次。发表标注本项目资助的国际论文约20篇，国内重要期刊论文28篇，其中SCI和EI收录28篇。 五、2012年申请获得国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”人材项目。获得2010年浙江省科学技术奖一等奖、2011年中国公路学会科学技术奖二等奖。申请国家发明专利1项、授权和申请实用新型专利1项、申请获得软件著作权3项。 六、项目执行期内共资助培养毕业研究生5名，其中2名研究生已经毕业，全部标注了本项目资助。 2100433B

我国冷却塔规范风荷载条款仍源自上世纪80年代原型冷却塔（90m高）实测资料，且仅规定了塔筒表面静态风压分布。事实上，超大型冷却塔（高度≥165m）风振问题与风荷载动态作用关系更加密切，由此导致了冷却塔物理和数学模型雷诺数效应模拟准则的不完整性，难于准确再现冷却塔表面动态风荷载与来流条件、塔群组合等参数间的合理关系，已成为制约超大型冷却塔抗风性能研究和结构设计的瓶颈。为此，拟采用全天候动态风压采集设备，对徐州某电厂冷却塔（约166m高）进行通风筒表面动、静态风压长期现场观测，校验现有的单塔平均风压雷诺数效应模拟标准，提出具有原创性的冷却塔超高雷诺数条件（Re≥10E7）脉动风压雷诺数效应模拟准则。在此基础之上，结合风洞试验方法研究多种典型群塔组合条件干扰效应及其机理，着重研究强风动力荷载作用下冷却塔风致灾变全过程物理和有限元模拟方法，再现并探究1965年英国渡桥电厂八座冷却塔风毁事故原因。

在基金项目（51278204）支持下对强风作用下超高层建筑风效应的实测和风洞试验开展系统性研究，研究包括以下方面：1). 针对我国强风地区不同体系的超高建筑，构建基于GPRS的远程实时同步监测系统，并利用该系统对建筑的风效应进行数年的持续观测；2). 研究风洞同步测压信号降噪的有效方法，分析现有信号参数识别的时、频域技术中存在的问题和可能的改进方法；3). 建筑结构风效应实测结果和相应风洞试验的对比；4).通过对测量信号的参数识别，研究结构模态参数随结构振动幅值变化的规律；5).建筑外形对超高层建筑横风效应影响及气动抗风措施；6). 不同宽度比和不同高度比的2个高层建筑间的风压干扰效应；7).完成4栋高度超过400m的超高层建筑的抗风研究试验，它们是：宁波城市之光主塔高451.5m，济南恒大国际金融中心高518m、南宁东盟塔高528m、合肥恒大中心高518m。项目的主要贡献在于以下几个方面： 1). 近6年来对位于珠江三角洲地区数栋建筑风效应的连续监测，遇见了和深圳地区10年重现期相当的最大风速，测到的最大峰值加速度仅为0.123m/s2，表明这些建筑的舒适度能够满足要求；2). 在对几类小波基降噪效果分析的基础上，发现symN小波是风洞测量风压时程信号预处理的最优小波基，通过调整其消失矩阶数可分别获得不同信噪比信号的最佳降噪效果；3). 提出了适合有色噪声激励参数识别、精度更高的改进贝叶斯谱密度方法；4). 对几栋超高层所历经几次台风过程测得信号进行参数识别，结果显示识别的不同风况结构自振频率变异性非常小，但基本上均高于设计阶段有限元数值分析的结果，且最大差别可达20%，而识别的阻尼比呈现离散性，且与已有研究的结论不同，识别的阻尼比和振动幅值不存在统计相关性；5).在风场和结构参数基本一致的情况下，实测结果和风洞试验结果具有良好的一致性，这说明风洞试验的可靠性；6). 提出了用于超高层建筑模型抗风试验的高频底座力天平的动力校准方法；7). 总结建筑外形对超高层建筑横风向效应的影响的基本规律，提出超高层建筑横风向气动力的控制策略及其适用性条件；8). 提出反映建筑并列布置时侧立面最大峰值风压干扰因子随并列间距变化的高精度回归关系式。 迄今为止发表论文11篇。 2100433B

低矮房屋在风灾中破坏所造成的损失超过风灾总损失的半数，改善建筑物外形是解决低矮房屋抗风问题的最有效途径。通过对不同屋面坡脚的足尺低矮房屋风荷载和近地风特性的现场实测及风洞试验，深入研究各种坡脚低矮房屋的风荷载分布特征，并获得沿海地区近地风场的平均风和脉动风特性；结合相同外形低矮房屋的现场实测数据和风洞试验结果进行对比，分析影响低层建筑风洞模型试验结果精度的因素，改进风场模拟技术和风洞试验方法；深入分析各种屋檐构造特征（女儿墙、挑檐和檐口形状等）对低矮房屋风荷载的影响，提出有效的抗风措施；研究屋面关键部位（角部、边缘和屋脊）的脉动压力概率分布特性，提出峰值压力的合理估算方法；在上述研究的基础上，深入认识低矮房屋的风荷载作用机理和破坏机理，提出适合我国的低矮房屋抗风设计方法，提高我国沿海强台风区低矮房屋的抗风能力，显著减轻风灾损失。

强风作用下超高建筑的风效应实测是风工程非常重要的基础性和长期性工作。已有在超高建筑实测研究所取得的成果和结论还远不足以全面反映建筑风效应内在特性的规律，结构动力学模型、风场参数存在的不确定性以及风洞模拟试验技术存在的问题会导致模型试验的结果和原型的风效应之间存在一定的差别，因而会高估风效应而造成浪费或低估风效应而导致不安全或居住者不舒适性。基于此，提出本项目研究，针对我国强风地区不同体系的超高建筑，构建基于GPRS的远程实时同步监测系统，用较短时间获取量大和覆盖面广的结构风致响应数据，采用有效的分析方法对实测数据进行分析，获取不同结构体系建筑的结构动力特性和气动荷载特征，同时将实测数据和模型的风洞试验结果进行对比分析，为修正风洞试验方法和理论模型提供依据。通过本项目研究，进一步加深对超高建筑抗风研究中尚未解决的一些重要基础性科学问题的认识，为超大尺度的超高建筑抗风设计提供重要的技术支撑。