本书是国家自然科学基金重大研究计划“重大工程的动力灾变”集成项目“重大建筑与桥梁强/台风灾变的集成研究”的研究工作总结。全书共十章,内容主要包括强/台风风场时空特性数据库和模拟模型、台风气候结构抗风设计风速数值模拟、非平稳和非定常气动力模型与识别、三维气动力CFD数值识别与高雷诺数效应、结构风效应全过程精细化数值模拟、结构风致振动多尺度模拟与实测验证、结构风致灾变机理与控制措施等。
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前言
第1章概述1
1.1重大建筑与桥梁1
1.1.1超大跨桥梁需求1
1.1.2超高层建筑需求2
1.1.3超大空间结构需求3
1.2强/台风灾变研究4
1.2.1强/台风致灾模型5
1.2.2登陆台风非平稳和非定常特性6
1.2.3重大建筑与桥梁灾变机理和控制6
1.2.4重大建筑与桥梁风效应全过程精细化模拟7
1.2.5重大建筑与桥梁风振多尺度模拟与验证8
1.3研究现状与展望8
1.3.1强/台风边界层风场时空特性、效应模拟与预测模型9
1.3.2登陆台风非平稳、非定常结构气动力特性与数学模型10
1.3.3重大建筑与桥梁风致灾变机理、控制措施与原理12
1.3.4重大建筑与桥梁风效应全过程精细化数值模拟与可视化15
1.3.5重大建筑与桥梁风致振动多尺度物理模拟与验证16
1.4科学意义与作用17
参考文献18
第2章集成研究23
2.1关键科学问题23
2.2科学研究内容25
2.2.1强/台风风场时空特性数据库和模拟模型26
2.2.2非平稳、非定常气动力模型与识别26
2.2.3三维气动力CFD数值识别与高雷诺数效应27
2.2.4结构风效应全过程精细化数值模拟28
2.2.5结构风致振动多尺度模拟与实测验证29
2.2.6结构风致灾变机理与控制措施30
2.3科学研究目标31
2.3.1强/台风风场时空特性数据库和模拟模型32
2.3.2结构气动力数学模型与识别32
2.3.3三维气动力CFD数值识别与高雷诺数效应32
2.3.4结构风效应全过程精细化数值模拟32
2.3.5结构风致振动多尺度模拟与实测验证33
2.3.6结构风致灾变机理与控制措施33
2.4课题设置情况33
第3章强/台风风场时空特性数据库和模拟模型35
3.1强/台风风场三维时空特性分析35
3.1.1《台风涡旋测风数据判别规范》36
3.1.2台风风况三维时空特性分析38
3.2强/台风风场时空特性数据库57
3.2.1登陆台风实地实测数据库58
3.2.2台风数据库查询系统59
3.3强/台风风场时空效应数值模拟61
3.3.1台风过程风速的随机数值模拟61
3.3.2台风眼壁强风关键风工程参数的数学拟合85
3.3.3台风脉动风速谱模型93
参考文献122
第4章台风气候结构抗风设计风速数值模拟124
4.1随机台风模型与数值模拟分析124
4.1.1台风风场解析模型124
4.1.2台风风场关键参数取值125
4.1.3台风数值模型的实测验证127
4.2中国沿海受台风影响地区风速分布131
4.2.1台风影响统计131
4.2.2台风气候模式风速分布特征131
4.3基于工程应用的强/台风风场精细化预测模型134
4.3.1工程台风风场精细化模拟134
4.3.2工程台风风场精细化预测模型的建立135
4.3.3历史台风个例模拟137
4.3.4目标台风路径模拟140
4.3.5目标台风强度模拟141
4.3.6精细风场动力降尺度142
4.3.7基于实测数据的同步订正技术145
参考文献150
第5章非平稳和非定常气动力模型与识别151
5.1典型桥梁断面抖振力和涡激力理论模型151
5.1.1非定常抖振力模型及其空间相关性151
5.1.2非线性涡激力模型及其参数识别方法161
5.1.3高紊流和非平稳气动静力作用效应168
5.2超高层建筑风力、气动阻尼和风致响应及等效静力风荷载169
5.2.1建筑表面风压和气动阻尼及等效静力风荷载170
5.2.2建筑模型风洞试验的阻塞效应和雷诺数效应180
5.3大跨度屋盖结构风荷载雷诺数效应及其敏感性187
5.3.1曲面屋盖结构的雷诺数效应187
5.3.2大跨空间结构设计风荷载概率性方法196
参考文献209
第6章三维气动力CFD数值识别与高雷诺数效应211
6.1典型桥梁断面三维气动力模型参数的数值识别211
6.1.1二维和三维桥梁气动力CFD数值识别211
6.1.2高雷诺数效应的物理和数值模拟229
6.1.3斜拉桥拉索风雨振多尺度数值模拟242
6.2边界层风场及超高层建筑风效应的数值模拟250
6.2.1超高层建筑风荷载及气弹效应的数值模拟251
6.2.2大涡模拟中的入口湍流风场生成方法254
6.2.3超高层建筑龙卷风效应的数值模拟255
6.3薄膜结构流固耦合振动全过程数值模拟255
6.3.1膜结构流固耦合全过程精细化数值模拟256
6.3.2ETFE气枕式膜结构流固耦合特性274
参考文献292
第7章结构风效应全过程精细化数值模拟294
7.1超大跨桥梁风速全过程响应的数值模拟平台294
7.1.1桥梁结构风致振动精细化数值模拟294
7.1.2桥梁结构静风稳定与风致振动耦合数值分析314
7.2考虑非定常风荷载和气弹效应的超高层建筑数值模拟平台332
7.2.1超高层建筑抗风模拟软件332
7.2.2非定常风荷载和气弹效应数值模拟333
7.3大跨度屋盖结构抗风的数值模拟平台341
参考文献348
第8章结构风致振动多尺度模拟与实测验证350
8.1超大跨桥梁风致振动多尺度模拟与验证350
8.1.1桥梁结构风致振动多尺度物理模拟与实测验证350
8.1.2基于机器学习算法的大跨度桥梁风致振动实测特征识别355
8.2超高层建筑风致行为多尺度模拟与验证358
8.2.1强风作用下超高层建筑风致响应的现场实测与验证359
8.2.2超高层建筑结构动力特性的现场实测与验证372
8.2.3超高层建筑风效应的风洞试验与现场实测验证375
8.2.4现场实测方法与实测数据处理方法380
8.2.5台风登陆过程追风房实测研究386
8.3超大空间结构风致振动多尺度模拟与验证387
8.3.1大跨度屋盖风效应的现场实测与验证388
8.3.2开敞式伞形膜结构风效应的现场实测401
参考文献412
第9章结构风致灾变机理与控制措施414
9.1桥梁结构风致灾变气动控制措施与原理415
9.1.1加劲梁颤振灾变与主动控制415
9.1.2加劲梁颤振及涡激共振的被动气动控制423
9.2悬索桥多阶模态涡激共振与控制431
9.2.1悬索桥加劲梁多阶模态涡振试验研究431
9.2.2悬索桥加劲梁高阶模态涡振的MTMD控制434
9.3桥梁吊索风致振动及其控制438
9.3.1超长吊索尾流驰振减振措施438
9.3.2拱桥刚性吊杆减振措施448
9.3.3悬索桥桥塔尾流致吊索大幅度风致振动453
9.4悬索桥分离式双箱梁涡激振动细观机理462
9.4.1节段模型风洞试验462
9.4.2涡激振动特征465
9.4.3涡激振动旋涡脱落特征469
9.4.4涡激振动细观机理472
9.5钝体结构风振的被动吹气流动控制472
9.5.1风洞试验473
9.5.2数值模拟478
9.5.3气孔数量的控制效果483
9.6超高层建筑风载优化的风洞试验研究488
9.7张拉膜结构气弹失稳机理研究494
9.7.1膜结构气弹模型风洞试验494
9.7.2张拉膜结构气弹失稳机理分析502
9.7.3考虑气弹失稳的张拉膜结构抗风设计505
参考文献509
第10章总结与展望512
10.1研究成果与创新512
10.1.1强/台风风场时空特性数据库和模拟模型512
10.1.2非平稳、非定常和非线性气动力模型与识别515
10.1.3三维气动力CFD数值识别与高雷诺数效应519
10.1.4结构风效应全过程精细化数值模拟521
10.1.5结构风致振动多尺度模拟与实测验证524
10.1.6结构风致灾变机理与控制措施527
10.1.7重大建筑与桥梁结构强/台风灾变模拟集成531
10.2研究进展与趋势533
10.2.1强/台风边界层风场时空特性、效应模拟与预测模型533
10.2.2结构非平稳、非定常结构气动力534
10.2.3重大建筑与桥梁风致灾变控制措施与原理541
10.2.4重大建筑与桥梁风效应全过程精细化数值模拟与可视化545
10.2.5重大建筑与桥梁风致振动多尺度物理模拟与验证546
10.3发展态势与展望549
10.3.1自然风特性研究发展态势549
10.3.2大跨度桥梁风效应机理和理论研究发展态势552
10.3.3超高层建筑风效应机理和理论研究发展态势556
10.3.4大跨度空间结构风效应和机理研究发展态势557
10.3.5结构风效应和机理的计算流体力学方法研究态势559
10.3.6结构风效应分析理论和风洞试验方法的现场实测验证研究态势559
10.3.7结构风工程研究风洞试验装备发展态势560
10.4研究不足与需求561
10.4.1研究不足561
10.4.2战略需求563
10.4.3未来研究563
参考文献564
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