高层建筑风致振动耦合效应的数值模拟与试验研究

将综合运用数值模拟、风洞试验和现场实测方法，基于通用的计算流体动力学（CFD）和有限元商业软件平台，开展超高层建筑物的风荷载及风致流固耦合振动研究。首先，构建以脉动风和大涡模拟（LES）为核心、可并行计算的、高效率的流固耦合计算平台；然后，针对标准高层建筑模型的刚性模型进行数值模拟和测压试验研究，精确模拟平均和脉动风荷载；然后，采用流固耦合计算平台模拟标准高层建筑的气弹模型在不同折减风速下的位移，同风洞试验测振结果比较来验证该数值仿真平台研究流固耦合问题的可行性；最后，选择经常遭受强/台风的东南沿海某实际超高层建筑，将数值模拟得到结构响应和现场实测结果进行对比分析，给出该仿真平台应用于实际工程的合理化建议。本项目研究成果可为实际工程中超高层建筑的舒适性和结构抗风设计提供技术平台，同时可以应用于土木工程其它柔性结构或构件的流固耦合问题，具有重要的学术意义和广阔的工程应用前景。

在严格遵守项目计划的前提下，课题组针对超高层建筑风致耦合振动这一问题，通过现场实测、CFD数值模拟和风洞实验相结合的研究方法开展了系统、深入研究。目前，已圆满完成了各项既定研究内容，取得了系列创造性研究成果，并完全满足项目结题验收要求。. 1、研究CFD数值模拟中湍流来流边界的实现方法，根据平均风剖面和脉动风速谱，利用线性滤波法中的自回归（Auto-Regressive, AR）模型来生成人工脉动风，并将生成脉动风进行无散修正（divergence free）以满足连续性方程，并将修正后的风速用UDF加入到CFD计算的来流入口，通过单圆柱的绕流结果揭示出流场的脉动特性。. 2、将实现的脉动风来流边界应用于实际工程结构，建立具有模拟真实大气边界层环境的3D数值风洞技术，基于该数值风洞技术预测超高层建筑表面的平均风压和脉动风压，并与风洞实验结果进行比较；达到精确预测超高层建筑表面风荷载的目的，为超高层风致振动耦合效应的数值模拟研究奠定基础。. 3、进一步对超高层建筑的平均风致流固耦合振动进行数值模拟，并与常态风和台风作用下该超高层建筑的现场实测结果进行对比，重点分析了结构的振动响应和气动力随高度和时间的变化规律，通过不同高度处的旋涡脱落分析结构振动对流场的影响。. 4、研究了三维柱体结构的脉动风致振动耦合效应，基于ANSYS的Workbench平台实现了风场与柱体结构双向流固耦合振动的数值模拟，采用LES湍流模型，分析了结构表面风压分布、流场涡脱模式及结构的振动位移特性；进一步研究了湍流来流对流固耦合作用的影响和耦合效应对结构气动力特性的影响。. 5、以高度在400m量级的超高层建筑为研究对象，设计制作了正方形截面气弹模型并进行了详细的风洞实验研究，通过测量得到了不同风向和不同折减风速下结构顶部加速度时程响应和尾流的风速特性，成功地在实验中再现了横风向涡激共振这一典型的风致振动耦合现象。