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雷暴冲击风是雷暴天气产生的从中心向外围扩散的强下沉气流,短时间内产生瞬态强风,引起极高的近地面风速,造成了国内外大量结构物的破坏,其已成为国际上强风荷载研究领域的热点问题。目前对于稳态雷暴冲击风的风场特性已有较为全面的认识,而对于运动雷暴冲击风的风场及其对建筑物的作用的研究还非常少。本文主要采用冲击风风洞试验和数值模拟方法对运动冲击风进行了研究。
运动雷暴冲击风是一种非稳态风场。本文基于采用壁面射流试验装置获得的运动冲击风流场试验数据,分析了冲击风射流速度、运动速度、射流高度、射流倾角对水平风速时程的影响,提出了现象模型,该模型可被用于获得在不同的冲击风参数下的风速时程。然后,选择多个文献给出的不同冲击风水平风速横廓线模型,并结合矢量合成方法获得水平风速时程,并与该现象模型结果进行对比。
根据壁面射流模型,通过Fluent动网格技术模拟了运动雷暴冲击风,冲击风被模拟成气流从一个圆形射流口喷出,冲击到一块平板上。分析了运动冲击风作用下大跨屋盖、高层结构在冲击风运动了不同的距离后表面的风压分布,并与稳态冲击风作用下的风压分布作了对比。通过改变冲击风的射流速度、运动速度来研究各测点的风压时程变化曲线,并分析了风压系数、升力系数、阻力系数等随运动速度、射流风速的变化。
基于前面模拟的冲击风作用下结构表面的风压时程,对大跨及高层结构进行了结构响应时程分析,获得了雷暴冲击风作用下结构的位移、加速度时程。给出了“动态位移放大系数”的定义,分析了动态位移放大系数随结构频率的变化及射流风速、运动速度对动态位移放大系数的影响。引入了“冲击风因子”来将冲击风作用下的设计荷载与边界层风下设计标准、规范或风洞试验给出的设计荷载联系起来。分析了冲击风因子随结构自振基频的变化,分析了雷暴冲击风参数(射流速度、运动速度)对雷暴冲击风因子的影响。