龙卷风特殊风剖面及其荷载效应的多尺度模拟与数理模型

Tornado and its load effects have become one of the research hotspots in structural wind engineering field. However, due to the size restriction of the tornado simulators and the unrepeatability of the moving tornado center, current studies on tornado-induced wind loads are still qualitative. Moreover, deep investigations on the load effect mechanisms are extremely limited. The applied project is intended to focus on the mathematical models of tornado profile and its load effects from four aspects: (1) to generate tornado profile (including stationary and horizontally moving case) through the tornado simulator, followed by the profile reproduction using the newly-built multiple-fan actively-controlled wind tunnel in a larger geometry scale; (2) to clarify the key parameters in describing stationary and horizontally moving tornado profile and the main factors, and to establish the mathematical model for the profile; (3) Based on wind load measurement of cylinder structures with a smaller geometry scale in the tornado simulator, to quantify the contributions of the aerodynamic effects and pressure drop effects on load results; (4) to clarify the contributions of special profile effects, aerodynamic effects and transient shock effects on load results based on wind load tests of cylinder structures with a larger geometry scale in the newly-built multiple-fan actively-controlled wind tunnel and to conclude the mathematical model for wind loads caused by the special wind profile. The intended work will be helpful to form a new structural wind-resistant design framework that consider not only synoptic wind, but also non-synoptic one like tornadoes.

龙卷风及其荷载作用已成为当前结构抗风研究的重点和热点，而由于龙卷风物理模拟装置尺寸受限，且模拟龙卷风涡核中心飘移不定难以再现，导致目前对龙卷风荷载的研究仍停留在定性阶段，对其荷载作用机理的深入研究也十分有限。本申请项目通过龙卷风模拟装置和多风扇主动控制风洞结合充分发挥两者优势，实现采用不同缩尺比的龙卷风气流的特殊剖面及其瞬态移动等物理特征的模拟再现；明确描述特殊剖面及其瞬态移动作用的关键参数和主要影响因素，建立稳态和移动龙卷风特殊剖面数理模型；利用龙卷风模拟装置开展小缩尺比结构风荷载识别试验，揭示空气动力作用和气压降对结构风荷载的作用规律；结合多风扇主动控制风洞开展大缩尺比结构在特殊剖面作用下的风荷载实验结果，进一步提出特殊剖面、表面绕流和瞬态冲击三类空气动力作用机制，以及龙卷风特殊剖面作用下结构风荷载数理模型，为建立考虑龙卷风等特殊风灾气候作用的结构抗风设计研究框架体系提供理论依据。

近年来，我国龙卷风等极端风灾气候频发，但目前针对龙卷风关键致灾因子及其结构致灾机制的研究还很少。本项目针对特殊风剖面这一龙卷风致灾参数开展风场参数与高层建筑风荷载多尺度模拟，提出高层建筑特殊风剖面作用风荷载等效模型，可为结构抗龙卷风设计提供参考。具体的研究内容与重要结果包括：（1）龙卷风特殊风剖面多尺度模拟与模型研究：利用龙卷风模拟器研究了龙卷风三维风场特性，建立了考虑不同龙卷风参数的特殊风剖面数理模型，提出了基于多风扇主动控制风洞的龙卷风特殊风剖面模拟方法。其中，龙卷风剖面可采用Vicroy模型公式表达，且高涡流比的形状参数结果与Vicroy推荐值接近；涡核半径处的切向风速湍流度稳定保持在10%~20%之间，且沿高度基本不变。利用多风扇主动控制风洞和谱修正方法，可获得满足特殊风剖面要求的平均风速和湍流度剖面。（2）龙卷风作用高层建筑结构风荷载模拟研究：利用龙卷风模拟器研究了1:500矩形高层建筑龙卷风荷载模式及主要参数影响规律，发现了龙卷风与常规风作用下荷载模式差别。其中，表面风压最不利值发生于底部角隅，环向风压分布受涡核漂移影响明显；整体风力系数最不利值出现在涡核半径处，而整体水平合力作用点的位置不随龙卷风中心距离发生改变。（3）龙卷风剖面作用高层建筑风荷载模型研究：利用多风扇主动控制风洞研究了1:500矩形高层建筑在龙卷风特殊风剖面和常规边界层剖面两类风场下的风荷载模式差异，构建了特殊风剖面高层建筑风荷载等效模型。其中，龙卷风风剖面作用下，迎风面风压最不利位置显著低于边界层的结果，整体风力系数均值和极值均比边界层结果小。结构整体风荷载风剖面修正系数在0.9-1.0之间，顺风向层间风荷载风剖面修正系数在0.8-1.0之间，横风向层间风荷载风剖面修正系数可达1.2。本研究提出的龙卷风风场数理模型和风荷载等效模型具有较好的工程实用性，对于填补目前国内外风荷载规范针对龙卷风等特殊风灾气流作用的空白具有重要的参考价值，而建立的结合龙卷风模拟器和多风扇主动控制风洞的非常规致灾强风风场特征的多尺度模拟方法，为进一步开展研究特殊风灾气流结构风荷载效应提供了可靠的试验技术手段。