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动风荷载效应:研究新前沿

  四月二十二日,应李惠教授邀请,美国圣母大学Nathaz实验室Ahsan  Kareem教授在土木工程学院做《动风荷载效应:研究新前沿》的学术报告。报告分为两部分,风工程研究和风工程学术共同体建设。简要列表如下:

  • 风工程研究

    1. 简介

    2.   由于高楼、大跨度桥梁和深海石油钻井平台的修建,现有的风工程理论受到了实践带来的种种挑战,在如下四个领域中,新问题不断涌现:

      1. 风环境测量
      2. 风与结构相互作用
      3. 结构静力和动力响应
      4. 结构校核

    3. 需要考虑的因素

      1. 风荷载不再是平稳随机过程
      2. 随着跨海桥梁的兴建,在水平风剖面上不再具有均匀性
      3. 柔性结构和大跨度悬索使风荷载也能够使结构产生几何非线性。
      4. 大量的观测表明,风荷载不能视为高斯随机过程。
      5. 大跨度桥梁、高层建筑表现出的结构气动特性(aerodynamic)。
      6. 湍流
      7. 垂直方向风荷载的耦合效应
        针对垂直方向的耦合效应,得克萨斯技术大学陈新中教授和Ahsan Kareem教授于2003年[1]提出了求等效风荷载的框架、进行了风洞试验,提出了高频力平衡测量方法。

    4. 新的研究工具

      1. University of Miyazaki99向风洞。
      2. 一些小型的能够模拟龙卷风的工具 Down Burst Flop。
      3. 在芝加哥、波士顿、迪拜和汉城的高楼上安装加速度传感器、风速仪和GPS定位系统。
      4. 名为SmartSync的无线网络检测系统。
      5. 在休斯敦所遭遇的一场飓风中,一座高楼的某一立面门窗发生损坏,使用Fluent模拟它的局部风环境。
      6. Kijewski博士在Kareem教授指导下,使用小波方法研究结构 风致振动,以及Bashor先生的数据挖掘工作。
      7. 阵风前沿模拟[2]
    5. 人体舒适度的细化研究和提高方法

      • 细化研究
      •   从人体生理学的角度研究人真正敏感的风致振动指标什么。
      • 使用Sloshing Slamming Analogy研究LMD的减振机理
      • 结构立面的概念设计
      •   这一部分Kareem教授展示了许多手绘结构概念设计草图,展现了他作为结构工程师的良好素养。这样清晰明确的手绘草图,上一次见还是张耀春教授的讲义了。前辈人物年轻时,没有这么方便的计算机辅助设计系统,然后概念清晰、胸有成竹。令吾辈景仰。
  • 学术共同体建设

    1. Vortex-winds.org

    2.   Vortex-wind(Vitual Organization to Reduce the Toll of Extreme Wind,自从爱国者法案之后,这种缩写拼单词的手段越发流行了。其实很多都用词不当,比如这个Toll,圣经用过的词只有圣经意思。其实如果真能大行其道,缩写成单词数不胜数。比如Laser就是极好的例子,NEES也快成了)是圣母大学NatHaz实验室牵头、国际五家学术机构共建的网站,网址为www.vortex-winds.org。它的目标是将研究运用于设计。为此进行了数据库建设、计算流体力学服务器建设、以及在线Gust Front模拟。

      1. 按照地区划分的风荷载数据库
      2. 各种结构阻尼矩阵数据库。
      3. 各种结构体型系数和在线计算流体力学计算。
      4. Gust Front的在线模拟。
        估计经过刻苦努力,能够发展成类似OpenSee的系统,想要提高论文引用率的先生们,快去编模块啊。

    3. Cyber Eye

    4.   Katrina飓风之后,根据卫星图片进行损失状况的快速评估成了计算机图形学和图像处理的热点。这方面的工作、算法极多。但是Kareem教授加入了BIM和FEM的知识。他利用海地大地震前后,总统府的对比图片进行结构建模。并且以此为基础,联合了一票组织,设立了Cyber Eye这个科研组织。在热点问题中做出新意,正是高手手段。

    5. 风工程信息基础设施

    6.   这个听着像NEES,又有点Wiki的调调。但是风洞中的子结构方法不研究成型,在线风洞实验这最关键的一环没有,参与者的热情就不会高。一旦能够在自己办公室里用别人的风洞,研究者们的脑子就会飞快地旋转起来,各个学术机构才会舍得投资。像开源软件GNU那样的体系,没有强大的利益驱动,是不行的。其实有一种技术叫三维印刷、如何在线生成风洞模型,正需研究。

参考文献

  1. Xinzhong Chen and Ahsan Kareem.Coupled Dynamic Analysis and Equivalent Static Wind Loads on Buildings with Three-Dimensional Modes.Jounal of Structural Engineering July 2005 1071-1082
  2. Kyle Bulter,Shuyang Cao et al.Surface pressure and wind load characteristics on prisms immersed in a simulated transient gust front flow field. Jounal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 98(2010) 299-316

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