超高层建筑结构具有柔度大、质量轻、自振周期长以及阻尼比小等特点,随着高度的增加风荷载逐渐成为控制超高层建筑结构安全性和舒适性的控制性荷载。超高层建筑的不断涌现促进了国内外结构风工程学科的研究和发展,而数值模拟作为结构风工程的主要研究方法之一受到越来越多研究人员的关注。当今超高层建筑结构抗风设计对数值模拟提出了更高的要求,设计人员希望能够通过数值模拟准确分析建筑表面的风压分布以及风振响应,大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)作为非定常的数值模拟方法逐渐成为了计算风工程(Computational Wind Engineering,CWE)的研究热点。本文主要对大涡模拟的理论和数值模拟技术进行研究,并把该项技术应用到高层建筑绕流分析中,以探索出一种高效率、高精度的结构抗风数值模拟方法。本文主要有以下几个方面的内容:(1)大涡模拟基本理论和方法的研究。本文首先对大涡模拟的关键问题——入口湍流生成方法进行研究。基于湍流合成方法(Random Flow Generation,RFG)在前人基础上进行了改进,提出了一种新的改进的湍流入口生成方法——窄带叠加法(Narrowband Synthetic Random Flow Generator,NSRFG),并采用数值模拟对该方法进行了检验,以验证该方法的适用性和有效性。基于新的LES入流湍流生成方法,搭建本文整体研究框架,包括标准建筑模型的数值模拟、超高层建筑工程案例的模拟研究、以及不同锥度楔形建筑模型结构风效应的参数比较研究等,以及在这些研究中所采用的风荷载和风振响应数据的处理和分析方法等。(2)CAARC(Common wealth Advisory Aeronautical Research Council)标准建筑模型绕流的数值模拟研究。基于本文提出的窄带叠加法对CAARC标准建筑模型进行了大涡模拟研究,并把模拟结果与华南理工大学风洞试验结果进行了详细比较。通过二者风压分布和风振响应计算结果的对比,验证了本文数值模拟方法的有效性和适用性。同时,与国际上新提出的CDRFG(Consistent discrete random flow generation)方法进行了横向比较,表明NSRFG方法具有计算效率更高、结果更准确的优势。(3)南宁五象东盟塔风振响应的大涡模拟研究。以高度为528m的南宁五象东盟塔为工程案例,采用本文提出的窄带叠加法(NSRFG)对其进行了大涡模拟研究和风振响应分析,计算了该结构的基底荷载和位移响应,并把数值风洞模拟结果与高频天平测力(HFFB)风洞试验结果进行详细对比。结果表明,虽然数值模拟结果与风洞试验结果存在一定差距,但二者基本规律保持一致,并且本文的数值模拟结果较好地预测了与实验结果相近的建筑绕流漩涡脱落频率,能为结构初步设计提供有价值的参考。(4)强风作用下楔形外形超高层建筑风效应大涡模拟研究。采用本文提出的NSRFG方法对四种不同锥度的楔形外形建筑模型进行了建筑结构风效应的大涡模拟对比研究,以比较不同锥度给高层建筑模型的结构风荷载和风振响应带来的差异。数值模拟的研究结果表明,虽然在不同锥度下建筑模型平均风压和脉动风压的分布规律相似,但在结构风振响应方面,结构横风向的峰值基底弯矩响应是随模型锥度增大显著而减少的,表明采用自下至上逐渐收缩和适当锥度的建筑体形能够有效地减小结构横风向的气动荷载以及风致响应;经过对数值模拟结果和风洞试验的结果比较后发现二者变化规律基本一致,由此表明基于本文改进的入口湍流生成技术,大涡模拟可以达到较高的精度,进而能够实现对超高层建筑气动外形进行优化设计研究。