起伏地形下复杂形体大跨网格结构风压与等效静风荷载数值模拟

以大跨空间建筑结构实际工程为对象,数值模拟分析复杂形体大跨网格结构在起伏地形下的风压分布、风载体型系数和等效静风荷载.运用Fluent软件计算不同风向角下的结构风载体型系数,发现风向角对结构风载体型系数影响较大.基于谐波叠加法模拟生成风速时程并转化为风压时程,采用ANSYS软件建立结构有限元模型,施加模拟所得的风压时程和风载体型系数,分析结构风致动力效应.定义风振动力放大因子以考虑共振响应的影响,并将其与特定时刻的瞬时风压分布相结合以形成结构的等效静风荷载.数值计算分析了基于基底竖向反力最小值的等效静风荷载及其分布.     

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载参数分析

等效静风荷载是描述大跨空间结构动力风荷载的有效方式。运用Ansys软件进行结构风致响应时程分析,进而研究大跨双坡屋盖结构等效静风荷载。针对风向角、屋面坡度、结构高度和跨度等参数,系统性开展双坡屋盖结构的等效静风荷载的参数分析,为工程设计提供参考依据。研究表明,在0°风向角下,屋盖结构等效静风荷载值最大;随着风向角增大,结构的等效静风荷载减小;随着结构高度和跨度的增加,结构等效静风荷载增大,且其分布发生变化;屋面坡度对于结构等效静风荷载的影响较为复杂,适当增大屋面坡度对结构抗风有利。     

大跨双坡屋盖结构等效静风荷载研究与参数分析

等效静风荷载是描述大跨空间结构动力风荷载的有效方式。运用Ansys软件进行结构风致响应时程分析,进而研究大跨双坡屋盖结构等效静风荷载。针对风向角、屋面坡度、结构高度和跨度等参数,系统性开展双坡屋盖结构的等效静风荷载的参数分析,为工程设计提供参考依据。研究表明,在0°风向角下屋盖结构等效静风荷载值最大;随着风向角增大,结构的等效静风荷载减小;随着结构高度和跨度的增加,结构等效静风荷载增大,且其分布发生变化;屋面坡度对于结构等效静风荷载的影响较为复杂,适当增大屋面坡度对结构抗风有利。     

基于风洞试验的大跨航站楼屋盖风振响应分析

大跨屋盖结构对风荷载十分敏感,但尚无统一的规范计算方法。因此,对某机场航站楼进行了刚性模型测压风洞试验,得到大跨航站楼屋盖表面的平均、脉动风压系数。对其分布特性进行了研究,并讨论了周边建筑对结构表面风压分布的影响。对屋盖进行了风振响应时程分析,得到了脉动风荷载作用下此类大跨度屋盖在各个风向角的响应规律。结果表明,屋盖各区域的最不利风向角是各自的迎风角度;上游周边建筑对屋盖有遮挡效应,会减小屋盖表面的平均风压;屋盖开洞周边的风振响应较大;为该类结构抗风设计提供了参考。     

架空碟形空间结构风场数值模拟和抗风优化

基于计算流体动力学方法,利用FLUENT软件对架空碟形空间结构的风场绕流特性和表面风压分布进行数值模拟,获得不同风向角下结构风压分布,分析了支撑柱高度、上碟面和下碟面矢跨比对风载体型系数分布和结构风致整体合力的影响.结果表明,支撑柱高度的选择既要有利于空气泄流,又要防止因高度过高引起风致整体合力的增大.研究发现,随着上下碟面矢跨比增加,迎风面正风压显著增大,背风面涡旋作用更加明显,结构风致整体合力呈增大趋势,碟面扁平化可明显改善结构抗风特性.给出的架空碟形空间结构抗风优化建议,可为该类结构抗风设计提供参考.     

强/台风作用下大跨空间索桁体系现场风压风振实测研究

为保证我国东南沿海地区大跨预应力柔性体系的抗风安全性,并为规范规程的进一步修订做准备,建筑工程学院针对强/台风多发地区实际、典型大跨空间索桁体系-乐清"弯月"体育场,进行现场风压风振实测,以获得足尺结构在真实建筑风环境下的风荷载和风致效应.一方面,这是研究大跨柔性体系强/台风作用下的风荷载特性、风致效应及机理最为直接和有效的手段,测试数据最具有科学研究和实际应用价值.另一方面,亦是深入研究其在强/台风作用下结构抗风设计实用方法的基础.若能取得创新性成果,可显著提升我国大跨预应力柔性体系的抗风设计研究水平.     

轻钢屋面自攻钉节点在台风作用下时变可靠度研究

为建立台风作用下自攻钉节点灾后性能评估办法,首先基于风洞试验的屋面时程风压系数数据,结合模拟台风的风速和风向信息,利用雨流分析法计算台风过境期间的屋面风压系数矩阵,进而用于不同风速下的节点抗力退化模型计算.其次,结合台风荷载模型,采用蒙特卡罗模拟方法,获得沿海城市自攻钉节点的时变可靠度指标,从而实现基于概率的自攻钉节点抗风性能评估.此外,根据模拟台风方法给出模拟台风的风速及风向的解析解,同时得到了台风致自攻钉节点抗力退化数学模型.通过算例分析得出考虑自攻钉节点的台风致抗力退化会使其可靠度显著下降.在对轻钢屋面自攻钉节点进行可靠度评估时,按照我国规范中的目标可靠指标较为保守.     

大跨扁球壳屋面结构风荷载试验与力学分析

以圆形扁壳型大跨屋面为具体研究对象,进行了刚性模型风洞测压试验,得到了六种典型风向角下的平均脉动风压体型系数变化规律和体型系数的计算方法,并用MIDAS/GEN软件对屋面的风压场进行了结构节点挠度和截面内力变化的受力分析.对典型扁壳刚屋面力学形体与风压分布之间变化规律进行量化分析,计算结果与风洞试验数据符合较好.不同工况下扁壳型结构力学形体受力特点及结构特性的风振研究分析,为球壳结构抗风设计提供了力学分析的理论依据.     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

多层冷弯薄壁型钢结构房屋风致响应试验

多层冷弯薄壁型钢结构房屋属于风敏感结构,为研究基本风压及风向角等因素对该结构房屋风致响应的影响,对某4层房屋缩尺气弹性模型进行了风洞试验。结果表明：随风向角增加,顶层侧移先增大后减小,风向角为90°时又增大,且为横风向振动所致,但仅当风压达到1.18 kN/m²后顶层侧移才超限,在风向角为45°时各层层间侧移均超限;随风向角增加,加速度先减小后增大,在0°和90°时来流引起的横风向振动对加速度影响明显,当基本风压大于0.6 kN/m²时,建议采用增加阻尼等措施减小加速度过大带来的振动问题;随偏角增加加速度呈非线性变化,功率谱中高阶振型贡献明显,在风致加速度响应计算中应对高阶振动给予更多考虑,且自振频率应避开加速度峰值段的频率。     

大跨屋盖风载特性风洞试验研究

对基于缩尺比为1:250某大跨建筑在B类地貌下进行了25个不同风向角下的刚性模型测压试验,分析了屋盖结构表面风荷载特性.试验结果表明:全风向角下,屋盖表面均受风吸力作用且各升力系数随风向角变化趋势一致;来流下游区域屋檐受再附剪切层和尾流的影响,受脉动风压与负压较强;45°风向角下脉动与极值风压系数最大值大于其他风向角,为最不利风向角.     

伞形膜结构风压和风振模拟与分析

针对工程常见的八角伞形膜结构,基于ADINA软件开展结构表面风压和结构风振响应的数值模拟,分析结构风致位移响应、速度响应、加速度响应、等效应力等关键风效应,研究膜结构的矢跨比、风向角、膜初始预张力、膜帽处开敞与封闭情形等关键参数对表面风压和结构风振的影响规律,揭示了此类膜结构风振规律和结构风压系数.研究成果可为此类结构的抗风设计计算提供参考.     

低层双坡屋面风压标准k-ε模型模拟研究

基于fluent 6.3标准k-ε模型对我国沿海地区常见的低层双坡房屋屋面表面风压进行数值模拟,研究了不同风向角(α=0°,45°,90°)、不同屋面坡角(H=0°,18°,34°,45°)、有无挑檐3种因素影响下屋面的风压分布情况。结果表明:各参数对屋面风压的影响程度不同,风向角决定了屋面风压的整体布局,坡角对屋面风压分布的影响是整体性的,挑檐则只有局部性的影响。双坡屋面的局部风压峰值一般出现在迎风屋檐或屋脊附近,其值与屋面的坡度及风向角相关。在不同风向角下屋面坡度在18°～34°时,屋面风压值及其变化较小。该模拟分析方法克服了风洞试验存在的费用高、周期长、缩尺比影响大等缺点,可以更方便地辅助低层双坡房屋抗风设计。     

坡角影响低矮房屋屋面风载体型系数规律试验

基于5个不同坡角、缩尺比为1︰20的双坡低矮房屋风洞试验模型,在3类不同地貌条件下,以风向角、坡角为变量深入研究坡角影响低矮房屋屋面区域体型系数变化规律.参考中国、美国和日本荷载规范对屋面进行区域划分,给出不同屋面划分形式下屋面体型系数,分析坡角、风向角和地貌对屋面分区体型系数的影响.研究结果表明:坡角对低矮房屋屋面不同区域局部体型系数影响较大,随着坡角的增大迎风屋面处体型系数绝对值减小,18.4°坡角房屋背风屋面风压体型系数绝对值最大;屋面划分形式相对应的体型系数数值大小也不同,中国规范给出的体型系数数值偏小;风向角为0°,90°时地貌影响屋面体型系数大于其他风向角,湍流度增大屋面体型系数绝对值呈现递增趋势.     

大跨度张弦桁架雨棚结构等效静风荷载数值模拟

基于谐波叠加法模拟生成风速时程并转化为风压时程;采用ANSYS建立结构有限元模型,施加模拟所得的风压时程,计算分析结构风致动力效应;给出风振动力放大因子定义,将其与基于特定时刻的结构瞬时风压分布相结合,进而提出等效静风荷载新内涵.运用数值模拟分析,给出了基于结构立柱基底竖向反力和桁架跨间位移的等效静风荷载.     

某大跨网壳的风致响应影响参数分析

在设计大跨结构时,风荷载是被控制的主要因素。为探讨地面粗糙类别、基本风压、阻尼比和风向角对大跨结构风致响应的影响,以重庆某体育场大跨网壳屋盖为研究对象进行了数值模拟分析。计算结果表明:对于大跨结构,采用随机振动分析时需考虑高阶参与振型的影响,当地面粗糙类别由A类向D类变化时,风致响应会逐渐加强,随基本风压的增大,也会使得风致响应逐渐加强,随阻尼比的增大,风致响应会逐渐减弱,风向角的变化对风致响应影响较大。     

重檐歇山顶中国古建筑风压与风场数值模拟分析

运用ANSYS Fluent软件并引入Renormalization-group k-ε湍流模型,以北京天安门城楼复杂形体为对象,数值计算分析重檐歇山顶式古建筑的风压与风场特性,揭示了不同风向角下建筑风压与风场的变化规律,开展了城楼城台封闭和城台开敞、曲面斜坡屋面和直线斜坡屋面等对建筑风压和风场的影响.研究表明,风向角对建筑屋面和重檐风压分布影响显著;城台开敞可降低建筑周围整体气流流速,减小屋面和重檐的负风压;直线斜坡可降低屋面与重檐处气流速度,但将增大重檐间区域的气流速度.给出了无周边遮挡建筑物情况下重檐歇山顶古建筑的风荷载体型系数,可为此类古建筑的抗风设计提供技术参考.     

单向张弦梁结构风振系数的研究

针对大跨网架屋盖风致振动问题,采用时程分析方法,在有限元建模的基础上,采用改进的线性回归滤波器法进行脉动风荷载模拟,应用所得的数据,对广州国际会展中心单向空问张弦梁屋盖结构的位移风振系数和内力风振系数进行了研究,得到了一些张弦梁结构位移风振系数和内力风振系数的变化规律.     

肋环型单层曲板网壳结构的风振响应及等效静风荷载

分析了肋环型单层曲板网壳结构的风荷载和风振响应,并对采用不同方法计算结构等效静风荷载的精度进行了比较.风洞试验结果表明:肋环型单层曲板网壳结构屋面主要受负风压作用;但在90°风向角下,由于体育馆受前方入口建筑的影响,屋盖边缘局部出现正风压.风振响应分析结果表明:有多阶振型参与结构的风致振动,高阶模态影响不可忽略;为保证结构表面所有节点位移准确,结构的模态耦合项不能忽略.但如果只保证较大位移处的准确性,忽略模态耦合项的SRSS方法也是可取的.利用LRC惯性力法和改进LRC方法计算肋环型单层曲板网壳结构的等效静风荷载,可以保证所有风向角下节点的最大位移等效,但不能保证所有节点的位移等效.     

某大型机场航站楼结构风载体型系数的数值模拟

以昆明新机场航站楼工程为背景,基于Fluent软件建立计算模型,采用标准k ε 湍流模型,数值模拟结构表面风场风压,并与风洞试验结果对比,获取结构风载体型系数.分析了不同风向角下屋面风载体型系数的分布和产生机理.计算结果表明：计算流体动力学(CFD)数值模拟方法可以较为准确地反映结构表面实际风压的分布规律,但数值方法结果比风洞试验结果的绝对值略偏大;在不同风向角时,屋面风载体型系数变化较大.根据当地风环境条件数值计算并经比较分析而获得的最不利风压分布,可应用于工程抗风的初步设计.