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典型大跨空间结构风压和风振效应数值模拟分析

陈亚楠  
【摘要】:随着结构跨度的增大、结构形体的复杂化和轻质材料的运用,空间结构的抗风问题日益突出。体育场大悬挑屋盖是一种较典型的风敏感结构,悬挑屋盖上的风荷载是控制结构安全的关键因素。空间薄膜结构应用十分广泛,其基本特点是“轻”和“柔”,对风荷载极为敏感,膜结构在风荷载的作用下会产生大变形和振动,这种大变形和振动反过来影响其表面风压分布,产生流固耦合效应。 本文阐述了大跨空间结构抗风问题、流固耦合及其数值模拟方法的研究现状;阐明了结构、流体运动控制方程的离散与求解,结构-流体耦合计算时界面的协调和变量传递;系统研究了数值模拟中计算流域确定、边界条件选取、湍流模型选择、求解参数设置等问题。并选取代表性算例予以验证,将其数值模拟结果与已有文献的风洞试验结果、数值模拟结果进行对比分析,结果表明本文所采用数值方法是正确的。 本文利用软件FLUENT对体育场大悬挑屋盖风工程问题进行数值模拟,分析了不同风向角、屋盖倾角、看台后部通风率、屋盖后挑对环状悬挑屋盖风压风载的影响;针对屋盖周围气流的绕流特性,设置两种辅助气动控制装置,通过数值模拟验证其有效性。利用ADINA软件对草帽型膜结构、山脉型膜结构开展数值模拟,分析了膜帽处开敞与封闭情形、不同风速情形下膜结构的位移响应、速度响应、加速度响应和结构位移瞬态放大系数。本文对上述典型结构形体风压和风振效应的数值研究成果,可供工程抗风设计参考使用。


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