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建筑物表面风荷载的数值模拟研究

彪仿俊  
【摘要】:风荷载对于建筑物来说是一项非常重要的荷载,是建筑结构设计中不可缺少的。随着大跨度、超高层建筑、大跨度桥梁的大量出现,风荷载也扮演着越来越重要的作用,某些情况下甚至成为设计的控制荷载。因此如何去确定建筑物表面风压的情况,以便进一步研究风对结构的作用就显得非常重要。 目前研究建筑物风荷载的分布情况主要有现场实测,风洞试验和数值模拟计算三种方法,其中风洞试验是现阶段的主要手段。利用大气边界层风洞试验方法研究风对土木工程中结构的作用开始于50年代,已经有50多年的历史,研究方法较为成熟。风洞试验方法在风工程的研究和工程领域中发挥了重要作用。计算风工程是随着计算机技术和计算流体力学的发展而出现的,开始于80年代,有了20多年的历史,它自出现起就成为了风工程领域研究和发展的热点,相比较传统方法它具有独特的优势。 本文采用风洞模型试验和计算机数值计算相结合的方法,研究内容包括对复杂体型的高层和大跨度结构的表面平均风压分布,简单体型的大跨度平屋面结构的平均和脉动风荷载的计算分析。本文的重点放在了建筑物表面风荷载数值模拟的实现方法,以及使用它进行实际工程问题的风荷载计算的可行性与可靠性讨论上,最后指出了它的不足和需要进一步解决的问题。 在本文的研究工作中,平均风荷载的计算对象选取了一个典型的高层和一个大跨度屋面结构,对其建立了实际尺度的刚性模型,选择了合适的网格划分形式,并准确的模拟大气中来流的风剖面。计算用的湍流模型选取了可实现的k—ε模型(Realizable k—ε)并配合非平衡的壁面函数法(non-equilibrium Wall Functions)处理近壁面的湍流状态,计算了这些建筑物表面的平均风压分布,与试验结果进行了比较和分析,取得了比较满意的结果。对于大跨度的屋面结构,还使用了面积分的方法计算了屋盖上的分块风压系数,并将这一实际工程中使用的系数和风洞试验方法得到的相应结果进行了比较析。 此外,本文采用了大涡模拟的方法对简单体型的大跨度平屋面结构进行了非 浙江大学硕士论文 建筑物表面风荷载的数值模拟研究 定常流场的计算,使用了自回归模型产生了脉动风速的时间序列,并经过无散度 化运算和流量修正后将其带入到了实际计算的边界条件当中,该脉动风速的时间 序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱、空间相关性和连续性方程的要求。计 算得到了整个屋面上的风压系数的时程,经过时间统计取得了屋面上的平均风压 系数和脉动风压系数,与试验结果的比较证明了从来流模拟到对风荷载计算及数 据后处理的方法的正确性,为采用更加精确的来流条件以及对复杂结构的平均和 脉动风荷载进行非定常的计算进行了有益的尝试。 关键词:高层建筑;大跨度屋面结构;风洞试验;计算风工程;计算流体动力学; 平均风压系数:脉动风压系数;可实现的无一:湍流模型;非平衡壁面函数;大 涡模拟 泛


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