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体育馆大跨度悬挑屋盖结构的风荷载数值模拟

李鸿基  
【摘要】:大跨度悬挑结构因其具有美观的建筑造型和独特的覆盖功能,在建筑领域已得到了广泛的应用,然而此结构形式属于典型的风敏感结构形式,其风荷载设计问题成为了结构设计难点与结构风工程研究热点。目前我国对这一问题的研究尚未成熟,还处于起步阶段,从工程实际应用来看,其风荷载设计参数多数情况下是通过风洞模拟试验来确定,现行建筑结构荷载规范尚未给出有力的设计依据。 风在建筑物周围的流动属于复杂钝体绕流形式,其风流场是非常复杂的湍流场,由分离、回流、旋涡等复杂运动形式所组成。目前,应用理论方法解决这一问题还是相当困难的,而现场实测手段与风洞模拟试验方法虽然具有许多优点,测试结果也较为准确,但是需要花费大量的时间、人力、物力,以及其适用性不强等,在工程实际应用中仍无法得到广泛的应用,因此寻求新的解决方法已成为风工程研究的需要。随着湍流模型的发展与完善、计算机技术的飞速发展与提高,采用计算机进行模拟计算的技术也日趋成熟,所以采用数值模拟方法解决这一问题逐渐成为了有力的手段,并能广泛的应用于工程实际。本论文就是利用数值模拟方法对体育馆大跨度悬挑屋盖结构的风荷载进行模拟研究,以得到风对这类建筑结构的作用响应,为此类结构的设计和进一步研究提供参考。 本文首先系统回顾了大跨度悬挑结构风工程研究领域的进展,描述了风的特性及其流体特性,进而阐述了结构风工程数值模拟理论和计算方法,分析推导出三维稳态二阶迎风格式下的控制方程及其离散方程,分别对数值模拟过程中涉及到的建立几何模型、确定计算流域范围、划分网格、选取边界条件类型、确定参考压力位置、选择合适的湍流模型、设置求解参数等问题进行了深入研究,并用于实际工程中。本文采用计算流体动力学软件(FLUENT),采用FLUENT的开放平台UDF函数,编写了大气边界层风梯度的程序,对体育馆大跨度悬挑屋盖结构的风荷载情况进行了模拟,分别对不同风向角、不同地面粗糙度作用下结构的风荷载情况作了比较分析,并给出相应结论。继而采用有限元软件(MIDAS)对屋盖结构进行承载力分析,得出各工况下结构的内力,并进行比较分析给出结论。


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