开孔结构风致内压及屋盖风振响应的数值模拟研究

【摘要】：开孔结构是指建筑本身存在开孔或者门窗等围护结构在大风中被吹开或损坏，以及建筑在施工期间尚处于未封闭状态的结构。对上述建筑在设计风荷载取值时不仅要考虑外压的作用，同时还考虑内外压的联合作用。国外有风灾调查数据表明，低矮房屋损毁造成的损失占全球每年风灾造成的损失的50％以上，我国近年来的风灾调查也显示风灾总损失中有超过半数的损失是来自低矮建筑破坏的损失，同时发现建筑破坏最多及最严重的部分是围护结构及屋面体系。目前对风致内压的研究尚处于摸索阶段，各国的荷载规范也没有对风致内压取值的明确规定，因此部分开敞或突然开孔导致的内外压的联合作用对建筑物，尤其是低矮大跨轻型建筑是一个严重的安全威胁。因此对开孔结构风致内压及其对结构的影响进行全面深入研究以使其在工程中得到合理的体现具有极其重要的学术价值和工程意义。 近40年来得益于数值模拟理论和计算机硬软件的发展以及自身区别于传统结构风工程研究方法的显著优势，计算流体动力学(CFD)方法得到了迅猛的发展。本文首先对CFD基本理论进行了介绍，并采用数值模拟方法对TTU现场实测低矮建筑模型风致内压进行了试算，验证了数值模拟方法研究风致内压的可行性。在此基础上，采用刚性模型对处于稳态流动阶段的表面存在开孔的典型双坡屋面厂房的风致平均内压进行了研究，主要考虑了开孔数量、开孔率、开孔位置、风向角等因素对风致平均内压的影响，并对比分析了开孔前后风压分布规律以及开孔后内外压联合作用对围护结构的不利影响。 其次，采用气动弹性模型对迎风墙面存在开孔的平屋盖建筑进行了流固耦合数值模拟以考察风致内压对屋盖风振响应的影响。即考虑了柔性屋盖与风荷载的耦合效应，对存在开孔结构弹性屋盖的风致瞬态响应进行模拟，对比了开孔结构与封闭结构的屋盖响应，并分析风速、开孔率、屋盖刚度等因素对屋盖风振响应的影响；比较分析了开孔结构与封闭结构屋盖位移风振系数比值随开孔率的变化情况。 最后，对厂房在施工过程中的风荷载情况进行了数值模拟，并对施工过程中厂房的倒塌机理进行了分析，对施工顺序及应采取的措施提出了建议。