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多折面体型空间结构风荷载数值模拟研究

王宪统  
【摘要】:大跨度空间结构是最近几十年来发展最快的结构形式,多折面体型空间结构便是其中的一种,因其具有轻巧美观的建筑造型和广阔的无内柱空间,广泛应用于体育场馆、机场车站、会展中心等大型公共建筑中。然而此种结构形式对风荷载的作用特别敏感,其风荷载问题已成为结构设计的难点与计算风工程的热点。并且由于大跨度空间结构的体型越来越复杂,现行荷载规范少有此类体型供于参考,规范性指导结构的抗风设计就显得很缺乏。目前,理论方法计算结构的风荷载困难性很大,而现场实测手段和风洞模拟试验,可以得到较为准确的测试结果,但费时、费人力和物力,以及其适用性不强等,在实际工程中无法广泛应用。因此,有必要寻求新的解决方法研究结构的抗风设计。随着计算流体动力学中湍流模型的不断发展和完善,以及计算机技术的迅速发展,用数值模拟结构风荷载的技术已日渐成熟,故采用该方法研究多折面体型空间结构的风荷载对结构抗风设计具有重大现实意义。 本文利用计算软件CFX14.0作为计算平台,对多折面体型空间结构的风荷载进行模拟计算与分析,研究的主要内容有: 1.以TTU建筑原型试验作为简单方体结构的计算模型,选用不同的湍流模型及不同的风向角进行数值模拟,然后对计算结果进行比较分析,得到了结构表面的风压分布规律以及结构周围流场的绕流特性,验证数值模拟技术在建筑物风荷载方面的正确性与可靠性。 2.以西宁海湖新区体育场为多折面体型空间结构的计算实例,建立全比例尺结构模型,沿用前述算例的合理参数,选取了不同的湍流模型及风向角作为模拟的各项工况,对其结构周围的风荷载进行计算,对得到的模拟结果做出以下分析: (1)选取SSTk-ω剪切应力输运模型和BSL-RSM雷诺应力模型,在不同风向角来流作用下,分析了湍流模型对屋面风压分布的影响。 (2)对不同风向角来流的作用,分析了屋面的风压分布规律及结构周围流场的绕流特性。 (3)对模拟数据进行分析,计算了屋盖表面上的平均风压系数,给出最不利分区平均风压系数,为该类工程的结构抗风设计提供了参考。 通过以上的研究和分析,为多折面体型空间结构的抗风研究与设计提供了一定的参考,并对CFD数值模拟在风荷载研究中的应用做了一些总结和展望。


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