大跨屋盖结构开孔风致效应数值模拟研究

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大跨度建筑的屋面结构往往集合自重轻、柔度大、阻尼小、自振频率较低等特点,因而风荷载已成为该类结构设计中的主要控制荷载。特别是屋盖、门、窗等部分围护结构被强风吹开或受损后,由于建筑物上形成开孔,风从开孔涌入,导致建筑物内部风压增大使结构受内、外压共同作用而使建筑的某些部分更容易遭受风致破坏。因此,研究开孔结构的风效应是一个重要课题,对进行大跨空间结构抗风设计具有十分重要的意义。目前,结构风工程的研究方法主要包括:理论分析,现场实测,风洞试验,数值模拟。风洞模型试验是当前研究建筑风荷载的主要方法和手段。随着计算机的迅速发展,除了继续采用风洞试验这一传统研究手段外,另一种新的研究方法——计算风工程,即所谓“数值风洞”已逐步受到重视,并成为研究热点。本文首先回顾了国内外关于开孔结构风效应的研究发展情况,并详细阐述了计算流体动力学在结构风工程中运用的有关理论——介绍钝体绕流的基本方程、各种湍流模型以及计算区域与偏微分方程组的离散。本文的核心工作包括:采用CFX软件平台,基于RANS对一典型大跨度柱面屋盖空间结构模型在稳态流场下进行平均风压数值模拟,研究各墙面及屋盖等围护结构存在开孔时内外压联合作用的情况。模拟结果与依据我国现行的《建筑结构荷载规范》中关于内部压力修正的规定得出的结果进行对比,说明规范中存在的不足之处。最后归纳出大跨度建筑物围护结构风致连续破坏所具有的一些规律。建筑物围护结构的破坏在很多情况下由脉动风压峰值导致。因此,研究大跨度结构的脉动风荷载特性是研究大跨度结构风致效应的重要问题。本文将在运用RANS模拟建筑平均风荷载的基础之上,采用LES方法对此大跨度柱面屋盖结构的脉动风荷载进行模拟,并进一步探讨此大跨结构存在开孔时的风致内压脉动特性及内外表面风压相关性。最后针对一个实际工程——国家网球中心新馆,进行数值模拟计算。通过与风洞试验的结果进行相应的比较,讨论风荷载数值模拟方法在大跨度屋面结构的风压计算方面的可行性和优越性。
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