襄阳大剧院风荷载特性数值模拟

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进入21世纪以来,随着科技和社会的发展,各种新技术、新工艺和新材料投入到建筑工程行业内,为了迎合来自不同方向、不同层次的功能和造型上的需求,建筑物呈现出越来越复杂化、多样化和大型化的趋势。相对于传统建筑而言这些体型复杂结构新颖的建筑物,由于阻尼比小、柔性高等特点对于风荷载更加敏感,风荷载在结构分析中占据越来越重要的地位,风荷载甚至成为此类建筑结构设计的主要控制荷载。目前对于此类复杂体型的建筑物还没有一个完整系统可靠的研究方案,其周围流场也变化多端,表面风压分布极其复杂,令人无法推测预估,规范中也没有给出相应的设计参考数据,因而对于此类建筑物风荷载特性的研究更加迫切。基于大量相关文献和资料的研究,本文详细叙述了大气边界层内自然风特性、钝体绕流的基本理论和基本控制方程,研究了湍流的基本特性,对湍流的模拟方法、数值计算方法、近壁区域处理等理论进行对比分析。基于这些理论研究,以单层玻璃房模型的全尺度原型实验为基础,对比分析了计算流体力学数值模拟该模型风场的计算结果和试验结果,得出了建筑物绕流数值分析中关于网格划分、边界条件设定、湍流模型及数值求解方法选择、计算域确定等方面的一些规律和原则,验证了数值分析的可行性和准确性。围绕复杂体型建筑风荷载特性研究这个主题,以襄阳大剧院为工程背景,在复杂体型建筑物风洞试验与数值模拟方面开展工作,主要的研究内容和研究成果如下:1)介绍了风洞试验所采用的主要技术参数和数据处理方法,通过对风洞试验的试验数据进行处理、分析,得到了下该建筑物在不同风向角作用下的风荷载分布规律,从中发现了结构的薄弱点,为工程设计提供一些建议;2)建立流体计算模型并对襄阳大剧院表面风压及其流场特性进行数值分析,分析了其表面风压、速度矢量和湍流动能等分布规律,将数值分析所得的计算结果与风洞实验进行对比分析后,发现两种方法的结果是比较吻合的,具有一定的工程精度。这些都说明数值模拟复杂体型建筑物绕流问题是可行的,可为类似的研究和工程实践提供参考。
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