大跨度屋盖结构的抗风计算与实现

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风荷载对于建筑物来说是一项非常重要的荷载,是建筑结构设计中非常关键的一部分。随着大跨度屋盖结构的大量出现,风荷载也扮演着越来越重要的作用,某些情况下甚至成为设计的控制荷载。因此如何去确定建筑物表面的风压分布规律,以便进一步研究风对结构的作用就显得越来越重要。计算流体动力学(CFD)在风工程中的应用为风荷载研究提供了一个新的、有别于风洞试验和现场实测的研究手段,具有设计周期短、试验费用低、承担风险小等突出优势,有着十分广阔的发展前景。该方法是应用计算流体动力学(CFD)技术在计算机上模拟建筑结构周围风场的变化,并求解结构表面风压的一种结构风工程研究方法。 风绕建筑物流动可看作钝体绕流,它的控制方程可采用不可压缩粘性流体运动的Navier-Stokes方程和连续性方程。对流动问题方程的离散,通常是有限单元方法,有限差分法和有限体积法。本文采用的离散方法是有限单元方法,研究的对象是二维大跨度刚性屋盖模型的绕流流场,对流场进行求解,来确定屋盖表面的风压分布和大小,属于风引起结构作用力的范畴。从不可压缩粘性流体流动的基本方程出发,选取速度-压力基本变量式对绕流流场进行耦合直接求解,为消除因对流项和不可压缩性引发的数值振荡,采用速度、压力不等阶混合插值模式,并尝试编制了求解器的计算程序,借助于ADINA软件的前后处理程序,应用简单算例验证了该求解器程序的正确性和可行性。然后选取了门式刚架平屋面、坡屋面和旋转壳顶屋面作为算例对流场进行了计算,得到屋面表面的风压分布情况,分析了模型的高跨比、坡度、矢跨比对屋盖表面风压分布及绕流特性的影响;通过计算得到屋盖风荷载体型系数,与规范所给数值进行了比较分析,分析结果表明,本文提供的数值模拟方法的计算结果与规范值吻合较好,该方法可以有效地模拟结构的风压分布,为此类屋面结构的实际抗风设计提供了依据。
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