考虑流固耦合的高层建筑楼顶高耸钢结构的抗风数值模拟

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lingyuehqu2009
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近年来,高层和高耸结构都向着更高、更柔的方向发展,其刚度越来越小,质量轻,阻尼小,同时高层建筑因使用功能的需要,在高层或者超高层建筑顶部设置高耸钢结构塔楼的现象越来越常见,造成结构对风越加敏感,动力响应也更为复杂。目前利用数值模拟技术对这种大气边界层中的复杂结构进行风振响应分析还存在诸多问题。因此深入研究高层建筑顶端高耸结构的抗风问题具有十分重要的理论意义和工程实践价值。目前研究高层建筑顶端高耸结构的抗风设计,一般采用将楼顶高耸结构和其主体结构分离,分别进行抗风计算的方法。通常主体结构不考虑屋顶高耸结构的影响,然而随着高层楼顶高耸结构高度的不断增加,高耸结构受到强烈的风载效应时,这种相互作用的影响不容忽视。本文首先给出了流固耦合的流体动力学控制方程ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法的描述和算法。随后采用标准k-ε模型、Wilcox κ-ω模型和LES湍流模型在高雷诺数均匀流场中对同一高层建筑楼顶上的封闭高耸钢结构进行数值模拟,通过对模拟结果的分析,证明LES湍流模型更适用于高层建筑顶端的高耸钢结构的抗风分析。随后利用LES湍流模型,建立了三种结构形式的模型:带高耸结构的高层建筑模型、置于地面的高耸结构模型和不带高耸结构的高层建筑模型,分别对这三种结构形式建立了有限元刚性模型和考虑流固耦合作用的气弹性模型,通过对比数值模拟得到的结构表面风压系数分布情况、风载体型系数和风振系数,研究风载作用下高耸结构和建筑主体之间的相互作用;并且针对高耸结构在建筑主体顶部的不同位置建立刚性模型,对比分析位置因素对建筑顶部高耸结构风载效应的影响。鉴于高层建筑对其顶端高耸结构的影响不容忽视,在对实际工程进行流固耦合分析时,本文提出一种新的建模分析方法,以满足工程设计的需要。随后按照此方法以海拉尔新闻中心楼顶发射塔工程为背景,对此工程进行数值模拟,并对比其风洞试验数据,结果证明这种方法既满足了设计的需要,又能保证结果具有足够的准确率,为解决实际工程提供了切实可行的分析方法。
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