基于CFD理論建筑膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)值模擬研究.pdf

1、建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的主要研究方法包括風(fēng)洞試驗(yàn)、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬。近三十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的風(fēng)工程數(shù)值模擬技術(shù)（CWE）以其顯著的優(yōu)勢(shì)在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。
　　膜結(jié)構(gòu)以其造型美觀、自重輕、經(jīng)濟(jì)和易于建造等優(yōu)點(diǎn)而倍受建筑師的青睞，在國(guó)內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用。然而與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，膜結(jié)構(gòu)作為柔性結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載十分敏感，風(fēng)荷載在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中往往起到控制作用。而在現(xiàn)行規(guī)范中，僅提

2、供了簡(jiǎn)單建筑體型的風(fēng)荷載體型系數(shù)，膜結(jié)構(gòu)形式多樣、造型復(fù)雜，各國(guó)規(guī)范所能提供的風(fēng)荷載體型系數(shù)均非常有限，國(guó)內(nèi)外的一般做法均是通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)確定復(fù)雜造型建筑的風(fēng)荷載體型系數(shù)，然而目前針對(duì)膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究開展得還極不充分，無(wú)法總結(jié)出膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的一般規(guī)律，且風(fēng)洞試驗(yàn)難以做到膜結(jié)構(gòu)上下表面同步測(cè)壓。
　　本文第一部分運(yùn)用Fluent軟件采用SST（Shear Stress Transport） 湍流模型對(duì)鞍形、傘形、傘形組合

3、膜結(jié)構(gòu)剛性模型進(jìn)行風(fēng)荷載數(shù)值模擬，以總結(jié)膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的一般規(guī)律。運(yùn)用 Ansys軟件進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)的找形并提取幾何模型；運(yùn)用Icem CFD軟件完成流體域和結(jié)構(gòu)域的網(wǎng)格劃分，建立起膜結(jié)構(gòu)繞流分析的計(jì)算模型；最后基于 Fluent軟件平臺(tái)完成膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載數(shù)值模擬。具體分析了風(fēng)向角、跨高比等因素對(duì)膜面風(fēng)壓分布的影響，并給出了相應(yīng)膜結(jié)構(gòu)上下表面平均風(fēng)壓系數(shù)等值線圖、膜面凈風(fēng)壓系數(shù)等值線圖，以供工程設(shè)計(jì)參考使用。主要結(jié)論有：①鞍形膜結(jié)構(gòu)在

4、0°風(fēng)向角和90°風(fēng)向角下的極值正負(fù)壓出現(xiàn)在迎風(fēng)邊緣角點(diǎn)和膜面中心靠近背風(fēng)面，在45°風(fēng)向角下的極值正負(fù)壓分別出現(xiàn)在迎風(fēng)邊緣較低角點(diǎn)和較高角點(diǎn)區(qū)域。傘形膜結(jié)構(gòu)和傘形組合膜結(jié)構(gòu)的極值正負(fù)壓出現(xiàn)在迎風(fēng)邊緣和傘孔附近，同時(shí)，傘形組合膜結(jié)構(gòu)的連接部位風(fēng)壓大于周圍風(fēng)壓。工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)這些部位應(yīng)給予足夠重視。②鞍形膜結(jié)構(gòu)在45°風(fēng)向角下整體受力約為0，在0°和90°風(fēng)向角下整體受力分別表現(xiàn)為壓力和升力，且受力大小大致相等。傘形膜結(jié)構(gòu)和傘形組合膜結(jié)構(gòu)

5、整體均表現(xiàn)為升力。③除鞍形膜結(jié)構(gòu)在45°風(fēng)向角下的整體受力不隨矢跨比的變化而變化外，傘形、傘形組合膜結(jié)構(gòu)以及0°和90°風(fēng)向角下鞍形膜結(jié)構(gòu)的整體受力均隨矢跨比的減小而減小。④正六邊形傘膜在90°風(fēng)向角下整體受力最小，正方形傘膜和傘形組合膜結(jié)構(gòu)均在0°風(fēng)向角下整體受力最小。
　　本文第二部分運(yùn)用 Fluent軟件采用三種比較常用的湍流模型：RNG k??模型、SST k??模型和RSM雷諾應(yīng)力模型，對(duì)某大跨度膜結(jié)構(gòu)罩棚進(jìn)行定常繞流數(shù)