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

1、建筑結(jié)構(gòu)抗風的主要研究方法包括風洞試驗、理論分析、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬。近三十年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，基于計算流體動力學（CFD）的風工程數(shù)值模擬技術(shù)（CWE）以其顯著的優(yōu)勢在結(jié)構(gòu)抗風領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。
　　膜結(jié)構(gòu)以其造型美觀、自重輕、經(jīng)濟和易于建造等優(yōu)點而倍受建筑師的青睞，在國內(nèi)外均有廣泛應用。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)對風荷載十分敏感，風荷載在膜結(jié)構(gòu)的設計中往往起到控制作用。而在現(xiàn)行規(guī)范中，僅提

2、供了簡單建筑體型的風荷載體型系數(shù)，膜結(jié)構(gòu)形式多樣、造型復雜，各國規(guī)范所能提供的風荷載體型系數(shù)均非常有限，國內(nèi)外的一般做法均是通過風洞試驗來確定復雜造型建筑的風荷載體型系數(shù)，然而目前針對膜結(jié)構(gòu)的風洞試驗研究開展得還極不充分，無法總結(jié)出膜結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的一般規(guī)律，且風洞試驗難以做到膜結(jié)構(gòu)上下表面同步測壓。
　　本文第一部分運用Fluent軟件采用SST（Shear Stress Transport） 湍流模型對鞍形、傘形、傘形組合

3、膜結(jié)構(gòu)剛性模型進行風荷載數(shù)值模擬，以總結(jié)膜結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的一般規(guī)律。運用 Ansys軟件進行膜結(jié)構(gòu)的找形并提取幾何模型；運用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)繞流分析的計算模型；最后基于 Fluent軟件平臺完成膜結(jié)構(gòu)的風荷載數(shù)值模擬。具體分析了風向角、跨高比等因素對膜面風壓分布的影響，并給出了相應膜結(jié)構(gòu)上下表面平均風壓系數(shù)等值線圖、膜面凈風壓系數(shù)等值線圖，以供工程設計參考使用。主要結(jié)論有：①鞍形膜結(jié)構(gòu)在

4、0°風向角和90°風向角下的極值正負壓出現(xiàn)在迎風邊緣角點和膜面中心靠近背風面，在45°風向角下的極值正負壓分別出現(xiàn)在迎風邊緣較低角點和較高角點區(qū)域。傘形膜結(jié)構(gòu)和傘形組合膜結(jié)構(gòu)的極值正負壓出現(xiàn)在迎風邊緣和傘孔附近，同時，傘形組合膜結(jié)構(gòu)的連接部位風壓大于周圍風壓。工程設計時，對這些部位應給予足夠重視。②鞍形膜結(jié)構(gòu)在45°風向角下整體受力約為0，在0°和90°風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°風向角下整體受力最小。
　　本文第二部分運用 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雷諾應力模型，對某大跨度膜結(jié)構(gòu)罩棚進行定常繞流數(shù)