大跨屋盖结构风荷载分布特性技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 05 日 作者简介：白硕（1988），女，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为大跨空间结构风荷载分布。-137-大跨屋盖结构风荷载分布特性技术研究 白 硕 杜慧慧 宿 茹 马军霞 河北工程技术学院，河北 石家庄 050000 摘要：摘要：现代建筑行业背景下，客观上促进了我国建筑工程领域内大跨屋盖结构的发展，并在多年发展中形成了多样性的形式，有着跨度大、自重轻、几何外形复杂的特点，属于风敏感结构。同时，针对大跨屋盖结构的周边风场绕流进行分析，同样伴随着复杂性特点，这使得大跨屋盖结构中往往容易出现旋涡脱落、再附、分离、气流撞击等问题，一般适用于拟定常假设，且在大跨屋盖结构表面风荷载特性进行描述的过程中同样不适用来流风荷载特性。因此，要求面对大跨屋盖结构的表面风荷载特性做好更深入地分析考量，对大跨屋盖结构的真实风荷载描述模型进行建立，在模型的导向下完成抗风设计。实践中，可对 CFD 数值模拟方式进行应用，提高分析研究结果的精准性。关键词：关键词：大跨屋盖结构；风荷载；分布特性 中图分类号：中图分类号：TU312 0 引言 在大跨屋盖结构作用的过程中，风荷载是十分复杂的。在很长一段时间里，针对大跨屋盖结构的风荷载问题进行分析与研究，更多只能够通过假设与经验来完成抗风设计方面的指导。如此一来，一方面很难保障工作开展的科学性与有效性，另一方面也很容易造成安全方面的风险和隐患，连带出不必要的浪费。因此，当前还需要重点做好大跨屋盖结构风荷载分布特性的进一步分析与研究。1 大跨屋盖结构风荷载分布特性研究的必要性 大跨屋盖结构具有更大跨度的结构的，但是结构本身的刚度则比较低，这使得大跨屋盖结构具有更大的风敏感性。因此，在进行大跨屋盖结构设计时，便需要重点针对风荷载问题进行分析与考量。具体来看，分析大跨屋盖结构中风荷载的组成部分，一般表现为两个方面，其一方面是脉动风荷载；其二方面的平均风荷载。在大跨屋盖结构中脉动风荷载有着更复杂的作用机理，平均风荷载对大跨屋盖结构的作用则更多体现为一种静力荷载。当大跨屋盖结构受到风荷载影响后，一方面是会造成结构的内力和变形，另一方面在严重情况下甚至会产生结构的动力失稳问题。同时，针对大跨屋盖结构的周围流场进行分析，同样伴随着十分复杂的绕流特性。其中，针对大跨屋盖结构表面的风压脉动进行分析，同时受到结构自身湍流特性的影响和来流脉动特性的影响。然后，在当前大跨屋盖结构抗风设计的规范中，尚未建立起真正适用于大跨屋盖结构的脉动风荷载模型。同时，在很对大跨屋盖结构进行抗风设计的过程中，同样未能够针对实际风荷载的作用问题进行分析考量，更多是对拟定常假设方式进行笼统地应用。通过此种方式来进行大跨屋盖结构的抗风设计，很容易在错误抗风设计中造成诸多问题，包括风荷载过高评估的资源浪费问题和风荷载过低评估的安全隐患问题。2 大跨屋盖结构风荷载分布特性研究主要工作内容 大跨屋盖结构设计施工建设中，往往对风荷载有着更大的敏感性，且针对大跨屋盖结构风荷载相关的研究尚不够健全与完善，未能够形成科学可行的研究成果。同时，针对当前我国建筑工程领域内的建筑造型进行分析，有着多样性的特点和结构复杂性的特征，且所使用的材料也十分多元化，这就导致在实际进行大跨屋盖结构设计与施工的过程中，往往容易受到风中国科技期刊数据库 工业 A-138-荷载问题的影响，伴随着诸多不确定的因素，也很难针对大跨屋盖结构的周边风场分布进行精准预测，还需要做好更为深入地研究，方能够真正针对流场的分布和流场的走向进行确定。对此，在开展大跨屋盖结构风荷载研究工作期间，为达到更理想的研究效果，可选择CFD方式进行应用。在实际应用 CFD 方式的过程中，要求先行做好参数设计问题的把握，然后在 CFD 的支持下完成对大跨屋盖结构风荷载分布情况的深入研究，通过开展研究工作，也能够帮助工作人员更加充分、精准地把握风荷载的真实分布几何参数。第一，针对 CFD 的特点进行分析研究，把握 CFD技术应用中对参数设计所需要解决的主要问题。重点分析工作人员在开展大跨屋盖结构风荷载 CFD 研究计算中，数值模拟结果受到的几何尺寸因素影响。同时，把握好对不同湍流模型的选择，分析不同模型选择带来的模拟结果应用。最后，对不同的网络划分形式进行分析，判断不同形式连带出的模拟结果影响。第二，针对大跨屋盖结构的典型结构形式风荷载分布情况进行分析与研究，重点把握大跨屋盖结构中因为受到几何尺寸变化所连带出的表面分压分布影响。同时，对复杂的几何外形建筑进行分析，探讨其中的网格划分形式与湍流模型。最后，把握好不同的工况情况，在不同工况情况下，对最不利的风压分布情况进行分析与判断。第三，对大跨屋盖结构表面开孔带来的表面风荷载分布影响进行分析。具体来看，工作人员需要重点把握大跨屋盖结构中的迎风面，对其风荷载分布复杂特点进行了解，然后对开孔位置进行科学合理选择，通过开展模拟工作，最终获取到大跨屋盖结构的表面风压变化情况，判断大跨屋盖结构表面开孔带来的风荷载影响以及结构周边风场分布影响。其中，设置开孔率为变量因素，然后分析讨论不同的开孔率，把握其带来的风压分布云图变化影响和速度场云图变化影响，从而得出大跨屋盖结构中开孔面积与表面风压分布关系。3 CFD 数值模拟技术应用特点 对大跨屋盖结构风荷载分布特性进行分析。其中，绕流问题是重点所在，并伴随着十分复杂的非定常流动。如此一来，在实际开展大跨屋盖结构周围绕流模拟工作时，便会遇到诸多困难。第一，高雷诺数下模拟困难性比较大。具体来看，在大跨屋盖结构风环境模拟中，往往会涉及到雷诺数相对较高的问题。针对这一问题进行处理，需要工作人员通过更细致地网络应用，方能够真正对流体的流动特征进行模拟。对此，很多领域内研究人员也提出了一些问题解决方法，如通过不同的湍流模型来完成问题解决等。但是，在实际应用湍流模型的过程中，同样会涉及到不同程度的假设与前提，这就反映出了一定的局限性，导致其很难同真实的情况之间进行契合。第二，对冲撞流场进行分析具有一定的负载性。针对大跨屋盖结构中的流场进行分析，往往会呈现出钝体特征。如此一来，便加剧了大跨屋盖结构周围流场的复杂性。在实践中会同时涉及到多个方面，包括但不限于撞击方面、分离方面、再附方面、绕流方面、环绕方面、脱落方面等。在受到以上各个方面的影响后，便会在精准模拟中出现冲撞，然后加剧了流体的复杂性。第三，一般情况下，存在于风场中的障碍物往往会选择在边界层中进行放置。如此一来，在设置风场流入面边界条件时，便会连带出诸多困难。4 大跨屋盖结构风荷载分布特性研究措施 目前，伴随着我国现代经济社会的不断发展，客观上促进了大跨屋盖结构的优化与完善，出现了越来越多的大跨屋盖结构，并受到了更多人的关注和重视。但同时，大跨屋盖结构作为一种风敏感结构，这表示大跨屋盖结构的流场绕流往往伴随着较大的复杂性。在此基础上，便需要企业和工作人员能够切实做好大跨屋盖结构的抗风设计，保证设计符合标准与规范。目前，在开展大跨屋盖结构抗风设计工作期间，更多会选择应用风洞试验方法和 CFD 数值模拟方法。第一，工作人员需要建立起典型的标准立方模型，以此为前提开展研究工作。其中，结合不同的工况针对 CFD 数值模拟进行研究计算，然后针对处于标准状态的立方体迎风面进行分析，判断分析过程中的上风压系数分布情况。同时，在开展分析工作的过程中，也需要关注计算域的几何尺寸情况，把握其改变所带来的模拟结果变化影响。通过分析可以发现，与进风口和模型之间的 X 距离数值，往往会连带出大跨屋盖中国科技期刊数据库 工业 A-139-结构模型表面风压方面的分布变化影响。如果其中的距离 X 数值比较小，气流与模型之间一般不会发生充分地撞击。之后，观察迎风面的情况，可发现其中心风压的数值是比较大的，也会在模型的周边出现了比较强烈的气体扰动，产生了比较强烈的紊流。反之，如果距离 X 数值比较大，更多会在计算域内出现了气流的充分发展后，方能够同模型之间出现撞击。同时，对撞击进行观察，其本身也比较平稳，并伴随着相对较弱的气体扰动，然后对迎风面的风压进行关注，其分布同样比较平缓。除了距离 X 数值带来的应先外，尾流计算长度Y数值同样会产生模拟结果方面的影响。其中，如果 Y 数值处于比较小的状态时，在模型中有气流绕过后，一般不会在尾流方面提供充足的计算长度，这就导致其不能够针对气流的流动情况进行真实地模拟。反之，如果 Y 数值是比较大的状态时，在模型后有气流绕过后，并提供了充足的尾流发展空间，方能够达到同真实气流流动更加契合的效果，也能够在进行风场实际模拟的过程中，获取到更为真实、更为精准的模型表面风压分布结果。第二，在大跨屋盖结构风荷载分布特性研究中，模拟的结果往往会受到不同的湍流模型影响。其中，如果所使用的是 k-模型，一般不适用于对大跨屋盖结构的有关流体冲撞、分离问题分析研究，也不适合针对钝体的绕流问题进行研究。具体来看，在实际应用 k-模型的过程中，对比其他模型在研究中的应用，更容易对模型中迎风卖你的顶部湍动能生成项进行高估，然后在完成模拟后所得出的最终模型中出现了顶部压力不准去分布和壁面压力不准确分布的问题。在此基础上，便很难真正针对模型的顶部分离区进行有效地预测，也会造成湍流预测过高的问题。第三，在开展大跨屋盖结构风荷载分布特性研究工作的过程中，其中数值模型计算结果、计算效率等多个方面，均容易受到模型计算网格划分情况的影响。具体来看，在进行网格划分工作期间，如果所划分的网格存在过于稀疏的问题，往往很容易造成计算结果精度的影响。不过，如果只是选择对网格的划分密度进行提升，也不能够完善保证最终模拟结果具有较好的真实性和精准性，反而会在一定程度上造成了计算工作量的增加，也会影响到实际工作开展中的效率和质量。5 大跨屋盖结构风荷载分布特性研究优化 近些年来，伴随着我国 CFD 数值模拟技术的不断发展和创新优化，在当前很多风工程中都得到了广泛地应用，并受到了越来越多研究人员的关注和重视。尤其是在我国近些年计算机硬件设备不断发展的过程中，同样带动了计算风工程的建设。不过，在这一过程中仍然需要重视起钝体绕流问题，把握好其复杂性特点。在此基础上，如果仍然使用计算机开展模拟工作，往往会存在很多困难。同时，从 CFD 数值模拟技术应用的反馈来看，在针对钝体绕流问题进行解决时，其实际能够达到的效果尚不够成熟，仍然存在诸多需要解决的问题。对此，这就需要建立起更加科学、更加完善的湍流模型，采取更加科学的计算方法，构建更加高效的计算机。第一，在实际应用 CFD 数值模拟技术开展大跨屋盖结构风荷载分布特征分析工作的过程中，需要保证所选择工况的全面性，保证计算结果的精准性。同时，针对实际的试验数据做好分析与比对，确保最终可以获得到更为具体的参数设置范围。另外，结合这一问题，同样需要做好相关模型建设，通过相关模型的利用来完成对风洞试验的研究，也能够在开展数值模拟工作的过程中，为其提供更有价值的参数数据支持。第二，在现代风工程领域发展建设的过程中，针对大跨屋盖结构做好风荷载的模拟是十分重要的，也是一项热点话题。具体来看，大跨屋盖结构对比主体结构往往更容易受到外界因素影响，从而造成大跨屋盖结构的破坏。同时，大跨屋盖结构的风致效应也十分复杂。实践中，还需要针对大跨屋盖结构的表面风压和相关附属结构风压分布做好分析考量，提供更为深入地分析。第三，进一步优化大跨屋盖结构中开孔结构表面的风压分布影响分析，针对结构开孔风致内压进行提炼总结，保证研究内容的全面性。6 结束语 综上所述，伴随着我国现代经济社会的高速发展，客观上促进了大跨屋盖结构的优化与完善，出现了大量大跨屋盖结构。但同时，大跨屋盖结构也是一种风敏感结构，并伴随着十分复杂的流场绕流情况。在大跨屋盖结构实际设计的过程中，仅仅是一般的设计规中国科技期刊数据库 工业 A-140-范很难真正满足大跨屋盖结构在抗风设计方面的需求。因此，这就需要进一步做好大跨屋盖结构风荷载分布特性方面的研究，提高大跨屋盖结构的抗风设计质量，保障大跨屋盖结构的安全性和稳定性。参考文献 1 王 芳,王 思 怡,谢 敬 凯 等.建 筑 装 饰 条 带 对 大 跨 屋 盖 表 面 风 荷 载 特 性 影 响 的 研 究 J.工 业 建筑,2023,53(08):82-88,227.2 王 辉,张 鑫,胡 正 生 等.大 跨 裙 摆 屋 盖 脉 动 风 荷 载 特 性 数 值 模 拟 研 究 J.应 用 力 学 学报,2020,37(05):1965-1971,2317.3钟建海,陈水福,罗飞文.大跨叠合曲面屋盖风荷载分布特性研究J.结构工程师,2023,39(04):84-89.4张特,李方慧,袁中亚等.复杂体型大跨度体育馆风荷载数值模拟J.黑龙江大学工程学报(中英俄文),2023,14(02):72-78.5魏利军.高墩大跨梁桥风荷载计算方法及数值比较J.建筑机械,2023(05):148-152.6王浩,李宇青,姜会民等.考虑风向角和周边建筑影响的大跨气膜煤棚风荷载特性试验研究 J.石家庄铁道大学学报(自然科学版),2022,35(02):20-25.基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目“基于 CFD 技术对大跨屋盖结构风荷载分布特性的研究”。