考虑流固耦合的大跨度屋盖结构风振响应数值模拟

论文摘要

随着科学技术的发展和施工工艺的进步，大跨度屋盖结构由于具有优美的外形和能提供尽可能大的无内柱空间等特点，近年来被广泛地应用于机场、体育馆等大型公共建筑中。随着大跨度屋盖结构向着大型化和轻质化方向发展，风荷载逐渐成为其主要的控制荷载。但是大跨度屋盖结构的风荷载理论却未能随之发展，各国规范中关于大跨度结构风振方面的内容几乎是空白。因此深入研究大跨度屋盖结构的风荷载及风振响应具有极其重要的工程应用价值和学术研究意义。本文主要是基于通用有限元软件ADINA模拟大跨度屋盖结构的流体—结构耦合作用风致动力响应。采用Lagrangian方法来描述结构动力学控制方程。假定流体为粘性不可压缩流体(气体)，采用ALE方法来描述流体流动的动力学控制方程。同时采用基于流动条件插值(FCBI)的三维单元的稳定有限元求解技术，来避免数值计算的不稳定性。所采用的湍流模型为大涡模拟。本文首先模拟了矢跨比分别是1／3、1／4、1／5、1／6的单层球面网壳和矢跨比分别是1／2、1／3、1／4的单层柱面网壳。球面网壳的压力系数的趋势和数值与风洞试验的结果基本吻合。说明该方法可以很好的模拟该种结构的风振响应。同时发现入口风速对大跨单层网壳的位移风振系数和压力系数的影响不大。对济南火车站风雨篷进行流体—结构耦合作用风致动力响应数值模拟，模型采用实际尺度，并且分别建立了有广告牌和无广告牌的情况，以及刚性模型和气弹模型，获得了各种情况下的表面风压分布系数和风振系数。结果表明无广告牌的屋面风压系数明显比有广告牌的屋面风压系数大，可以看出广告牌对结构起到了一定的挡风作用，有效的减小屋面风压。并且将有广告牌的刚性模型与已有的风洞试验做出比较发现风向角90度和270度时数值模拟和风洞试验的结果曲线趋势基本一致，数值模拟的曲线基本上在风洞试验结果的平均线上。0度和180度的结果有一定的差距，可能是由于风洞试验考虑了周围建筑的影响而数值模拟没有考虑周边影响以及数值计算模型简化的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 建筑结构风荷载的主要研究方法
• 1.2.1 现场实测
• 1.2.2 理论分析
• 1.2.3 风洞试验
• 1.2.4 CFD数值模拟技术概述
• 1.3 国内外研究的现状
• 1.3.1 大跨度屋盖结构抗风研究的试验现状
• 1.3.2 数值计算方法
• 1.3.3 湍流模型
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 CFD数值模拟技术
• 2.1 引言
• 2.2 不可压缩流体流动控制方程
• 2.3 结构动力学控制方程
• 2.4 流体-结构耦合作用（FSI）数值模拟
• 2.4.1 流固耦合边界控制条件
• 2.4.2 FSI耦合系统的有限元方程
• 2.4.3 FSI双向耦合系统的求解算法
• 第三章 单层网壳结构风致动力响应的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 单层球面网壳的风致动力响应数值模拟
• 3.2.1 有限元计算模型及网格划分
• 3.2.2 数值模拟结果分析
• 3.2.3 风振系数比较
• 3.2.4 风压分布系数比较
• 3.3 单层柱面网壳的风致动力响应数值模拟
• 3.3.1 有限元计算模型及网格划分
• 3.3.2 数值模拟结果分析
• 3.3.3 风振系数比较
• 3.3.4 风压分布系数比较
• 3.4 小结
• 第四章 大跨度屋盖结构风振响应数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 工程概况
• 4.3 风洞试验概述
• 4.3.1 风洞设备
• 4.3.2 试验模型
• 4.3.3 风场模拟
• 4.3.4 风洞试验结果
• 4.4 数值计算
• 4.4.1 有广告牌刚性模型
• 4.4.2 有广告牌气弹模型
• 4.4.3 无广告牌刚性和气弹模型
• 4.5 小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与研究成果
• 学位论文评阅及答辩情况表