大跨度屋盖围护结构风致破坏数值模拟研究

论文摘要

大跨屋盖建筑因其外形美观、功能实用而在大型公用建筑工程中不断涌现。此类建筑自重轻、阻尼小,对风荷载比较敏感,极易受到强风的破坏,同时随着电子计算机和计算流体动力学（CFD）理论的迅速发展,结构风工程研究除了继续采用风洞模型试验这一传统和主要的研究手段外,数值模拟技术以其独特优势在结构风工程领域得到了应用,为建筑风荷载研究提供了一条有效的途径和另一种新的研究方法。本文利用计算流体动力学（CFD）软件CFX11.0,采用基于雷诺平均（RANS）方法的SST k-ω湍流模型对典型大跨度屋面结构风致破坏进行模拟分析,探索屋面风致破坏机制并分析破坏原因,提出了若干大跨屋面防范和减轻强风灾害的合理抗风措施。主要工作如下：1.对若干平屋盖大跨度结构进行了不同破坏开口大小数值模拟,并将结果和内压估算理论进行对比,然后又利用本文方法与文献数值模型结果进行对比,验证数据的可靠性。2.由于大跨度平屋盖边缘等几何外形突变的部位是屋盖的薄弱环节,屋盖的风致破坏往往由这些部位开始。本文对大跨度平屋盖风致破坏过程进行了二维数值模拟,并且根据不同的入口大小和位置模拟了若干工况,研究屋盖风致破坏后开口从小到大发展过程中,屋盖开口附近风压系数的变化规律。3用同样的方法,对大跨度柱状屋盖风致破坏过程进行了二维数值模拟,考虑此结构屋盖风压受矢跨比影响明显,分别讨论了高低两种矢跨比的情况,研究风致连续破坏过程中屋盖开口附近风压系数的变化规律,为大跨度屋盖局部抗风设计提供参考。4.不同风向作用下屋盖的风压分布有差别。本文分别模拟了在0°和30°风向角下,三维足尺寸大跨度平屋盖结构在锥形涡和柱状涡作用的高负压区域破坏开口,研究和分析破坏开口前后局部风压变化规律,并同时部分与风洞试验结果进行了对比分析,说明风荷载CFD数值模拟方法在大跨度屋面结构的风压计算方面的可行性和优越性。图66幅,表5个,参考文献44篇。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 屋面风荷载及风致破坏机理
• 1.3 屋盖结构抗风研究现状
• 1.3.1 屋盖结构抗风研究现状
• 1.3.2 屋盖结构的风致动力效应研究
• 1.4 本文的主要工作
• 2 计算流体动力学（Computational Fluid Dynmaies）理论
• 2.1 引言
• 2.2 计算流体动力学基本原理
• 2.2.1 CFD的求解过程
• 2.2.2 空气绕钝体流动的基本方程
• 2.2.3 纳维尔一斯托克斯（Navier-stokes）方程的计算方法
• 2.2.4 数值离散的方法
• 2.3 CFD数值模拟
• 2.3.1 计算域及边界条件
• 2.3.2 湍流模型
• 2.3.3 网格划分
• 2.3.4 求解方法和收敛控制
• 3 大跨度屋盖围护结构风致连续破坏过程模拟
• 3.1 引言
• 3.2 与已知模型对比分析
• 3.2.1 已知模型描述
• 3.2.2 模拟结果比较
• 3.3 开洞理论分析
• 3.3.1 风致平均式的导出
• 3.3.2 模拟结果比较
• 3.4 大跨度平屋盖围护结构风致连续破坏过程模拟
• 3.4.1 模拟工况介绍
• 3.4.2 几何建模及边界条件
• 3.4.3 平屋盖破坏过程模拟结果对比和分析
• 3.5 大跨度柱状屋盖围护结构破坏过程数值模拟
• 3.5.1 模拟工况介绍
• 3.5.2 几何建模及边界条件
• 3.5.3 低矢跨比柱状屋盖各工况平均风压系数模拟结果分析
• 3.5.4 高矢跨比柱状屋盖各工况平均风压系数模拟结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 典型风向角下大跨度屋盖风致破坏开口处平均风压分析
• 4.1 引言
• 4.2 风洞试验与数值模拟
• 4.2.1 风洞试验介绍
• 4.2.2 CFD数值模拟
• 4.3 柱状涡风致破坏分析
• 4.3.1 模拟工况介绍
• 4.3.2 大跨度结构封闭工况模拟
• 4.3.3 大跨度结构迎风墙入口开敞工况模拟
• 4.3.4 大跨度结构迎风墙背风墙入口开敞模拟
• 4.3.5 大跨度结构侧风向一侧入口开敞工况模拟
• 4.3.6 大跨度结构四周入口开敞工况模拟
• 4.4 锥形涡风致破坏分析
• 4.4.1 几何建模及边界条件
• 4.4.2 大跨度结构封闭工况模拟
• 4.4.3 大跨度结构迎风墙入口开敞工况模拟
• 4.4.4 大跨度结构迎风墙背风墙入口开敞工况模拟
• 4.4.5 大跨度结构四周入口开敞工况模拟
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集