大跨悬挑屋盖风荷载特性与辅助气动措施研究

论文摘要

体育场看台悬挑屋盖具有跨度大、结构柔、重量轻等特点,是一种典型的风敏感结构。正确确定悬挑屋盖表面的风荷载是进行该类结构抗风设计的重要环节,虽然现行规范在这方面有所规定,但还相当不全面,因此有必要开展系统、深入地研究。另一方面,鉴于悬挑屋盖的风敏感性质,借鉴桥梁和高层结构的经验,通过引入某种附加气动装置改善其绕流特性,从而达到减小风荷载的目的,也是一种值得探讨的结构抗风设计思路。为此,本文以CFD数值模拟技术为手段,对悬挑屋盖结构的风荷载分布特性进行了详细研究,并提出了较为简单实用的气动抗风措施,为该类结构的抗风研究和工程设计提供参考。主要工作包括以下几方面:1)利用CFD数值模拟技术对流场进行模拟时计算参数众多,计算精度与多重因素有关,因此首先以试验结果为依据,对不同的湍流模型下标准方柱体绕流结果进行了详尽的对比分析,给出了在模拟平均风荷载与脉动风荷载时所选用湍流模型的建议,从而保证了后续数值模拟工作的正确性。2)采用RANS模型对悬挑屋盖结构的平均风荷载分布进行了系统分析,探讨了独立的悬挑屋盖结构附近流场的变化及上下表面风压分布规律,在此基础上进一步分析了看台后部通风率、屋盖倾角以及下部看台形式不同时屋盖上下表面风荷载分部的变化情况,确定了主要的影响因素;针对实际工程中存在相对看台的情况,对比了存在上游看台干扰时下游看台屋盖上下表面风压分布的变化。3)利用LES模型对屋盖表面脉动风荷载的分布进行了模拟,对比了屋盖表面脉动风压系数分布、脉动风荷载概率分布特性、频谱特性、空间相关性等特点,并从气流分离与屋面漩涡运动的角度解释了产生这种现象的原因。4)提出了两种可行的大跨悬挑屋盖结构气动抗风措施——在屋盖前缘设置导流板或通风孔,通过参数化分析得到了设置前后屋盖表面的风压变化情况,给出了具体的参数取值建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 计算风工程
• 1.2.2 悬挑屋盖结构风荷载研究
• 1.2.3 气动抗风措施研究
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 第2章 CFD数值模拟技术
• 2.1 粘性流动基本方程
• 2.1.1 本构方程
• 2.1.2 连续性方程
• 2.1.3 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 有限差分法
• 2.2.2 有限元法
• 2.2.3 有限体积法
• 2.3 湍流计算方法
• 2.3.1 雷诺时均方法
• 2.3.2 大涡模拟方法
• 2.3.3 直接数值模拟方法
• 2.4 不同湍流模型方柱扰流计算结果比较
• 2.4.1 数值模型建立
• 2.4.2 数值计算结果比较与讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 悬挑屋盖平均风荷载特性分析
• 3.1 数值计算模型
• 3.1.1 几何模型
• 3.1.2 边界条件
• 3.1.3 分析参数设置
• 3.1.4 来流风向角的选取
• 3.2 不同形式屋盖结构表面风压分布比较
• 3.2.1 屋盖周边流场分布特性
• 3.2.2 看台后部通风率对屋盖表面风压影响
• 3.2.3 屋盖倾角对屋盖表面风压影响
• 3.2.4 下部看台对屋盖表面风压影响
• 3.2.5 上游看台对下游屋盖表面风压影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 悬挑屋盖脉动风荷载分布特性
• 4.1 特征湍流
• 4.2 数值计算模型
• 4.2.1 计算模型与网格布置
• 4.2.2 边界条件的设置
• 4.2.3 求解及数据采样设置
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 脉动风压系数分布
• 4.3.2 脉动风压概率分布特性
• 4.3.3 脉动风压的频谱特性
• 4.3.4 脉动风压空间相关性
• 4.4 本章小结
• 第5章 悬挑屋盖气动抗风措施研究
• 5.1 屋盖前缘设置导流板
• 5.1.1 竖直导流板
• 5.1.2 水平导流板
• 5.2 屋盖前缘设置通风口
• 5.2.1 开孔率的影响
• 5.2.2 开孔位置的影响
• 5.2.3 开孔形式的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢