大跨度环形悬挑屋盖结构表面风荷载特性研究

论文摘要

随着我国经济建设的进步和科学技术的进步,一些大跨度的结构(如体育场等)逐渐兴起,这类结构通常因为跨度大、质量轻、自振频率较低且密集的原因,使得其对风的敏感性很强,故而其表面的风荷载的往往是主体结构和围护结构设计的控制荷载。目前对大跨屋盖结构风荷载特性的认识还很不全面,在其抗风设计理论研究方面也一直进展缓慢。由于大跨度悬挑屋盖结构风荷载特征的复杂性,本文对湖南省郴州市体育中心体育场进行了缩尺比为1:100刚性模型风洞试验。在对风洞试验记录的数据和数值模拟的结果进行分析的基础上,研究了这类大跨度环形悬挑屋盖结构表面的风荷载特性,对其表面的风压分布、空间相关性、及周围建筑的干扰效应进行分析,为体育场屋盖的抗风设计提供依据,并得到了一些对类似外形结构表面风压分布的有参考意义的结论。本文的主要研究工作和结论有:(1)文中对体育场进行刚性模型风洞试验,并对试验数据进行分析,得到各个角度下屋盖表面上的平均风压系数。大跨屋盖上净风压以负为主。(2)通过计算屋盖上、下表面脉动风压时程的相关系数,发现相关性较强,且不同测点净脉动风压的相关系数随着距离的增大而减小。下风处屋盖上下表面脉动风压的相关性还会受到上风处屋盖的干扰而削弱。(3)在各个风向角下,体育场屋盖上的两个上下表面同步测压的测压点的净脉动风压在低频阶段的相干性会随着这两个测点距离的增加而降低,而距离变化对高频阶段的相干性影响不大。(4)体育馆对附近体育场屋盖结构表面上的风荷载影响较大。体育馆的阻挡和分流作用,改变了附近体育场屋盖处的风场,干扰此处屋盖表面的平均风压分布,削弱了此处测压点上、下表面脉动风压的相关性及各测点净风压的空间相关性。(5)从风洞试验和数值模拟的结果对比中,可知模拟结果的负压要略大于试验结果,究其原因是负压由拐角区域漩涡脱落引起,而数值模拟中计算模型的拐角是理想化的尖角,加速了漩涡脱落和流动分离,从而导致了负压偏大。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大跨屋面盖结构风致破坏机理
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 风工程的研究现状
• 1.3.2 风工程的研究手段
• 1.3.3 大跨度屋盖的风荷载特性研究现状
• 1.4 本文的研究背景及主要工作
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 2 风洞试验
• 2.1 大跨环形悬挑结构的模型设计与制作
• 2.2 风洞设备和风场模拟
• 2.2.1 试验风洞及测量系统
• 2.2.2 相似理论
• 2.2.3 风场模拟
• 2.3 试验工况及风压测试方法
• 2.4 测点数据处理
• 2.5 小结
• 3 大跨环形悬挑结构的风荷载特性分析
• 3.1 大气边界层中的风
• 3.1.1 平均风的描述
• 3.1.2 脉动风的主要特性
• 3.2 屋盖表面平均风压与极值风压
• 3.2.1 平均风压
• 3.2.2 极值风压
• 3.3 大跨环形悬挑结构的脉动风压特性
• 3.3.1 屋盖表面测点的风压系数时程曲线
• 3.3.2 屋盖表面测点脉动风压时程概率分布研究
• 3.3.3 脉动风压功率谱特征
• 3.4 屋盖表面内外风压的相关性分析
• 3.5 水平方向风压的相关性分析
• 3.6 临近的体育馆对体育场大跨屋面表面风压的干扰影响
• 3.7 本章小结
• 4 数值模拟
• 4.1 湍流控制方程
• 4.1.1 雷诺平均法数值模拟
• 4.1.2 Realizable k-ε模型
• 4.1.3 控制方程的离散化和求解
• 4.2 Fluent 简介
• 4.3 计算模型与参数设置
• 4.4 屋盖结构表面风压的数值模拟计算
• 4.4.1 计算域及网格划分
• 4.4.2 边界条件的设置及壁面处理
• 4.4.3 求解器的设置
• 4.5 屋盖表面风压数值模拟计算结果及与风洞试验结果的比较
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 各个角度下屋盖上测点的净平均风压系数
• B 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录