空间矩形管桁架风致性能分析与现场荷载试验研究

摘要

大型空间结构在近年来发展迅速，因其材料强度高、阻尼小、可用空间大等优势使得大型空间结构向造型复杂化、体积轻量化等方向发展。大型空间结构的这些特点以及风荷载的复杂性使其对风荷载的敏感性增强。而且结构周围风场绕流比较复杂，经常伴随着气流撞击、分离、再附着、漩涡脱落等现象，拟定常假设不再适用。并且由于大型空间结构的复杂性，现行建筑结构荷载规范中没有类似的外型可供参考，结构抗风设计缺乏足够的规范性指导，因此大型空间结构表面风荷载特性的研究对结构抗风设计具有重大意义。
　　目前人们对大型空间结构风荷载特性的主要研究方法是风洞试验和CFD数值模拟。随着计算机技术的不断发展，尤其是计算流体力学理论的快速发展，相比较于昂贵繁琐的风洞试验，研究者更青睐于数值风洞模拟大型空间结构表面的风荷载特性。由于国内外对于大型空间结构模拟风荷载的现场荷载试验的研究较少，故开展现场风荷载试验很有研究意义和价值。
　　本文以分析软件ANSYS中的流体模块和静力模块为计算平台，分别对结构进行数值风洞模拟与静力分析，并在此基础上进行现场模拟风荷载试验。主要研究内容与取得的结论如下：
　　1.以刘寨柯高速公路收费站的钢结构罩棚为工程背景，运用流体分析模块CFX对其收费棚建立全比例尺建筑模型，进行风荷载数值风洞模拟研究，得出屋盖结构在不同风向角下的风压分布和平均风压系数。通过研究此结构的风荷载特性，得出最不利风向角下的罩棚表面分区的局部体型系数，为此结构的静力分析与现场荷载试验提供参考数据。
　　2.运用ANSYS静力分析模块对该工程的钢结构罩棚在风荷载作用下的结构响应进行了静力分析，确定结构在风荷载作用下应力及整体变形响应，分析矩形管桁架应力变化规律，明确了结构的实际受力状况。在静力分析的基础上进行现场荷载试验研究，并提出了新型的现场加载方法，获得了罩棚结构的内力、位移等试验数据。将静力分析与现场荷载试验进行对比，数据表明模拟分析值与现场荷载试验值吻合较好。
　　3.研究结果显示所有测点的应力值与试验工况呈线弹性变化，表明该结构处于弹性变化范围内。该试验研究方法可为类似工程的现场荷载试验提供参考，试验结果为该工程正常使用和后期运营及维护提供技术支撑。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2结构抗风的研究方法

1.3风工程的研究现状

1.4本文的研究内容

第2章数值风洞模拟理论与方法

2.1风荷载特性分析

2.2基本控制方程

2.3湍流数值模拟方法

2.4湍流物理模型

第3章 矩形管桁架罩棚数值风洞分析

3.1引言

3.2工程概况

3.3数值风洞模拟

3.4计算结果与分析

3.5风荷载体型系数

3.6本章小结

第4章 矩形管桁架静力分析

4.1工程概况

4.2荷载及荷载组合

4.3有限元建模

4.5模拟结果分析

4.6本章小结

第5章矩形管桁架静力分析与现场荷载试验

5.2荷载试验

5.3静力模拟值与试验值对比

5.4本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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