建筑结构风场计算理论与数值模拟技术研究

摘要

随着社会经济的不断发展，人们的物质需求、精神需求不断提高，特别是近年来建筑行业中对大跨度、体型复杂等空间结构需求也大大增强了。这些柔性大、阻尼小、重量轻的现代结构随着跨度增大、体型特异，对风荷载会越来越敏感，因此风荷载是结构主要考虑的荷载因素之一。目前对结构风荷载特性的研究方法主要有理论研究、风洞试验、数值模拟及现场实测，且这四种方法相辅相成。而关于大跨度、复杂结构的抗风设计理论还在逐渐完善，我国现有的荷载设计规范及国外规范中也没有对此作出明确的规定。本文针对结构的风场特性进行了研究，主要的内容有以下几方面:
　　 1.基于结构抗风设计理论，对GB50009-2001、ASCE/SEI7-05和BS6399-2予以介绍、讨论和比较。各国规范关于风荷载的计算均体现了基本风速（风压）、地面粗糙度类别、体型系数、风压高度变化系数、风振系数等五个方面的内容。各国规范关于每个系数的理论基础基本一致，但英美两国规范对各系数考虑的影响因素比较全面，中国规范较简略。
　　 2.介绍了某体育会展馆的大跨度屋盖结构的刚性模型风洞试验研究。在风洞试验中，对屋盖进行单单上表面测压和上下表面同步测压，并测量在不同风向角情况下屋盖的风压分布。对屋盖测点的试验数据进行了处理和分析的基础上，研究了屋盖平均风压系数和脉动风压系数随风向角变化的分布特征，结果表明，正迎风时，体育会展馆屋盖的平均风压系数和脉动风压系数均较大。
　　 3.根据风场基本理论，讨论了计算风场构筑的原则、方法，可知计算风场需考虑合理的几何参数取值。接着以SRI模型为对象，详细分析了自然风场特性和建筑结构风场特性。
　　 4.首先讨论了结构风荷载数值计算基本方程和流固交互作用理论，然后采用ADINA有限元软件对一个工程算例进行了二维平面流固交互求解，得到流体域和固体域在流固接触面上的位移、速度和压强信息。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 结构抗风研究

1．2．1 风洞试验概述

1．2．2 现场实测方法概述

1．2．3 CFD数值模拟技术概述

1．3 结构等效静力风荷载研究

1．3．1 惯性风荷载法(Inertial Wind Loading，IWL法)

1．3．2 阵风荷载因子法(GLF法)

1．3．3 LRC法+惯性风荷载法

1．4 国内外结构风工程的研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 本文研究的内容和方法

第二章 国内外风荷载规范中风的主要特性

2．1 风的基本概念

2．2 自然风基本概念

2．2．1 自然风的形式

2．2．2 自然风的划分

2．3 环境风特性分析

2．3．1 基本风压

2．3．2 平均风速

2．3．3 平均风压系数

2．3 风对结构的作用

2．2．1 结构的风力

2．2．3 结构的风效应

2．3 风荷载基本参数

2．3．1 基本风速或风压

2．3．2 地面粗糙度类别

2．3．3 风压高度变化系数

2．3．4 体型系数

2．3．5 风振系数

2．4 中美英风荷载规范算例分析

2．4．1 算例设计条件

2．4．2 计算结果及其比较分析

2．5 本章小结

第三章 结构风荷载特性的风洞试验研究

3．1 概述

3．2 工程背景

3．3 风洞试验设备

3．3．1 风洞设备

3．3．2 测量系统

3．4 模型制作与测压点布置

3．4．1 刚性模型制作

3．4．2 测点布置

3．5 试验工况及风场模拟

3．5．1 试验工况

3．5．2 风场模拟

3．6 数据处理方法及试验结果

3．6．1 风压测试方法

3．6．2 平均风压分布特征

3．6．3 脉动风压分布特征

3．7 本章小结

第四章 建筑结构风场数值模型的构筑方法与理论研究

4．1 概述

4．2 风场描述的基本理论和方法

4．3 自然风场数值模拟研究

4．3．1 自然风场数值模拟的基本概念

4．3．2 自然风场的确定原则

4．3．3 自然风场的定义

4．3．4 自然风场数值模型的建立

4．3．5 自然风场数值研究

4．3．6 二维与三维自然风场数值比较分析

4．4 建筑结构风场的构筑研究

4．4．1 初始条件和边界条件的研究

4．4．2 计算风场的定义

4．4．3 分析模型的确定

4．4．4 结构计算风场的研究

4．4．5 风场外边界边缘的影响

4．4．6 风场内边界边缘的影响

4．4．7 二维和三维建筑结构风场的比较分析

4．5 本章小结

第五章 考虑耦合效应的结构风场计算理论与数值模拟研究

5．1 风荷载数值计算的基本理论

5．1．1 流体动力学基本方程

5．1．2 结构动力掌基本方程

5．1．3 数值理论计算方法

5．2 流固耦合作用理论与数值模拟

5．2．1 流固耦合的基本概念

5．2．2 流固耦合边界控制条件

5．2．3 流固耦合作用基本方程

5．3 算例分析

5．3．1 ADINA软件介绍

5．3．2 几何模型的建立

5．3．3 网格划分及边界条件设定

5．3．4 固体域计算结果

5．3．5 流体域计算结果

5．3．6 不同强度下结构比较分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文的结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文