考虑流固耦合风振响应的低矮轻型房屋抗风数值模拟

摘要

目前轻型门式刚架这种低矮轻型房屋已广泛应用于工业厂房、展览馆、集贸市场、货场仓库、小型办公楼等方面。同时，这种结构重量轻、跨度大，对风荷载比较敏感，不利于结构抗风，在我国东南沿海地区，理所当然成为风灾中的“重灾户”。已有的灾情调查、试验和理论研究均表明轻钢屋面等围护结构与主体结构相比在遭受台风时更易发生损坏，因此研究低矮轻型房屋屋盖结构的风荷载及风振响应具有极其重要的工程应用价值和学术研究意义。 本文主要是基于通用有限元软件ADINA模拟低矮轻型房屋在考虑流体一结构耦合作用下的风致动力响应。采用Lagrangian方法来描述结构动力学控制方程。假定流体为粘性不可压缩流体，采用ALE方法来描述流体流动的动力学控制方程。同时采用基于流动条件插值（简称FCBI）三维单元的稳定有限元求解技术，来避免数值计算的不稳定性。 本文首先采用SSTk-ω湍流模型模拟了原型试验中颇具影响的TTU建筑模型，得到TTU建筑相应测点风压力系数与现场实测结果基本吻合，说明该方法可以很好的模拟该种结构的风荷载特性。 然后以门式刚架这种典型的低矮轻型房屋为例，分别建立不同坡角、房屋高宽比、长宽比和不同女儿墙高度、挑檐长度的低矮轻型房屋气弹性模型，模拟各种情况下房屋屋面的风压分布系数及风振系数，总结出建筑体型和构造对低矮轻型房屋屋面风荷载特性的影响。结果表明：随坡度增加，迎风屋面风吸力变化不大，背风屋面风吸力增大；随高宽比或长宽比增加，整个屋面风吸力增大；加女儿墙后，迎风屋面风吸力变大，并随女儿墙增高而增大，背风屋面风吸力明显变小，并随女儿墙增高变化不大，而且背风屋面角区出现了较大风压力，所以一旦存在女儿墙，规范中风压取值考虑的就不够全面；挑檐能够减小整个屋面风吸力，且随挑檐加长，迎风屋面风吸力减小，背风屋面风吸力基本不变；各种情况下，屋脊和迎风屋面屋檐边缘带风吸力较大，易发生破坏。根据以上结论，工程设计时可以对屋面易破坏区域采取适当的加强措施，从而减少风灾造成的损失。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1结构风灾

1.1.2低矮轻型建筑屋面风致破坏机理

1.2低矮轻型房屋抗风研究方法

1.2.1现场实测方法

1.2.2风洞试验方法

1.2.3数值模拟(CFD)方法

1.3低矮轻型房屋屋面风荷载特性的研究现状

1.3.1低矮轻型房屋屋面风荷载特性的国外研究现状

1.3.2低矮轻型房屋屋面风荷载特性的国内研究现状

1.4本文的主要研究工作

第二章数值模拟理论基础和数值模拟方法验证

2.1引言

2.2不可压缩流体流动控制方程

2.2.1控制方程

2.2.2边界条件和初始条件

2.3结构动力学控制方程

2.3.1平衡方程

2.3.2本构方程

2.4流体-结构耦合作用数值模拟

2.4.1流固耦合边界控制条件

2.4.2 FSI耦合系统的有限元方程

2.4.3 FSI双向耦合系统的求解算法

2.5 TTU模型风压数值模拟试算

2.5.1数值计算模型

2.5.2计算结果及分析

2.6本章小结

第三章建筑体型对低矮轻型房屋层面风荷载影响的分析

3.1引言

3.2有限元计算模型及网格划分

3.3坡角对屋面风荷载作用的影响

3.3.1计算模型尺寸

3.3.2计算结果分析

3.4高宽比对屋面风荷载作用的影响

3.4.1计算模型尺寸

3.4.2计算结果分析

3.5长宽比对屋面风荷载作用的影响

3.5.1计算模型尺寸

3.5.2计算结果分析

3.6本章小结

第四章建筑构造对低矮轻型房屋屋面风荷载影响的分析

4.1引言

4.2女儿墙高度对屋面风荷载作用的影响

4.2.1带女儿墙房屋的有限元计算模型

4.2.2计算模型尺寸

4.2.3计算结果分析

4.3挑檐长度对屋面风荷载作用的影响

4.3.1带挑檐房屋的有限元计算模型

4.3.2计算模型尺寸

4.3.3计算结果分析

4.4本章小结

第五章结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与研究成果