流場模擬和結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)研究

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1、流場模擬和結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)研究第一章緒論Fig.1.1Thefabricwastorebywindduringconstruction圖1.2蘇州體育館風(fēng)毀情況Fig.1.2SuzhouStadiumwinddamagecase在現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中，上述結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)并不完善，風(fēng)與結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的相互耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)分析提出了巨大挑戰(zhàn)。因此結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)研究越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注與重視。結(jié)構(gòu)在風(fēng)場中受到風(fēng)壓脈動(dòng)作用，產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)，尤其是諸如膜結(jié)構(gòu)等大跨空間柔性結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下的振動(dòng)幅度比較大，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將影響

2、周圍風(fēng)場從而改變作用于結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，存在結(jié)構(gòu)與風(fēng)的相互作用，即流固耦合現(xiàn)象，也即氣彈效應(yīng)[3][4]。并且大跨柔性空間結(jié)構(gòu)輕柔的特點(diǎn)使得這些結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)場繞流復(fù)雜，結(jié)構(gòu)流固耦合效應(yīng)更加明顯，表面風(fēng)壓分布差異顯著[5]。結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)迫切需要保證結(jié)構(gòu)能夠抵御風(fēng)振引起的動(dòng)力作用和可能發(fā)生的最大荷載，避免結(jié)構(gòu)風(fēng)振破壞和空氣動(dòng)力失穩(wěn)。如何將動(dòng)風(fēng)作用和結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)合理地轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)人員易于理解和接受的關(guān)鍵抗風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)以方便設(shè)計(jì)使用？如何揭示結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場特征，把握風(fēng)和結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的耦合作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的全過程模擬，保證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)

3、作用下的安全性，這些是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題?，F(xiàn)今，對(duì)結(jié)構(gòu)尤其是大跨度空間結(jié)構(gòu)的流固耦合問題分析方法、耦合作用機(jī)制以及考慮流固耦合作用的結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)（風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)、風(fēng)壓分布）問題仍處于研究探索和不斷積累的階段，可用的成果十分有限[6]。２流場模擬和結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)研究第一章緒論1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1風(fēng)工程的研究現(xiàn)狀風(fēng)工程是空氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、氣候?qū)W、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、有限元理論、隨機(jī)振動(dòng)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等學(xué)科相互滲透而發(fā)展起來的交叉學(xué)科。它是研究大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)與人類在地球表面的活動(dòng)以及所創(chuàng)造的物體之間相互作用的科學(xué)。結(jié)構(gòu)風(fēng)

4、工程是風(fēng)工程的一個(gè)重要分支，主要研究近地紊流風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地作用[7][8]。國際上對(duì)風(fēng)工程的研究已有40余年的歷史。60年代，Scanlan和Davenport[9] 對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究奠定了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振理論。70年代，鈍體空氣動(dòng)力學(xué)得到研究。 80年代，鈍體空氣動(dòng)力學(xué)的理論研究成果開始為工程設(shè)計(jì)服務(wù)。90年代，人們認(rèn)識(shí)到線性風(fēng)振理論已不能適應(yīng)風(fēng)載作用下發(fā)生一定變形的柔性結(jié)構(gòu)，開始考慮風(fēng)與結(jié)構(gòu)耦合作用。不同類型大跨屋蓋系統(tǒng)的風(fēng)工程研究已有不少富有啟發(fā)性的理論和成果。Nakayama等[10]通過對(duì)半球狀充氣膜結(jié)構(gòu)的氣彈模型風(fēng)洞

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用剛性模型表面風(fēng)壓作為外荷載的有限元計(jì)算結(jié)果比較，分析了膜結(jié)構(gòu)耦合作用的影響；Halfman[11]對(duì)系列充氣膜結(jié)構(gòu)的剛性模型和彈性模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究；Irwin 和Wardlaw[12]對(duì)Montreal奧林匹克體育館屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行的氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，一直 是柔性結(jié)構(gòu)氣彈性能研究的經(jīng)典文獻(xiàn)，被廣泛引用。Uematsu和Uchiyama[13]總結(jié) 了索膜結(jié)構(gòu)氣彈振動(dòng)的規(guī)律。德國Gluck和Halfmann等[11]研究了膜結(jié)構(gòu)流固耦合的數(shù)值模擬。我國學(xué)者在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程領(lǐng)域同樣做出可喜成果。發(fā)展了以風(fēng)速曲線的計(jì)算

6、機(jī)模擬為基礎(chǔ)的非線性隨機(jī)振動(dòng)時(shí)域分析方法，部分考慮了風(fēng)與結(jié)構(gòu)的流固耦合作用；研究了大跨度結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)[2-6]。風(fēng)工程的研究方法包括現(xiàn)場實(shí)測、實(shí)驗(yàn)室模擬（主要是風(fēng)洞模擬）和理論分析（包括數(shù)值計(jì)算）。現(xiàn)場實(shí)測是最直接的研究手段，對(duì)于檢驗(yàn)其余兩種方法的可靠程度是不可缺少的，但它費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢、費(fèi)人力，而且無法在建筑物建設(shè)之前進(jìn)行。當(dāng)前主要的研究手段人仍然是實(shí)驗(yàn)室模擬，盡管現(xiàn)場量測平均值和脈動(dòng)值與風(fēng)洞研究預(yù)測值相比，其一致程度只達(dá)到中等水平，但許多現(xiàn)場量測卻更多的暴露了現(xiàn)場研究的缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)工程師MINAMI等[14]現(xiàn)場實(shí)

7、測研究證實(shí)了風(fēng)洞試驗(yàn)的合理性。理論分析主要有結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)理論和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)兩種方法，前者已較為成熟地用于結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向亞臨界范圍內(nèi)的隨即振動(dòng)分析。而CFD的應(yīng)用還處于起步階段，卻顯示了良好的前景。目前，風(fēng)洞試驗(yàn)存在很多困難，具體表現(xiàn)在：（1）試驗(yàn)必須采用縮尺模型，一３流場模擬和結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)研究第一章緒論般比例在1:200~1:1000，這樣對(duì)風(fēng)載效應(yīng)有影響的建筑細(xì)部通常得不到合理的描述， 建筑物上尺寸較小構(gòu)件的風(fēng)載效應(yīng)也無法正確得到；（2）設(shè)計(jì)是個(gè)反復(fù)的過程，成功的建筑模型往往需要進(jìn)行多方案比較，由于風(fēng)洞試驗(yàn)的費(fèi)用昂貴，

8、實(shí)踐中不可能針對(duì)每個(gè)方案都進(jìn)行風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，結(jié)果得到的不一定是抗風(fēng)性能最好的結(jié)構(gòu)；（3）風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)壳斑€不能進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)暴風(fēng)場模擬，因而也就不能對(duì)結(jié)構(gòu)在罕見風(fēng)暴 作用下的特性作出恰當(dāng)?shù)拿枋?；?）風(fēng)洞試驗(yàn)的雷諾數(shù)較實(shí)際工程中的要小2~3的數(shù)量級(jí)，因而在研究對(duì)雷諾數(shù)敏感的結(jié)構(gòu)風(fēng)載特性時(shí)面臨困難（如