大跨度空间钢桁架罩棚抗风数值探究

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1、大跨度空间钢桁架罩棚抗风数值探究　　【摘要】：大跨度空间结构的发展状况已成为衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志之一。目前，世界各国都极为重视空间结构的研究和应用，但由于大跨空间结构体型复杂多变，有关风荷载体型系数取值的研究仍不成熟，是结构工程中有待解决的问题之一。风洞实验和数值风洞模拟是目前主要的研究手段。本文结合某体育场风洞实验案例，给出实验结果的数据处理方法，并以此检验数值模拟的可行性和精确性。【关键词】：大跨度空间；罩棚式；抗风数值中图分类号：TU74文献标识码：A1、罩棚结构的平均风数值模拟8伴随着数值计算科学的迅速发展和计

2、算机硬件技术水平的高速提升，综合多种学科优势，计算风工程作为一门新兴学科得到迅速发展，成为结构风工程中极具发展前景的一个方向，也是当前国际风工程的一个研究热点。计算风工程的研究重点是钝体空气动力学。由于钝体周围的流场很复杂，它由撞击、分离、回流、环流和涡流等组成，因此，计算风工程包含了当今世界上被认为是最困难的所有流体动力学内容。目前，随着计算技术和软、硬件的飞速进步，加之湍流物理模型的发展，在结构风工程领域，对刚体建筑物壁面的平均风压及其周围风流场进行数值模拟己成为现实，受到了工程界和结构设计人员的欢迎。1.1、湍流的基本方程(1)质量

3、守恒方程质量守恒定律是任何流动问题都必须满足的，可简述为:一个封闭区域内所包含的流体质量增加的速率等于这一区域内流进和流出的流量之差。质量守恒方程（massconservationequation）为:式中：ρ是密度，U是速度矢量，u、v、w是速度矢量U在x、y、z方向的分量，t是时间。一般情况下，可以将低速流动的空气看作不可压缩流体，密度ρ为常数，这样式也可写为：(2)湍流数值模拟目前，湍流数值模拟可分为非直接数值模拟方法和直接数值模拟方法。直接数值模拟是在湍流尺度的网格尺寸内求解三维瞬态的控制方程，而非直接数值模拟方法是设法对湍流作某

4、种程度的近似和简化处理，放弃了对全尺度范围上涡的运动模拟。根据所采用的近似和简化方法不同，非直接数值模拟方法分为Reynolds平均法、大涡模拟和统计平均法。1.2、计算区域及控制方程的离散8在对实际问题进行数值模拟之前，可将连续的计算区域用网格线划分为有限离散点集，把计算域内有限数量位置上的因变量作为未知量来处理，从而将偏微分方程转化为各个节点上的代数方程组，即将控制方程在网格上离散。有限差分法、有限元法和有限体积法是三种常用的离散化方法，它们的不同之处在于因变量在节点之间的分布假设及推导离散方程的方法不同。1.3、数值模拟的边界条件数

5、值模拟成败的关键问题之一，是能否给定合理的边界条件。正确给定边界条件非常重要的，但并非一件轻而易举的事情。在抗风设计中进行流体计算，设置边界条件时，必须要考虑建筑物周围流动的外部流场。数值风洞实验室人为地在建筑物周围生成一个有限的区域，其边界条件必须考虑迎风端的入流边界、风流出端的出流边界以及建筑物表面的壁面边界。2、工程概况8本工程是重庆市某在建体育场，规划用地面积99690m2，总建筑面积38775.45m2，建筑高度43.5m，属建筑高度大于24m的单层公共建筑。体育场屋盖平面形状是完全对称的扁椭圆形，长轴242m，短轴204m。体

6、育场看台主体结构采用钢筋混凝土现浇框架结构，体育场顶盖钢结构采用三角形钢桁架结构体系，主体脚桁架与混凝土结构的连接为铰接；屋面采用膜结构进行覆盖，其外表面采用瓣形银色穿孔铝板造型；体育场外立面柱子采用银灰色复合铝塑板贴面，栏板采用银灰色面砖贴面，金属栏杆采用银白色不锈钢，结构布置如图1所示。2.1建模计算本文所研究体育场采用PROE建立实体足尺模型，体育场双轴对称，长轴方向242米，短轴方向204米，罩棚最高点标高约为43.5米。数值风洞的大小与计算精度密切相关。以不影响计算精度为原则，同时考虑到计算机的承受能力，取计算外域为L×B×H=

7、1500×800×200，将建筑物置于计算流域前沿约三分之一处。将计算域分成两层，使网格能由疏到密分布，越靠近建筑物的部分网格布置越密，远离建筑物的区域网格布置较稀疏。内层计算域为一个半径为130米，高度为50米的圆柱体。由于该建筑结构所在地形较为平坦，周围的建筑结构较少，再加上高度相对较低，故在该模型的风环境模拟中，不考虑周围建筑物和地形的影响。体育场在虚拟风洞中的情况如图2所示。数值模拟时，考虑到不同风向角对体育场罩棚风压分布的影响，测量风向角范围为360度，按30度间隔划分风向角。由于该体育场双轴对称，只需确定风向角β=0o到90o

8、范围内整个罩棚的风荷载，便可以推算出其它风向角下的风荷载。2.2开敞悬挑体育场罩棚的平均风压系数分布8该体育场罩棚的整体和局部风荷载都比较大。将体育场罩棚的上表面和下表面的风压系数进行叠加，在