復(fù)雜超高層及大跨度屋蓋建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值風(fēng)洞研究.pdf

1、對(duì)超高層及大跨度建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的研究方法主要為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)手段相比,CFD數(shù)值風(fēng)洞模擬,尤其是大渦模擬,具有以下優(yōu)點(diǎn):1、能提供豐富的數(shù)據(jù)和結(jié)果,包括整個(gè)流場(chǎng)的完整數(shù)據(jù),所有模擬的建筑表面上的風(fēng)壓分布情況,包括很小區(qū)域上的風(fēng)壓變化。這是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)不能做到的。2、可以進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)全尺寸、高雷諾數(shù)的模擬?？梢员苊饫字Z數(shù)效應(yīng)的影響,這是風(fēng)洞試驗(yàn)難以解決的問題。3、可以產(chǎn)生更符合實(shí)際大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)特

2、性的流場(chǎng)。可以方便的分析不同湍流流場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的影響。4、便于進(jìn)行參數(shù)分析?？蓪?duì)一些流動(dòng)現(xiàn)象和風(fēng)效應(yīng)做機(jī)理性的分析研究。5、成本較低。不需要制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?布置傳感器等。以往對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬多采用定?；蚍嵌ǔＳ?jì)算的雷諾平均方法,對(duì)脈動(dòng)風(fēng)荷載的預(yù)測(cè)不準(zhǔn)。近幾年來,通過大渦模擬計(jì)算建筑表面的風(fēng)壓、風(fēng)荷載以及風(fēng)致響應(yīng)的方法雖然已經(jīng)獲得了一定的進(jìn)展,但所分析的建筑結(jié)構(gòu)的外形大都比較簡(jiǎn)單,多為長(zhǎng)方形和圓形。且多數(shù)大渦模擬亞格子模型的算法是針

3、對(duì)高精度數(shù)值格式和計(jì)算結(jié)果質(zhì)量容易保證的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。本文采用新提出的結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)大渦模擬數(shù)值風(fēng)洞的關(guān)鍵技術(shù)針對(duì)復(fù)雜超高層、大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)流場(chǎng)、風(fēng)荷載和風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了大渦模擬研究。并采用數(shù)值模擬方法對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)致雪漂造成的雪壓不均勻分布以及超高層建筑中運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電可能導(dǎo)致的氣動(dòng)噪聲問題進(jìn)行了研究及評(píng)估。本文的主要研究工作為:
　　(1)介紹了結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)數(shù)值風(fēng)洞研究的基本理論知識(shí)。本文將大渦模擬作為結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)數(shù)值風(fēng)洞模擬的一

4、種非常重要的方法。針對(duì)現(xiàn)有亞格子模型在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程實(shí)際運(yùn)用中存在的問題以及入口湍流風(fēng)場(chǎng)生成方法的缺點(diǎn),本文建議采用結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)大渦模擬數(shù)值風(fēng)洞的關(guān)鍵技術(shù):主要針對(duì)工程應(yīng)用提出的一種新的亞格子模型及一種新的入口湍流生成的DSRFG方法。并對(duì)這兩種方法及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。采用結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)數(shù)值風(fēng)洞的關(guān)鍵技術(shù)是本文的模擬結(jié)果能夠成功運(yùn)用于實(shí)際工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,是本文主要研究工作的基礎(chǔ)。
　　(2)運(yùn)用大渦模擬數(shù)值風(fēng)洞關(guān)鍵技術(shù),基于Li

5、nux系統(tǒng)下軟件Fluent6.3的并行計(jì)算技術(shù),對(duì)深圳新火車站進(jìn)行了全尺寸的大渦模擬。數(shù)值模擬得出的屋蓋上平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓分布及數(shù)值與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合。驗(yàn)證了大渦模擬數(shù)值風(fēng)洞關(guān)鍵技術(shù)對(duì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的有效性和正確性。此外,數(shù)值風(fēng)洞結(jié)果可以反映出采用縮尺模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)很難捕捉到的狹小區(qū)域上風(fēng)壓梯度的劇烈變化以及站臺(tái)雨棚底面與站臺(tái)立柱相接處,風(fēng)洞試驗(yàn)無法測(cè)到的該區(qū)域受立柱的影響而發(fā)生的局部風(fēng)壓變化。對(duì)深圳新火車站周圍的風(fēng)

6、流場(chǎng)進(jìn)行了全面細(xì)致的分析,克服了受到試驗(yàn)設(shè)備以及天氣條件限制下,物理風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)很難全面觀測(cè)到建筑物周圍流場(chǎng)的弊端。對(duì)屋蓋風(fēng)壓分布通過流場(chǎng)分析了進(jìn)行機(jī)理性研究,揭示建筑物周圍的風(fēng)速場(chǎng)和建筑表面風(fēng)壓的關(guān)聯(lián)。
　　(3)全面考慮了以深圳大運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)館為中心10公里范圍內(nèi)的山體和主要建筑物,采用大渦模擬數(shù)值風(fēng)洞的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了全尺寸的數(shù)值模擬。對(duì)深圳大運(yùn)會(huì)體育中心片區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了分析;采用超越閾值概率方法對(duì)體育場(chǎng)館周圍行人

7、風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)估;對(duì)體育場(chǎng)館的平均、脈動(dòng)風(fēng)壓分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究,探討了體育場(chǎng)館周邊山體及建筑物對(duì)其風(fēng)壓分布規(guī)律及數(shù)值大小的影響;根據(jù)大渦模擬得到的體育場(chǎng)屋蓋表面的風(fēng)力時(shí)程數(shù)據(jù)對(duì)其風(fēng)荷載特性進(jìn)行了探討,并計(jì)算了體育場(chǎng)屋蓋的靜力等效風(fēng)荷載。數(shù)值風(fēng)洞的模擬結(jié)果成功運(yùn)用于大運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)館的設(shè)計(jì)復(fù)核中。
　　(4)以臺(tái)北101大樓(高508m)以及深圳平安國(guó)際金融大廈(高660m)兩棟著名的超高層建筑為背景,采用大渦模擬數(shù)值風(fēng)洞的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)其

8、進(jìn)行了全尺寸的數(shù)值模擬。得到了臺(tái)北101大樓以及深圳平安大廈周圍的風(fēng)流場(chǎng)及作用于其上的風(fēng)荷載時(shí)程數(shù)據(jù)。計(jì)算了風(fēng)荷載作用下兩棟大樓的風(fēng)致響應(yīng)以及等效靜力風(fēng)荷載。并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及風(fēng)洞試驗(yàn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了本文采用的數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)對(duì)超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)的正確性與可靠性。探討了不同的湍流流場(chǎng)對(duì)超高層建筑風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)壓分布、風(fēng)荷載以及風(fēng)致響應(yīng)的影響。
　　(5)以吉林新火車站為研究對(duì)象,采用Euler-Euler體系的兩相流理論

9、,在流體計(jì)算軟件FLUENT。6.3基礎(chǔ)上編寫了相應(yīng)的UDF計(jì)算程序,對(duì)吉林火車站周圍的風(fēng)雪運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了不同風(fēng)向下屋蓋表面風(fēng)致雪壓的不均勻分布情況,總結(jié)了風(fēng)雪共同作用下雪壓的分布規(guī)律;給出了吉林火車站屋蓋表面上的平均雪壓分布,探討了火車站屋蓋及雨棚各分塊積雪分布系數(shù)隨風(fēng)向的變化情況。為寒冷氣候下大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù);
　　(6)對(duì)采用風(fēng)機(jī)發(fā)電的“高性能”可持續(xù)性建筑:“珠江城”商務(wù)寫字樓由于風(fēng)洞口和風(fēng)機(jī)

10、的存在可能產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。采用基于SST湍流模型的寬頻帶噪聲源模型得到了“珠江城”商務(wù)寫字樓風(fēng)洞口周圍的噪聲分布。探討了有無風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)洞口周圍的噪聲分布及大小的影響。對(duì)“珠江城”商務(wù)寫字樓風(fēng)洞口周圍產(chǎn)生的室外噪聲及室內(nèi)噪聲進(jìn)行了評(píng)估。
　　(7)本文在高雷諾數(shù)(108)情況下,對(duì)大規(guī)模復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致振動(dòng)運(yùn)用大渦模擬取得的結(jié)果及與原型實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,在國(guó)內(nèi)外風(fēng)工程及結(jié)構(gòu)工程界尚屬首次。