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1、防城港市职业教育中心体育馆风压分布数值模拟及风载作用下结构承载力研究报告广西大学 2011 年 6 月 9 日1、工程概况防城港市职业教育中心体育馆位于广西防城港市，防东大道以南，英才路以西，西苑路以北，学海路以东，工程主体结构采用管桁架的结构形式，其中纵向主拱为空间组合桁架，横向桁架为平面桁架，拱架附近的悬挑结构采用管桁网架。因本体育馆复杂屋盖结构地处西南沿海地带，气候及风环境复杂，需对该结构周围的风场环境及实际风压值进行仿真模拟研究，精确确定本结构的风荷载取值，为结构承载能力计算提供依据，为简化分析，计算过程中仅考虑钢结构主体部分及管网结构部分。主体结构示意图如图 1 所示。图 1 体育馆
2、结构示意图本报告分为两部分内容，第一部分为体育馆结构屋盖风荷载三维数值模拟研究，根据体育场周围的风环境进行流体力学计算，将屋盖结构作为整个流场计算的边界条件，计算设计基本风荷载作用下的屋盖结构风压强值，并按照基本设计风荷载，将其转化为风压系数，便于有限元结构计算时进行风载计算；第二部分内容为对本体育馆在恒载作用、活载作用及风载作用下的主体结构的承载力及强度计算，分析其在最不利风载作用下的应力及变形，为本结构的设计计算作为有效的补充和参考。2、复杂三维体育馆建筑物风压分布数值模拟2.1、复杂三维建筑物周围风场的数值建模现行的建筑结构荷载规范 （GB50009-2001 ）只给出了较为规则建筑物的
3、风压体型系数，对于体型复杂的建筑物建筑结构荷载规范规定，应进行风洞试验或者数值模拟风确定其风荷载作用。建筑物周围风场的数值模拟是将建筑物置于流动的风场中，以流动风的质量守恒、动量守恒方程、湍流输运方程作为控制方程，采用离散化的数值方法获得风场中离散风压的解，可确定出风场内建筑物表面的风压力值，同时可以得到流场中其他相关的物理量状态值。本报告以 FLUENT 软件为平台，以防城港市职业教育中心体育馆为工程背景，对建筑物周围风流场数值模拟过程，包括：几何建模、计算流域的确定、网格划分、边界条件的选取、参考压力位置的确定、湍流模型的选择、求解参数的设置进行分析。2.2、几何建模在 FLUENT 的前
4、处理模块 GAMBIT 中，按原型尺寸建立几何模型，采用原型尺寸能避免尺寸效应可能对结果所产生的影响。图 2 屋盖平面图与不同风向角图 3 立面图2.3、计算流域的确定位于大气边界层中的建筑物风对其绕流时，处于一个完全开口的流动风场中，但风对建筑物作用的影响具有一定的范围，在数值模拟时可给定有限的三维计算区域，并确定计算区域各边界的边界条件以模拟实际的流动风场。计算流域的确定需要考虑，随着计算区域的增大，网格数量增加，计算量加大，计算时间增长；然而计算区域过小，则可能导致模拟失真。合理的选择计算区域有助于模拟结果准确性的提高和计算量的减少。在 0风向角时，对在顺风向上计算流域与建筑物尺寸之比为
5、采用了 10 倍进行数值模拟。90风向角时，采用顺风向计算流域与建筑物尺寸比为 10 倍以保证流动达到充分发展状态。2.4、湍流模型常用的湍流模型有如下三种：standard k- 湍流模型、RNG k- 湍流模型和RSM湍流模型。三种湍流模型都是针对湍流发展非常充分的情况建立的，对于雷诺数比较小的近壁区内流动，湍流发展不充分可采用壁面函数。湍流模型近壁面配合非平衡壁面函数计算三维钝体流场,可以得到具有合理精度的解。1、标准 k- 模型该模型是由 Lauder 和 Spalding 在 1972 年提出的， k 和 对应的输运方程为（1）i TkbMkjkjuGYStxx（2）213i Tkb
6、j jCCt 其中 是由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项；jiikTjijuGx是由于浮力引起的湍动能 k 的产生项，对于不可压缩流体 0；bG bG代表可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压流体 0；MY MY、 、 为经验常数， 和 分别是湍动能 k 和湍流耗散率 对应1C23k 的 Prandtl 数，根据 Launder 等的推荐值及后来的试验验证，模型常数取值如下： 12.4,1.9,0.,1.,.3;kC和 是自定义源项。kS2、RNG k- 模型RNG k- 模型是由 Yakhot 及 Orzag 提出的，RNG 是英文“renormalization group”的缩写，
7、译为重正化群， k 和 的方程与标准 k- 模型相类似：（3）ikefki jjkuGtxxx（4）21i ef ki jjCRt 其中： 21232000.845,1.39.6/1/,4.380.2eftt k ijijijjiCRuSkSxRNG k- 模型和标准 k- 模型的主要变化是，1）对涡团粘度进行了修正；2）在 方程中增加了反映主流时均应变率的项。从而 RNG k- 模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。3、雷诺应力方程模型FLUENT 中 RSM 是最精细的模型，放弃了各项同性的湍动粘度来计算湍流应力的方法，直接建立了雷诺应力输运方程。 ,ij Tijkij ij
8、kikjjikkCDuupuxx ,Lij ijjiijijjkkk kDPxxxij ijjiiji iGugupx（5）22ijijjikjmkimjkk Fueuex：对流项； ：湍动扩散项； ：分子粘性扩散项；ijC,TijD,LijD：剪应力产生项； ：浮力产生项； ：压力应变项；ijPijGij：粘性耗散项； ：系统旋转产生项。ijijF压力应变项 的存在是 RSM 模型与 k- 模型的最大区别之处。本文中用ijRNG k- 双方程湍流模型。2.5、收敛标准数值模拟依据的控制方程是连续方程和纳维斯托克斯方程（N-S 方程） 。流体介质是空气，具有不可压缩性，密度为常数，材料参数使用
9、缺省值。不考虑热交换，即屏蔽能量方程。计算过程中，监测控制方程的迭代残余量和研究对象表面的压力值的变化，当所有控制方程的迭代残余量都小于 5104 ，并且同时监测的表面压力值基本不变化时，认为计算的流域已经进入稳定状态。2.6、边界条件的选取计算流域入流处采用 FLUENT 中的速度进口边界条件（velocity-inlet） 。边界条件用于定义在流动进口处的流动速度及相关其它标量型流动变量。该边界条件适用于不可压缩流动，对于可压缩流动问题时会使得入口处的总温度或总压有一定的波动，导致非物理结果，所以可压缩流问题不适合采用速度进口边界条件。本文为不可压缩流，可采用以 velocity-inle
10、t 边界。需对流动速度 v、k 和 定义。本结构地貌类别为 B 类,风速剖面的模拟采用如下指数率形式（5）如上式所示,其中 V10 表示 10 m 高度处的平均风速,根据建筑结构荷载规范取为其中标准高度 Z10 取 10m，防城港市在 B 类地貌，50 年重现期，10m高度处、10min 平均的基本风压为 w0=0.75kPa，相应的标准高度处平均风速V10 为 34.7m/s；B 类风场，地面粗糙度指数 取值 0.16。在入口处来流的湍流特性通过直接给出湍流动能 k 和湍流耗散率 值的方式给定，如下式（6）（7）其中，湍流强度参考日本规范中的第类地貌(空旷，少量障碍物，草地,粮田)取值。（8
11、）（9）其中 Z0=5 m,ZG=350 m(梯度风高度) 。出口采用压力出口边界条件（press-outlet） 。计算流域顶部和两侧采用对称边界条件（symmetry） ，适用于流动及传热场是对称的情况，即具有镜像对称特征。在对称轴或者是对称面上既无质量交换，又无热量等物理量的交换，在垂直对称面的方向上物理量梯度为零。可用来描述粘性流动中的自由滑移壁面。在对称边界上，不需要定义任何边界条件，但是必须定义对称边界的位置。建筑物表面和地面是固定不动，不发生移动的，故采用无滑移的壁面条件（wall ） ，wall 是用于限定 fluid 和 solid 区域的一种边界条件。对于粘性流体，采用粘附
12、条件，即认为壁面处流体速度与壁面该处的速度相同，无滑移壁面的速度为零，壁面处流体速度为零。2.7、体育馆风场数值分析本文进行数值模拟计算时采用两方程湍流模型，模拟 0，30和 90风向角三种工况，计算屋盖表面的平均风压值与风压系数。图 4 0 度风向角压力值图 5 0 度风向角风压系数图 6 30 度风向角压力值图 7 30 度风向角风压系数图 8 90 度风向角压力值图 9 90 度风向角风压系数1)0风向角下，迎风面前缘出现正压区，由于屋盖不是完全的流线型，而是呈折线形，因此，来流在屋盖突起部分分离，在气流分离处会形成很大的负压区，尤其在屋盖顶部，其平均风压系数的峰值达到-1.52，位置出
13、现在屋盖最顶部,如图 3-4 所示。2)30风向角下 ,由于体育馆里面中间呈凹状，来流在体育馆屋面的边缘发生分离 ,迎风面前缘出现正压区，体育馆屋面在中部边缘形成高负压区，由于屋盖曲率的影响, 最大负压出现在屋盖中心曲面凸起顶部边缘位置 ,平均风压系数达到-1.01,如图 5-6 所示。3) 90风向角下,来流在屋盖迎风面产生较大的正压，并且在屋盖前缘处分离更强,直接在迎风面屋盖稍后背风面部分处出现较大的负压，屋盖顶部前缘来流分离最强，负压最大，平均风压系数达到-1.55，如图 7-8 所示。4)风向角对屋盖所受风荷载的影响较大.本文计算的 3 个风向角中,90风向角为最不利风向角.平均风压系
14、数峰值达到 -1.55。屋盖平均风压系数最大值出现屋盖前缘稍后中间部分。2.8、风压分布数值模拟结论1) 防城港职业教育中心体育馆屋盖表面的风荷载以风吸力为主。由于屋盖的中间呈凹状，当风向角呈 90 度时气流在屋盖前缘产生严重流动分离，风压梯度变化剧烈。迎风的屋面边缘受柱状涡或锥形涡作用而产生极大的负风压，是屋盖最不利风荷载区域。屋盖迎风屋面的部分局部受力较大且分布复杂，在抗风设计时均应采取必要的构造措施，以防止屋盖角部率先破坏。2) 风向角对屋盖所受风荷载的影响较大。不同风向角下，来流的分离和旋涡脱落有较大的不同，风压最大值的出现位置也不同。体育馆的最不利风向角为90，最大平均风压系数为-1
15、.55，在设计时，应注意局部位置最不利风向角对屋面风荷载的影响。3、体育馆主体结构风载作用下结构承载力研究3.1 有限元模型介绍采用大型通用有限元软件 MIDAS 对该屋盖主体结构进行承载力计算，计算过程中，主拱、主管桁结构及横撑等采用空间梁单元，屋盖结构采用板单元模拟，全结构共有节点 2370 个，单元 8536 个，其中梁单元 6851 个，板单元1685 个，按照真实的结构尺寸及杆件的不同截面特性，对该结构进行了有限元建模。空间有限元模型如下图 10 及图 11 所示，边界条件考虑偏安全因素，在主拱拱脚进行固结，混凝土柱柱顶进行固结处理。图 10 体育馆屋盖结构有限元模型图 11 体育馆屋盖结构有限元消隐模型3.2、计算结果分析荷载标准值作用下结构的应力图 12 屋面活载标准值单独作用下杆件结构的应力(MPa)图 13 屋面活载标准值单独作用下杆件结构的位移(mm)图 14 恒载标准值单独作用下杆件结构的应力(MPa)图 15 恒载标准值单独作用下杆件结构的位移(mm)荷载组合方法：由于风荷载比其他活荷载大，因此，风荷
