CN108804838A - 一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，涉及建筑行业屋盖结构技术领域。该方法选取四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖，并用五种不同湍流模型研究各双曲屋盖的平均风压分布规律，通过对比已有的风洞试验数据，选出计算精度较高的湍流模型。再据此计算出各双曲屋盖结构在不同风向角下的平均风压系数的等值线图，分析得到风压分布规律。分析常见影响参数对不同投影形状的双曲屋盖风压分布的影响规律，在此基础上，给出各个双曲屋盖表面的平均风压分区体型系数建议值。本发明提供的复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，规范了复杂大跨度双曲屋盖抗风设计方法，为进一步准确地进行类似形状结构的抗风设计提供了相应的理论依据和工程参考。

Description

一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法

技术领域

本发明涉及建筑行业屋盖结构技术领域，尤其涉及一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法。

背景技术

目前对大跨度双曲屋盖结构的风压特性研究处于起步阶段，现行国内外荷载规范对大跨度双曲屋盖的风压系数等重要抗风设计参数规定尚不完善，规范性的指导此类结构的抗风设计存在一定困难，给该类建筑结构的抗风设计带来不便并造成建筑使用安全隐患。因此有必要探讨大跨度双曲屋盖的平均风压分区体型系数建议值，为实际工程的抗风设计提供有益的理论支持和实际参考。

国内外现有的对大跨度屋盖表面风压特性的研究仅集中在几种形状简单的屋盖上，至今还没有针对双曲屋盖结构展开过深入的研究。大跨度双曲屋盖结构造型多变，形状各异，屋盖表面的风压分布特性受诸多因素影响，发现重要参数对其屋盖风压分布的影响规律对于安全的进行此类建筑的抗风设计是至关重要的，但目前尚缺乏重要参数对其风压特性分布影响规律的研究。其抗风设计若逐一研究不同形状结构的风荷载特性，工作量过大，也难于总结出普遍性的规律为此类结构的抗风设计提供有价值的参考。

随着计算机硬件水平的迅速发展和计算流体力学理论的不断完善，数值模拟成了继风洞试验之后的重要研究手段，因此也成为了大跨度等建筑结构抗风研究的重要手段之一。数值模拟技术中湍流模型对结构风压的影响重大，是不能忽略的课题。

采用数值模拟技术对结构风压特性的研究国内外已有部分学者开展了研究，并取得了一定成果。但是目前对大跨度结构的风压研究大都针对某一特定形状展开，对复杂大跨度双曲屋盖结构风压分布特性研究较少，因此存在一定局限性。为此，本发明针对四种典型投影形状的大跨度双曲屋盖的风压分布特性进行研究，分析若干重要影响参数对各屋盖风压分布的影响规律，分析最不利参数后，研究总结出各形状屋盖的平均风压分区体型系数建议值。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，实现对复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计。

一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，包括以下步骤：

步骤1、选取四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型，并确定计算域尺寸，应用Gambit软件建立数值模拟实验的计算模型，并进行网格划分；

步骤2、选择标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω模型五种不同的湍流模型对四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖风压特性进行CFD数值模拟，具体方法为：

在Fluent中设定边界条件，选择求解器和计算模式，并采用SIMPLE算法进行计算；

所述设定的边界条件包括：入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件；所述入口边界条件采用速度入口边界条件，并通过Fluent的二次开发接口采用UDF宏定义编程导入；所述出口边界条件采用完全发展出流边界条件；所述壁面边界条件为建筑物的表面和地面均选用无滑移壁面，计算域的前面、后面和顶面选用自由滑移壁面；

所述求解器采用三维单精度求解器进行求解，在大跨度双曲屋盖结构的数值模拟过程中，流场的压力-速度耦合方程选用SIMPLE算法；控制方程中的对流项采用二阶迎风格式离散，而控制方程中的扩散项采用具有二阶精度的中心差分格式离散；模拟过程中使用残差收敛，以均方根残差等于10^-5作为迭代计算的收敛标准，当均方根残差降至10^-5以下时系统将自动停止计算，自此认为屋盖表面风压基本保持不变，即计算域进入了稳定状态；

所述计算模式选择压力基隐式稳态求解；

步骤3、将步骤2的数值模拟结果与现有缩尺大跨度双曲屋盖的风洞试验数据进行对比分析，发现五种不同湍流模型对四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律，具体方法为：

在数据分析时，将大跨度双曲屋盖表面的净风压力除以自由流风的平均动压得到无量纲的平均风压系数Cp，分析不同风向角下不同形状的大跨度双曲屋盖的五种湍流模型的模拟精度、计算速度和残差收敛性；

步骤4、采用数值模拟结果精度高的湍流模型进行计算，得出四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖结构在不同风向角下的平均风压系数等值线图，并对等值线图进行分析，得出不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面的风压分布规律；

步骤5、针对大跨度双曲屋盖的特点，对风向角、地面粗糙度、建筑屋盖的曲率比、建筑屋盖的矢跨比和建筑基座的高跨这些影响参数进行分析，得到不同影响参数对不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律；

步骤6、基于步骤1-步骤5，分析得到不同投影形状的大跨度双曲屋盖在常用跨度范围内的平均风压分区体型系数建议值，并与现行规范中的类似情况进行对比，得到大跨度双曲结构的抗风设计方案，具体方法为：

选择最不利风向角、最不利曲率比、矢跨比和高跨比为最值的四组模型进行数值模拟，根据双曲屋盖表面平均风压系数值的规律将屋面进行分区，确定各区域的平均风压系数，将其同规范中的类似情况进行对比，得到大跨度双曲结构的抗风设计方案。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，探究不同湍流模型和不同重要参数对不同投影形状双曲屋盖风压的影响规律，分析并总结出其中的共性规律，给出了常用跨度范围、不同投影形状的大跨度双曲屋盖的风压分区体型建议值，并与现行规范中的类似情况进行了对比，研究发现各个大跨度双曲结构的风压，总结出共性规律和一般性结论，规范其抗风设计方法，为大跨度双曲屋盖结构和类似体型大跨度结构的抗风设计提供了有价值的参考。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的大跨度双曲屋盖计算模型的参数定义示意图；

图3为本发明实施例提供的计算域模型图；

图4为本发明实施例提供的大跨度双曲屋盖计算模型的流场网格划分模型图；

图5为本发明实施例提供的方形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图，其中，(a)为正方形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图，(b)为矩形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图；

图6为本发明实施例提供的0°风向角下屋盖表面平均风压分区体型系数对比图，其中， (a)为方形投影双曲屋盖平均风压分区体型系数，(b)为现有规范中平屋盖平均风压分区体型系数；

图7为本发明实施例提供的圆弧形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图，其中，(a) 为圆形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图，(b)为椭圆形投影面的双曲屋盖表面压力测点分布图；

图8为本发明实施例提供的0°风向角下圆形投影双曲屋盖表面各区域的平均风压分区体型系数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、选取四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型，并确定计算域尺寸，根据现有缩尺大跨度双曲屋盖的风洞试验应用Gambit软件建立数值模拟实验的计算模型，并进行网格划分；

本实施例中，选取正方形、矩形、圆形和椭圆形四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型，其参数定义如图2所示，计算模型宽度为L₁，长度为L₂，最大高度为H_max，经多次试算对比分析，取计算域尺寸为20L₂×10L₁×10H_max，分别对应x、y和z轴，计算域模型如图3所示。确定好计算模型和计算域尺寸后，用Gambit软件建立计算模型，并进行网格划分。为保证数值模拟结果的精度和计算的收敛性，本实施例采用六面体结构化网格，将计算模型附近网格进行局部加密，最小网格尺寸为0.005m，设置网格增长因子，使网格尺寸由计算模型向外逐渐增大，网格总数控制在180万左右，计算模型的网格划分如图4所示。

步骤2：选择标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型和SSTk-ω模型五种不同的湍流模型对四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖风压特性进行CFD数值模拟，具体方法为：

在Fluent中设定边界条件，选择求解器和计算模式，并采用SIMPLE算法进行数值模拟；

一、设定的边界条件具体为：

(1)入口边界条件

采用速度入口边界条件，其大气边界层风速剖面按指数分布模拟，风速剖面、湍动能和耗散率采用如下三个公式进行计算，并通过Fluent的二次开发接口采用UDF宏定义编程导入。

其中：k(z)为湍动能，ε(z)为耗散率，z_b为基本风速的标准参考高度，为参考高度处的平均风速，z为任一高度，为z高度处的平均风速，α为地面粗糙度指数，C_μ＝0.09为粘性系数，K＝0.4为经验常数，L_u为湍流长度，I(z)为湍流强度。

(2)出口边界条件

出口边界在离建筑模型足够远的地方，流体能够达到完全发展，故采用完全发展出流边界条件。

(3)壁面

在自然界中，并非整个大气边界层对建筑物都有影响，而是只有一定范围的计算域对建筑物有影响，所以采用壁面条件的形式来限定计算域。计算域的表面和地面均选用无滑移壁面；计算域的前面、后面和顶面选用自由滑移壁面。

二、选择求解器和计算模式：

(1)求解器的选择

Fluent软件中包含四种求解器，在启动Fluent软件时，用户可以根据自身需要自行确定。一般情况下单精度求解器即可满足求解要求，而且计算的效率高，结果也比较准确，因此选择三维单精度求解器来进行求解。

(2)计算模式的选择

Fluent的计算模式可以通过Solver面板进行选择，其中包括压力基求解和密度基求解、显式求解和隐式求解、稳态求解和非稳态求解。由于本发明中将风场看成是不可压缩流体，因此在流体流动过程中密度是不随时间变化的常数，也不考虑风场的热交换，故选择压力基隐式稳态求解。

(3)求解器的设置

在大跨度双曲屋盖结构的数值模拟过程中，流场的压力-速度耦合方程选用Simple算法。控制方程中的对流项采用二阶迎风格式离散，而控制方程中的扩散项采用具有二阶精度的中心差分格式离散。模拟过程中使用残差收敛，以均方根残差等于10^-5作为迭代计算的收敛标准，当均方根残差降至10^-5以下时系统将自动停止计算，自此认为屋盖表面风压基本保持不变，即计算域进入了稳定状态。

步骤3：将步骤2的数值模拟结果与现有缩尺大跨度双曲屋盖的风洞试验数据进行对比分析，发现五种不同湍流模型对大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响，具体方法为：

在数据分析时，将大跨度双曲屋盖表面的净风压力除以自由来流的平均动压得到无量纲的平均风压系数Cp，滤除风速沿高度变化对压力的干扰，分析不同风向角下不同投影形状的大跨度双曲屋盖的五种湍流模型的模拟精度、计算速度和残差收敛性；

本实施例中，平均风压系数Cp的计算如下公式所示：

式中：P_i为大跨度双曲屋盖i点的风压；P₀为自由来流的静压；q_m为自由来流的平均动压；ρ为空气密度；v_m为自由来流的平均速度。

处理得到的平均风压系数Cp为正则表示风压方向向下，为负则表示风压方向向上。

本实施例中，将0°、45°和90°三种典型风向角下的不同湍流模型的数值模拟结果与风洞试验数据进行对比，得到如表1所示的不同风向角下、不同投影形状的大跨度双曲屋盖在五种湍流模型的模拟精度、计算速度和残差收敛性。

表1五种湍流模型对不同投影形状双曲屋盖的风压计算精度分析

步骤4、采用数值模拟结果精度高的湍流模型进行计算，得出不同投影形状的大跨度双曲屋盖结构在不同风向角下平均风压系数的等值线图，并对等值线图进行分析，得出不同投影形状的双曲屋盖表面风压的分布规律；

本实施例中，得到的大跨度双曲屋盖表面风压分布的规律是：屋盖表面的风压主要表现为吸力，迎风侧屋盖前端受气流分离影响而产生极大的负值，且此部位的平均风压系数的变化梯度较大，分离后的风压大致呈柱状或锥状。风向角的变化对气流的分离和再附作用有较大的影响，在不同风向角下平均风压系数的分布存在较大差异。正方形投影面和矩形投影面的大跨度双曲屋盖表面的风压系数曲线的趋势大体相同，而圆形投影面和椭圆形投影面的大跨度双曲屋盖表面的风压系数曲线的趋势相似。且在不同风向角下均是正方形投影面的大跨度双曲屋盖表面的平均风压系数较大，大跨度双曲屋盖表面的最不利投影形状为正方形投影面。

步骤5：针对大跨度双曲屋盖的特点，对风向角、地面粗糙度、建筑屋盖的曲率比、建筑屋盖的矢跨比和建筑基座的高跨这些影响参数进行分析，得到不同影响参数对不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律；

本实施例中，得到的不同影响参数对大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律为：流域等外在条件对屋盖表面风压分布的影响较模型自身条件的影响大，0°风向角是风压分布的最不利情况，大跨度双曲屋盖的最不利曲率比为2。

步骤6：基于步骤1-步骤5，分析得到常用跨度范围、不同投影形状的大跨度双曲屋盖的平均风压分区体型系数建议值，并与现行规范中的类似情况进行对比，得到大跨度双曲结构的抗风设计方案，具体方法为：

选择最不利风向角、最不利曲率比、矢跨比和高跨比为最值的四组模型进行数值模拟，根据双曲屋盖表面平均风压系数值的规律将屋面进行分区，确定各区域的平均风压系数，将其同规范中的类似情况进行对比，得到大跨度双曲结构的抗风设计方案。

本实施例中，首先选取方形投影面的大跨度双曲屋盖结构作为研究对象，将双曲屋盖表面沿气流流动方向均匀分成a、b、c、d、e五列，并在每列上均匀选取13个测点，双曲屋盖表面压力的测点分布如图5(a)、(b)所示。在提取数据时，分别读取五种不同湍流模型屋盖上a、b、c、d、e五列的平均风压系数。根据双曲屋盖表面平均风压系数值的规律将屋面进行分区，确定各区域的平均风压系数，并将其同规范中的类似情况进行对比，得到如图6(a)、(b)所示的方形投影双曲屋盖的平均风压分区体型系数和现有规范中平屋盖平均风压分区体型系数。

再选取圆形投影面的大跨度双曲屋盖结构作为研究对象，将圆弧形双曲屋盖表面沿气流流动方向分成a、b、c、d、e五列，每列上每隔6.6cm取一个点，以各列中点为起点，向两端扩散，其中c列为13个测点，b列和d列为11个测点，a列和e列最少为9个测点，圆弧形双曲屋盖表面压力测点的分布情况如图7(a)、(b)所示。在提取数据时，分别读取五种不同湍流模型屋盖上a、b、c、d、e五列的平均风压系数。根据双曲屋盖表面风压系数值的规律将屋面进行分区，并给出如图8所示的0°风向角下圆形投影面的双曲屋盖表面各区域的平均风压分区体型系数建议值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、选取四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖作为计算模型，并确定计算域尺寸，应用Gambit软件建立数值模拟实验的计算模型，并进行网格划分；

步骤2、选择标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω模型五种不同的湍流模型对四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖风压特性进行CFD数值模拟；

步骤3、将步骤2的数值模拟结果与现有缩尺大跨度双曲屋盖的风洞试验数据进行对比分析，发现五种不同湍流模型对四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律；

步骤4、采用数值模拟结果精度高的湍流模型进行计算，得出四种不同投影形状的大跨度双曲屋盖结构在不同风向角下的平均风压系数等值线图，并对等值线图进行分析，得出不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面的风压分布规律；

步骤5、针对大跨度双曲屋盖的特点，对风向角、地面粗糙度、建筑屋盖的曲率比、建筑屋盖的矢跨比和建筑基座的高跨这些影响参数进行分析，得到不同影响参数对不同投影形状的大跨度双曲屋盖表面风压分布特性的影响规律；

步骤6、基于步骤1-步骤5，分析得到不同投影形状的大跨度双曲屋盖在常用跨度范围内的风压分区体型系数建议值，并与现行规范中的类似情况进行对比，得到大跨度双曲结构的抗风设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：

在Fluent中设定边界条件，选择求解器和计算模式，并采用SIMPLE算法进行计算；

所述设定的边界条件包括：入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件；所述入口边界条件采用速度入口边界条件，并通过Fluent的二次开发接口采用UDF宏定义编程导入；所述出口边界条件采用完全发展出流边界条件；所述壁面边界条件为建筑物的表面和地面均选用无滑移壁面，计算域的前面、后面和顶面选用自由滑移壁面；

所述求解器采用三维单精度求解器进行求解，在大跨度双曲屋盖结构的数值模拟过程中，流场的压力-速度耦合方程选用SIMPLE算法；控制方程中的对流项采用二阶迎风格式离散，而控制方程中的扩散项采用具有二阶精度的中心差分格式离散；模拟过程中使用残差收敛，以均方根残差等于10^-5作为迭代计算的收敛标准，当均方根残差降至10^-5以下时系统将自动停止计算，自此认为屋盖表面风压基本保持不变，即计算域进入了稳定状态；

所述计算模式选择压力基隐式稳态求解。

3.根据权利要求1所述的一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：

在数据分析时，将大跨度双曲屋盖表面的净风压力除以自由流风的平均动压得到无量纲的平均风压系数Cp，分析不同风向角下不同形状的大跨度双曲屋盖的五种湍流模型的模拟精度、计算速度和残差收敛性。

4.根据权利要求1所述的一种复杂大跨度双曲屋盖的抗风设计方法，其特征在于：所述步骤6的具体方法为：

选择最不利风向角、最不利曲率比、矢跨比和高跨比为最值的四组模型进行数值模拟，根据双曲屋盖表面平均风压系数值的规律将屋面进行分区，确定各区域的平均风压系数，将其同规范中的类似情况进行对比，得到大跨度双曲结构的抗风设计方案。