开敞式拱形波纹屋盖体型系数研究.doc
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1、开敞式拱形波纹钢屋盖的风压分布及体型系数研究贾永新 , 张 勇(北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044)摘 要:利用CFD数值模拟技术,结合实际工程对建筑和结构各个方面的要求和限定,首先对开敞式拱形波纹钢屋盖下部支承结构的柱高和柱距两因素进行了变参数分析,从中可确认这两个参数对屋盖结构的风压分布影响不大。然后选定影响屋盖风压分布的三个主要参数:跨度、矢跨比和纵跨比,进行了三参数三水平正交试验分析。从大量的计算结果中分析整理,得出此类结构上风压的分布规律,即风压在上表面分布比较均匀,具体表现为在迎风面为压力,在拱顶处和背风面为吸力,风压等值线在四周边缘出现集中;而在下表面两端由于旋涡
2、脱落出现两个负压区,整体上表现为正压力。进一步了明确对此类结构风压分布影响显著的参数为矢跨比。最后参照我国现行建筑结构荷载规范【1】的形式,给出了开敞式拱形波纹钢屋盖结构的风荷载体型系数,供设计施工人员参考使用。关键词:拱型波纹钢屋盖结构;开敞式;正交分析;风压分布;体型系数中图分类号:TU399 文献标识码:AStudy on wind pressure distribution and the shape coefficient of open-style arched corrugated steel roof JIA Yongxin, ZHANG Yong(School of Civi
3、l Engineering and Architecture,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract: Considering all the engineering aspects of architecture and structure requirements and restrictions, firstly, two variable parameters of lower supporting part of open-style arched corrugated steel roof -column
4、height and column spacing were analyzed by using the CFD numerical simulation technique. It is confirmed that the two parameters have little effect on the distribution of the roofs wind pressure; then select three other parameters ( span, rise-to-span ratio and length-to-span ratio) and adopt orthog
5、onal test of three factors and three levels for the study; at last, analyzed and sorted the data, obtain the wind pressure distribution. The pressure distribution is uniform on the upper surface, the concrete expression as following: pressure in the windward, suction on the tope and at the back of t
6、he roof. Wind pressure contour appears concentrated around the edges; however, at the end of the lower surface appears two negative pressure zones due to the vortex shedding .But, from the global aspect, the lower surface shows as positive pressure; further study pointed out that rise-to-span ratio
7、has significant effect on the wind pressure distribution; finally, reference to the Chinas current Building Structural Load Code, gives the shape coefficient of such structure and provide a reference for the designer and construction stuff.Keywords:arched corrugated steel roof; open-type; orthogonal
8、 analysis; wind pressure distribution; shape coefficient作者简介:贾永新(1985),男,山西晋中人,北京交通大学在读硕士, E-mail:J收稿日期:20010年3月0 引言图1 开敞式拱形波纹钢屋盖模型Fig.1 The model of open-style arched corrugated steel roof拱形波纹钢屋盖是一种冷弯薄壁轻钢结构,具有自重轻、刚度小、自振频率低等特点,加之这类结构多处于大气边界层中风速变化大、湍流度高的区域,因此对风荷载十分敏感。于2004年颁布实施的拱形波纹钢屋盖结构技术规程【2】在总则中明确
9、规定,该规程仅适用于封闭式建筑的拱形波纹钢屋盖结构的设计,而对于目前工程中常见的下部支承结构不封闭的开敞式结构(图1),规程并没有给出具体的设计技术方法,究其根本原因在于现行建筑结构荷载规范没有给出这种屋盖结构的风荷载体型系数。一些风致破坏的工程事故表明,开敞式拱形波纹钢盖对风荷载更为敏感,因此明确这种屋盖结构的风压分布规律,对其进行抗风研究具有非常紧迫的现实意义。本文利用CFD数值模拟技术对这类屋盖进行了较为系统的参数分析,从中得出其风压分布规律及体型系数,为这种结构进一步的抗风性能研究奠定了基础。1 研究方法1.1 模拟方法随着计算机硬件水平的飞速发展和计算流体动力学(CFD)技术的不断进
10、步【3】,应用计算机及CFD技术对建筑风场进行数值模拟已成为预测建筑物风效应的一种新的有效方法。相比风洞试验,这种技术以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果。因此,将CFD与工程研究相结合,不仅有助于完善工程设计,而且能减少实验工作量。本文采用CFD数值模拟方法对开敞式拱形波纹钢屋盖结构进行了单参数及多参数正交试验数值风洞模拟分析。1.2 基本理论参照文【4】,基于Reynolds时均N-S方程和k-模型对结构的平均风压分布进行了数值模拟,采用有限体积法和SIMPLE压力校正算法来实现非线性离散化方程的解耦和迭代求解。近地面风可假设为低速、不可压缩、粘性的牛顿流体。流场可通过流体的三
11、个基本方程,即连续性方程、运动方程和本构方程来求得流体的速度和压力。对于风场的模拟可采用不同的湍流模型,它们各有特点。本文采用基于湍动能和湍流动能耗散率的湍流模型。控制方程组为:湍流动能方程: (1)湍流动能耗散率方程: (2)雷诺应力的再分配项为: (3)其中,是经验系数,入口边界处的湍动能和湍动涡量的平方平均值运用下列公式计算: (4)其中,湍流强度和湍流积分尺度采用日本规范给定的公式【5】: (5)式中:m,结构表面某点的平均风载压力体型系数为: (6)式中:为点时间平均压力;和分别为来流的静压和参考高度处的风速;为空气密度。1.3 边界条件开敞式拱形波纹钢屋盖结构的下部支承结构四面开敞
12、,其风压系数分布只考虑模型上部的拱形钢屋盖部分。采用B类地貌,相应的粗糙度系数,查阅GB 50009-2001建筑结构荷载规范可知,在我国内陆50年一遇的基本风压不大于0.5 的地区占7466左右,因此取相应的基本风速=30.0m/s,对于实际工程具有较大实用意义。参照文献【6】的结论,采用RNG -模型来模拟这一典型钝体结构绕流的复杂流动特性,数值计算的模型尺寸、来流边界条件等具体参数设置见表1。表1 基本数值模型参数设置Table 1 setting parameters of basic numerical model 计算域计算域尺度为15 H( x) 10 H( y) 8 H( z)
13、来流边界条件来流为剪切流,入口处风速采用指数律计算域侧面和上顶面边界条件自由滑移的光滑固壁,采用壁面函数模拟近壁面流动出口边界条件流场任意物理量沿出口法向梯度为零,即地面边界条件无滑移的粗糙壁面,引入粗糙壁面修正系数建筑物表面无滑移光滑固壁,采用壁面函数模拟近壁面流动壁面函数非平衡壁面函数计算收敛标准所有变量无量纲平均残差降低至以下,最大残差降低至以下注:来流边界条件一栏中,、分别为标准高度和标准高度处的平均风速, 、分别是流域中任意高度和对应的平均风速,取10m,自计算流域底部算起。2 风压分布规律 图3 开敞式拱形波纹钢屋盖下表面的风压分布Fig.3 The under surface p
14、ressure distribution of open-style arched corrugated steel roof 图2开敞式拱形波纹钢屋盖上表面的风压分布Fig.2 The upper surface pressure distribution of open-style arched corrugated steel roof 对开敞式拱形波纹钢屋盖模型的数值模拟研究发现,在横向风向作用下,其风压分布具有相同的规律。图4 开敞式拱形波纹钢屋盖表面的风速矢量Fig.4 The surface wind speed vector ofopen-style arched corrug
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- 开敞式 拱形 波纹 体型 系数 研究
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