流场模拟和结构风效应研究

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1、流场模拟和结构风效应研究第一章绪论Fig.1.1Thefabricwastorebywindduringconstruction图1.2苏州体育馆风毁情况Fig.1.2SuzhouStadiumwinddamagecase在现行的建筑结构规范中，上述结构的抗风设计参数并不完善，风与结构间复杂的相互耦合作用对结构抗风设计、防灾减灾分析提出了巨大挑战。因此结构的风效应研究越来越受到学术界和工程界的关注与重视。结构在风场中受到风压脉动作用，产生风致振动，尤其是诸如膜结构等大跨空间柔性结构在强风作用下的振动幅度比较大，结构运动将影响

2、周围风场从而改变作用于结构的风荷载，存在结构与风的相互作用，即流固耦合现象，也即气弹效应[3][4]。并且大跨柔性空间结构轻柔的特点使得这些结构表面的风场绕流复杂，结构流固耦合效应更加明显，表面风压分布差异显著[5]。结构的抗风设计迫切需要保证结构能够抵御风振引起的动力作用和可能发生的最大荷载，避免结构风振破坏和空气动力失稳。如何将动风作用和结构耦合振动合理地转化为设计人员易于理解和接受的关键抗风设计参数以方便设计使用？如何揭示结构周围的风场特征，把握风和结构间复杂的耦合作用机理，实现结构风效应的全过程模拟，保证结构在强台风

3、作用下的安全性，这些是亟待解决的关键科学和技术问题。现今，对结构尤其是大跨度空间结构的流固耦合问题分析方法、耦合作用机制以及考虑流固耦合作用的结构风效应（风动力效应、风压分布）问题仍处于研究探索和不断积累的阶段，可用的成果十分有限[6]。２流场模拟和结构风效应研究第一章绪论1.2国内外研究现状1.2.1风工程的研究现状风工程是空气动力学、气象学、气候学、结构动力学、有限元理论、随机振动、概率论与数理统计等学科相互渗透而发展起来的交叉学科。它是研究大气边界层内的风与人类在地球表面的活动以及所创造的物体之间相互作用的科学。结构风

4、工程是风工程的一个重要分支，主要研究近地紊流风对建筑结构地作用[7][8]。国际上对风工程的研究已有40余年的历史。60年代，Scanlan和Davenport[9] 对结构风工程的研究奠定了结构的风振理论。70年代，钝体空气动力学得到研究。 80年代，钝体空气动力学的理论研究成果开始为工程设计服务。90年代，人们认识到线性风振理论已不能适应风载作用下发生一定变形的柔性结构，开始考虑风与结构耦合作用。不同类型大跨屋盖系统的风工程研究已有不少富有启发性的理论和成果。Nakayama等[10]通过对半球状充气膜结构的气弹模型风洞

5、实验结果与采用刚性模型表面风压作为外荷载的有限元计算结果比较，分析了膜结构耦合作用的影响；Halfman[11]对系列充气膜结构的刚性模型和弹性模型进行了风洞试验研究；Irwin 和Wardlaw[12]对Montreal奥林匹克体育馆屋盖结构进行的气弹模型风洞试验，一直 是柔性结构气弹性能研究的经典文献，被广泛引用。Uematsu和Uchiyama[13]总结 了索膜结构气弹振动的规律。德国Gluck和Halfmann等[11]研究了膜结构流固耦合的数值模拟。我国学者在结构风工程领域同样做出可喜成果。发展了以风速曲线的计算

6、机模拟为基础的非线性随机振动时域分析方法，部分考虑了风与结构的流固耦合作用；研究了大跨度结构的风振响应及风振系数[2-6]。风工程的研究方法包括现场实测、实验室模拟（主要是风洞模拟）和理论分析（包括数值计算）。现场实测是最直接的研究手段，对于检验其余两种方法的可靠程度是不可缺少的，但它费时、费钱、费人力，而且无法在建筑物建设之前进行。当前主要的研究手段人仍然是实验室模拟，尽管现场量测平均值和脉动值与风洞研究预测值相比，其一致程度只达到中等水平，但许多现场量测却更多的暴露了现场研究的缺点。结构工程师MINAMI等[14]现场实

7、测研究证实了风洞试验的合理性。理论分析主要有结构随机振动理论和计算流体动力学两种方法，前者已较为成熟地用于结构顺风向和横风向亚临界范围内的随即振动分析。而CFD的应用还处于起步阶段，却显示了良好的前景。目前，风洞试验存在很多困难，具体表现在：（1）试验必须采用缩尺模型，一３流场模拟和结构风效应研究第一章绪论般比例在1:200~1:1000，这样对风载效应有影响的建筑细部通常得不到合理的描述， 建筑物上尺寸较小构件的风载效应也无法正确得到；（2）设计是个反复的过程，成功的建筑模型往往需要进行多方案比较，由于风洞试验的费用昂贵，

8、实践中不可能针对每个方案都进行风洞模拟试验，结果得到的不一定是抗风性能最好的结构；（3）风洞试验目前还不能进行强风暴风场模拟，因而也就不能对结构在罕见风暴 作用下的特性作出恰当的描述；（4）风洞试验的雷诺数较实际工程中的要小2~3的数量级，因而在研究对雷诺数敏感的结构风载特性时面临困难（如