高层钢结构流体-结构耦合作用风致响应的数值模拟研究

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1、山东大学硕士学位论文高层钢结构流体-结构耦合作用风致响应的数值模拟研究姓名：李鹤申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：刘振华20070515山东大学硕士学位论文摘要高层钢结构对风荷载是比较敏感的结构。准确确定结构表面的风压情况，以便进一步研究风对结构的作用，是非常重要的。目前研究建筑物风致动力响应主要有现场实测、风洞试验研究、理论分析和风工程数值模拟技术这几种方法。伴随着计算机硬件技术的迅速提升，数值模拟技术已经成为人们研究的热点。但是，目前利用数值模拟技术计算处在大气边界层中建筑物的风致动力响应在许多方面还存在很多困难。因

2、此，对高层钢结构在风荷载作用下的风致响应开展系统研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。本文首先给出了流体一结构耦合作用下流体和结构基本控制方程的ALE(ArbitraryLagrangian-Eulcrian)描述和求解耦合方程的算法。然后选取C从Rc高层建筑模型这类广泛标准建筑模型，对其建立了三维实际尺度的计算模型，使用通用有限元软件ADINA计算其在大气边界层中的风致动力响应。计算用的湍流模型选取了标准k一占模型。本部分分别建立“刚性模型”和“弹性模型”。根据对“刚性模型”的计算，得到结构表面的风压分布情况，并与风洞试验

3、比较。分析结果表明数值计算结果与风洞试验结果基本一致。计算“弹性模型”(即考虑流固耦合作用)，得到结构的风振系数和体型系数。根据与“刚性模型”结果的对比，说明了“流固耦合”作用对高层钢结构的具有明显的影响，结构设计中应予以考虑。基于标准建筑模型绕流数值模拟结果，本文接下来的工作涉及结构风工程中的实际应用问题。本文选取了“高层民用建筑钢结构技术规程”(JGJ99—98)中几种典型体型的高层建筑。采用数值模拟的方法，计算了它们的风振系数和体型系数，并且与规范中的数值进行比较，对工程设计提出建议。关键词：数值模拟；高层钢结构；CAAR

4、C标准模型；流固耦合作用；风振系数；体型系数。4山东大学硕士学位论文Absn氇ctW'mdloadisakindofimportantloadstothehigh-risesteelbuildings，anditisindispensableinthestruoturedesign．ItbecomesveryimportanttomeagurothedistributionofthewindpressureexactlyOnthesurfaceofthebuildings．Atpresent,fieldmeasurement,w

5、indtunneltest,theoreticallyanal酒sandnumericalsimulation躺thefourmajormethodstostudythedistributionofthewindpI攒Is埘帕Onthebuildings．11舱windtunneltestisthemostc,011]nlononcofthem．Withthedevelopmentofcomputationaltechnology,numericalsimulationplaysamorcandmoreimportantrole

6、inthewindengineeringcommunity．Atthesametime，therearcmanydifficultiesintheprocessofcomputingthehighturbulentflowfieldaroundthebuildingbeingimmersedintheloweratmosphereboundarylayer．Soitissignificanttostudywindloadsandwind-induceddynamicresponseforhigh-risesteelbuildin

7、gsinthefieldofengineeringandreseardLInthisstudy,thegoverningequationsoffluidintheFSIsystemusingALE(ArbitraryLagrangian-Eulerian)descriptionandthegoverningequationsofstructuresusingthetotalIag陷ngi趾descriptionCn一)areproposed．Based011thetheoryofFlIlid-StructureInteracti

8、on,theCommonwealthAdvisoryAeronauticalResearchCouncil(CAARC)standardtallbuildingmodelimmersedinairboundarylayerisnumericallysimulat