文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究
姓名:丁义平
申请学位级别:硕士
专业:结构工程
指导教师:龚景海
20090226
中文摘要
空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究
摘要
近二十年多来,大跨度空间结构,包括网架结构、网壳结构、立体桁架结构、悬
索结构、膜结构及各类组合和杂交空间结构得到了迅速的发展,结构形式不断创新,
建筑造型和结构体型层出不穷。随着空间结构跨度的不断增大,同时伴随着全球气
候和环境的变化,自然灾害的加剧,尤其是近年来强/台风和地震等灾害的频发,使
得土木工程结构的抗风、抗震问题越来越引起工程界的重视。结构风工程也因此而
越来越受到业内专家和学者的关注。
结构风荷载的计算是风工程的主要目的。而在风荷载的计算中,风载体型系数的
获得则是一项重要的内容。本文将主要根据近年来流行的计算流体动力学方法
(CFD)来研究风荷载的体型系数问题。通过应用大型流体数值模拟软件 FLUENT,
根据实际工程案例,建立大量的工程模型进行数值计算、分析和对比,并对几类常
见的空间结构体型(国家规范中尚未予以规定的体型,包括柱面、椭球面、双曲面、
锥体曲面、脊—谷型曲面、悬挑顶篷)进行数值模拟,获得结构风荷载以及体型系
数的分布情况和特征,并就此展开相应的讨论和结果分析,为工程实践和相关科研
探讨提出具有实用价值的结论和建议。
本文主要的讨论内容和研究对象包括以下几个方面:
介绍大跨空间结构的发展历程,了解空间结构的主要类型和结构形式,主要阐述
了两大类型空间结构的特征和发展情况,同时介绍了国内空间结构的发展及研究成
果,主要包括空间结构相应理论研究、稳定性研究、结构抗风和抗震研究、结构的
形态分析以及高敏感度结构的风振耦合问题研究。
通过介绍结构风工程的基本研究内容,系统地阐述了结构风荷载的计算。讨论结
构风荷载的研究内容和发展现状,介绍了风荷载的研究方式和体型系数的获得,并
着重就风荷载体型系数的获得予以详细讨论;同时讨论了风洞试验理论和方法,此
外还简要讨论了当前工程界常见的几类空间结构体型系数的研究方法和取值方式。
计算流体动力学中将空气看作为不可压缩的流体加以讨论,在此,本文将介绍风
荷载数值模拟的基本理论,其中包括粘性流体的三大基本方程、雷诺方程应力模型
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及相应边界条件和非面壁函数、有限体积法及相关数值技术,同时还介绍了大型商
业软件 及其在 CWE 领域的应用,此外还就计算流体动力学的求解流程和
入口湍流问题加以讨论。
以实际工程案例为背景,建立数值模型进行 CFD 模拟,获得风荷载和体型系数
结果,通过分析和对比数值模拟结果和风洞试验结果,进一步认识柱面网壳结构的
风荷载受力情况和体型系数的分布特征。同时依据此法,建立大量的数值模型加以
CFD 模拟,对煤棚类结构作系统的研究,并获得相应的结果和结论。此外,还就数
值模拟中碰到的建模效率问题加以讨论,并提出了相应的解决途径和优化方式。
采用上述 CFD 流程和分析方法,结合实际工程案例,对几类常见结构(椭球面、
双曲面、锥体曲面、脊—谷型曲面、悬挑顶篷)体型系数的分布特征和取值方式作
简要的研究和讨论,并给出了各类结构的体型系数分区方式和相应区域体型系数µs
(同 Cp)取值,为工程实践及业内人士提供理论参考和建议。
关键词:空间结构,风荷载,体型系数,数值模拟
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英文摘要
NUMERICAL RESEARCH OF WIND LOAD SHAPE
COEFFICIENT ABOUT SPACE RETICULATED SHELL
ABSTRACT
This two decades, large-span structures, including the space truss structure、
reticulated shell structure、stereo-truss structure、cable structure、membrane structure and
all hybrid space structure, obtained a rapid development. Structural st