文档介绍：浙江大学硕上论文建筑物表面风荷载的数值模拟研究
建筑物表面风荷载的数值模拟计算研究
摘要
风荷载对于建筑物来说是一项非常重要的荷载,是建筑结构设计中不可缺少
的。随着大跨度、超高层建筑、大跨度桥梁的大量出现,风荷载也扮演着越来越
重要的作用,某些情况下甚至成为设计的控制荷载。因此如何去确定建筑物表面
风压的情况,以便进一步研究风对结构的作用就显得非常重要。
目前研究建筑物风荷载的分布情况主要有现场实测,风洞试验和数值模拟计
算三种方法,其中风洞试验是现阶段的主要手段。利用大气边界层风洞试验方法
研究风对土木工程中结构的作用开始于年代,己经有多年的历史,研究方
法较为成熟。风洞试验方法在风工程的研究和工程领域中发挥了重要作用。计算
风工程是随着计算机技术和计算流体力学的发展而出现的,开始于年代,有
了多年的历史,它自出现起就成为了风工程领域研究和发展的热点,相比较
传统方法它具有独特的优势。
本文采用风洞模型试验和计算机数值计算相结合的方法,研究内容包括对复
杂体型的高层和大跨度结构的表面平均风压分布,简单体型的大跨度平屋面结构
的平均和脉动风荷载的计算分析。本文的重点放在了建筑物表面风荷载数值模拟
的实现方法,以及使用它进行实际工程问题的风荷载计算的可行性与可靠性讨论
丘,最后指出了它的不足和需要进一步解决的问题。
在本文的研究工作中,平均风荷载的计算对象选取了一个典型的高层和一个
大跨度屋面结构,对其建立了实际尺度的刚性模型,选择了合适的网格划分形式,
并准确的模拟大气中来流的风剖面。计算用的湍流模型选取了可实现的￡模
型一‘并配合非平衡的壁面函数法
处理近壁面的湍流状态,计算了这些建筑物表面的平均风压分布,
与试验结果进行了比较和分析,取得了比较满意的结果。对于大跨度的屋面结构,
还使用了面积分的方法计算了屋盖上的分块风压系数,并将这一实际工程中使用
的系数和风洞试验方法得到的相应结果进行了比较析。
此外,本文采用了大涡模拟的方法对简单体型的大跨度平屋面结构进行了非
浙江大学硕士论文建筑物表面风荷载的数值模拟研究
定常流场的计算,使用了自回归模型产生了脉动风速的时间序列,并经过无散度
化运算和流量修正后将其带入到了实际计算的边界条件当中,该脉动风速的时间
序列很好地满足了预先设定的脉动风速谱、空间相关性和连续性方程的要求。计
算得到了整个屋面上的风压系数的时程,经过时间统计取得了屋面上的平均风压
系数和脉动风压系数,与试验结果的比较证明了从来流模拟到对风荷载计算及数
据后处理的方法的正确性,为采用更加精确的来流条件以及对复杂结构的平均和
脉动风荷载进行非定常的计算进行了有益的尝试。
关键词高层建筑大跨度屋面结构风洞试验计算风工程计算流体动力学
平均风压系数脉动风压系数可实现的众‘湍流模型非平衡壁面函数大
涡模拟
浙江大学硕士论文建筑物表面风荷载的数值模拟研究
浙江大学硕士论文建筑物表面风荷载的数值模拟研究
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第一章绪论
引言
年美均
风速仅为的自然风作用下产生水平和扭转振动,几个小时内完全损毁。
这一事件引发了对风对结构的效应及风荷载本身特性的广泛研究。自世纪
年代末,国际上系统地以建筑结构风荷载和风振为中心进行了广泛地研究。
世纪年代中期,用于研究结构风工程的专用大气边界层风洞的出现标志着土
木工程中的风工程开始作为一个独立的学科,此后风工程的研究得到了极大的
发展,目前已经扩展到了很多方面,除了最早开始研究的风对结构的效应外,
现在己经包括建筑防火与灭火、建筑采暖与通风、建筑的区域气候、污染问题
等诸多方面。
风工程中的传统研究方法有现场实测和大气边界层风洞试验方法两种。现
场实测是风工程研究中最直接最有效的方法,但是它所受的限制很大,无法在
建筑物建造前进行,也就无法为建筑的设计提供参考。它的进行代价昂贵,费
时费力,而且在很多情况下,目前的研究还无法达到对建筑物进行实测的水平。
当然实测的数据是极有参考价值的,它成为了检验模型试验方法和理论分析准
确与否的标准,如得克萨斯科技大学建立的实际尺度的低矮房屋模型也就是著
名的标准模型,许多重要的研究工作都是根据它提供的实测数
据进行的【门。风洞试验方法是当前风工程领域使用的主要方法,它是通过制作实
际建筑物的缩尺模型在大气边界层风洞中进行的,通过必要的手段产生类似于
实际建筑周围的风场,然后通过布置在模型表面及其周围的试验仪器测量风速,
风压以及结构的响应等相关数据,风工程中的风洞试验方法己经有了