大型臨時空間桁架結(jié)構(gòu)受風面積影響的分析

大型臨時空間桁架結(jié)構(gòu)受風面積影響的分析

臨時結(jié)構(gòu)風荷載計算方法研究隨著消費化文化需求和社會老年人化的發(fā)展，大眾對戶外文化健身、經(jīng)濟、體育和體育活動的需求越來越少。由于大型臨時看臺相關(guān)研究剛剛起步,缺乏相關(guān)的技術(shù)理論和規(guī)范,大型臨時看臺蘊含著較大的風險,近幾年安全事故頻發(fā),其中風荷載是造成臨時看臺倒塌事故的主要原因之一。如:2004年9月12日中午,中國網(wǎng)球公開賽ATP預(yù)選賽2號主賽場右側(cè)觀眾席最上面兩排近60個座椅被風吹倒;2007年8月3日傍晚,上海國際賽車場D區(qū)4座臨時看臺連同隔開看臺和賽道的鐵絲護欄被大風吹翻在10多米外的綠化和賽道內(nèi)。這些事故表明,對大型臨時看臺結(jié)構(gòu)進行合理的抗風設(shè)計研究勢在必行。目前,臨時結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計還沒有明確統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范,世界各國都在積極展開對臨時結(jié)構(gòu)的抗風研究。WilliamB.等指出應(yīng)制定臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范;Jamshid等提出了臨時結(jié)構(gòu)風荷載的確定方法,但這只是定性地分析臨時結(jié)構(gòu)的風荷載,文中采用對永久結(jié)構(gòu)的風荷載予以一定折減的方式,來確定臨時結(jié)構(gòu)風荷載的大小;但是定量計算風荷載的公式及其可靠的依據(jù)尚未有統(tǒng)一的認識。對于空間桁架臨時看臺的風荷載,可以借鑒主看臺挑蓬的研究方法。目前各國對挑蓬風荷載的研究,挑蓬受力面形狀較為簡單,澳大利亞主要針對前緣為直線的矩形獨立主看臺挑篷;加拿大、美國和日本雖然對挑蓬風荷載有較詳盡的規(guī)定,但在屋蓋方面僅限于閉口形式的結(jié)構(gòu);我國確定了開口單坡頂蓋的風荷載體型系數(shù),但因其過于簡單,直接將其應(yīng)用于大型臨時看臺結(jié)構(gòu)風荷載的計算還有些欠妥。對于具有可變遮擋立面的臨時看臺,相關(guān)研究更是稀少。哈爾濱工業(yè)大學對臨時看臺風荷載進行了前期研究,提出了可變迎風面對大型臨時看臺表面風壓的干擾特征,對進一步探索大型臨時看臺風荷載分布規(guī)律起到了重要的作用。為了獲取大型桁架臨時看臺立面的風荷載分布規(guī)律,本文對臨時看臺結(jié)構(gòu)在周圍全遮擋情況下的表面風荷載分布情況進行了數(shù)值仿真研究。論文首先通過試算確定了適合臨時看臺風荷載數(shù)值模擬的計算方法;然后,運用此方法對0°、90°、180°三種不同風向角下的風壓分布進行數(shù)值模擬,以確定最不利風荷載;第三部分,對三種數(shù)值模擬結(jié)果提取可用于設(shè)計計算的各個面的風荷載壓力系數(shù);最后確定最不利風荷載及該工況下的壓力系數(shù),以用于設(shè)計計算。1cfd值的模擬方法1.1cfd分析的計算域CFD(ComputionalFluidDynamics)數(shù)值模擬是基于流體基本控制方程,針對所求解區(qū)域的流體,對離散的各流體控制單元進行數(shù)值求解,得到確定流體在空間各處分布狀態(tài)所需的數(shù)據(jù)。在CFD分析中,由于風場位于整個大氣層,其覆蓋范圍為一個無限大區(qū)域,對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生實際影響的只是一定距離內(nèi)的風場,數(shù)值模擬只能針對一定區(qū)域內(nèi)的風場進行分析,CFD數(shù)值模擬需要針對一定的計算域,在結(jié)構(gòu)周圍一定距離設(shè)置壁面,人為地將流體封閉在該計算域內(nèi),為保證壁面不會對結(jié)構(gòu)周圍的流場分布特性產(chǎn)生過大影響,計算域不宜太小。同時,考慮計算效率問題,計算域不宜過大。計算域的選取上,黃本才、汪從軍和孫瑛對數(shù)值風洞大小提出了建議值,本文參照上述建議,并考慮自身條件,經(jīng)過試算,確定計算域各參數(shù)如圖1及表1和表2所示。1.2網(wǎng)格劃分方案數(shù)值模擬首先對計算區(qū)域的流體劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的好壞決定了數(shù)值模擬的計算效率,解的精度、收斂性和穩(wěn)定性。因此,數(shù)值模擬階段需采取合適的網(wǎng)格劃分方案,避免網(wǎng)格參數(shù)對計算結(jié)果產(chǎn)生過大影響。網(wǎng)格劃分方案主要從網(wǎng)格類型和網(wǎng)格尺度兩方面影響計算結(jié)果。參照文獻中網(wǎng)格劃分尺寸,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方案。對看臺兩側(cè)面,由于采用六面體網(wǎng)格時網(wǎng)格質(zhì)量很差,故采用楔形網(wǎng)格。網(wǎng)格近密遠疏。模型表面的面網(wǎng)格如圖2所示。1.3方程的封閉本文采用k-ε湍流模型來模擬湍流流動,實現(xiàn)對雷諾平均N-S方程的封閉。該模型用湍動能和湍流耗散率來表示湍流粘度模型,同時為使該模型在近壁面附近具有良好的適應(yīng)性,近壁面處理采用非平衡壁面函數(shù),以模擬壁面附近復雜的逆壓梯度和回流流動現(xiàn)象。1.4結(jié)構(gòu)表面壁面數(shù)值風洞的邊界是計算域的邊界條件,包括數(shù)值風洞的入口、出口、地面、頂壁、側(cè)壁以及結(jié)構(gòu)表面壁面。邊界條件設(shè)置見表3。其中,U10=21m/s一項綜合考慮了任務(wù)書中要求及哈爾濱地區(qū)重現(xiàn)期為10年的基本風速。1.5壓力-速度耦合本文采用有限體積法將微分方程轉(zhuǎn)化成各控制單元各個節(jié)點上的一組代數(shù)方程組。在運用有限體積法進行離散時,采用二階迎風格式離散對流項,采用具有二階精度的中心差分格式對擴散項進行離散;采用SIMPLEC算法對壓力-速度耦聯(lián)方程實現(xiàn)各聯(lián)立方程的解耦、壓力場和速度場的校正。通過監(jiān)測連續(xù)性方程、各方向速度、湍動能、湍流耗散率及各主要表面的升力、阻力系數(shù)變化來確定流場進入穩(wěn)態(tài)。2臨時結(jié)構(gòu)表面的平均風負荷分布特征2.1全遮閉機環(huán)境下風壓分布本文對臨時看臺建立全尺度模型,如圖3所示。模型包括臨時看臺的迎風面、左右側(cè)面、頂面、背風面。為研究全遮擋情況下的風壓分布,忽略看臺板的折線變化,模型看臺板面按平面考慮。由于空間風向的不確定性,加上大型臨時看臺結(jié)構(gòu)本身具有對稱性,故風向角考慮0°、90°、180°,研究不同風向角下的風壓分布,以確定最不利的風壓分布狀態(tài)。風向角定義如圖4所示。2.2面風荷載分布風向角為0°時臨時看臺結(jié)構(gòu)各表面位置示意圖如圖5所示。風向角為0°時臨時看臺結(jié)構(gòu)各表面平均風壓系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,迎風面的平均風荷載呈現(xiàn)為風壓力,背風面風力接近于0,其余各面表現(xiàn)為風吸力。來流風在迎風面頂面處產(chǎn)生分離,由于頂面為傾斜面,在氣流的分離位置處風吸力并不是最大值,而是在距離頂面分離位置一定距離處風吸力最大,往后逐漸減小;左右兩側(cè)平均風荷載分布規(guī)律完全一致,在分離位置處風吸力最大,之后逐漸減小;背風面面積很小,整個面上風荷載分布很小。風向角為90°時臨時結(jié)構(gòu)各表面位置示意圖如圖7所示。風向角為90°時臨時看臺結(jié)構(gòu)各表面平均風壓系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,迎風面平均風荷載表現(xiàn)為風壓力,其余各處為風吸力。來流風在迎風面頂面處產(chǎn)生分離,氣流在頂面產(chǎn)生分離,故頂面仍為風壓力,在分離處風壓最大,往后逐漸減小;左右兩側(cè)平均風荷載分布規(guī)律完全一致,在分離位置處風吸力較大,往后風吸力逐漸減小至0,再往后風吸力逐漸增大直至0.2;背風面也受風吸力作用,整個面上風荷載呈現(xiàn)帶狀分布,角部位置風吸力最大,隨著不斷靠近中間逐漸減小。整個面上風吸力分布較為均勻。風向角為180°時臨時結(jié)構(gòu)各表面位置示意圖如圖9所示。風向角為180°時臨時看臺結(jié)構(gòu)各表面平均風壓系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果如圖10所示。由圖10可知,迎風面、頂面大部分前側(cè)的平均風荷載表現(xiàn)為風壓力,其余各處為風吸力。來流風在迎風面頂面處產(chǎn)生分離,由于迎風面高度很小,加之頂面為傾斜面,該處氣流分離很小,故頂面大部分區(qū)域仍為風壓力,往后風壓力逐漸減小,在頂面后緣較小范圍內(nèi)才出現(xiàn)風吸力;左右兩側(cè)平均風荷載分布規(guī)律完全一致,在分離位置處風吸力最大,風吸力分布等值線平行于斜面,往后風吸力逐漸減小;背風面也受風吸力作用,整個面上風荷載呈現(xiàn)環(huán)狀分布,角部位置風吸力最大,隨著不斷靠近中間逐漸減小。整個面上風吸力分布較為均勻。3平均風荷載的計算為便于進行計算,對各工況風壓系數(shù)值進行處理,可得到各面的平均壓力系數(shù),定義為Cp,如表4所示。在設(shè)計計算時,各個面上平均風荷載值為w=w0Cp,其中,w0為設(shè)計基本風壓。由表4可知,0°風向角下結(jié)構(gòu)所受傾覆力矩最大,因此該工況微結(jié)構(gòu)的最不利受荷狀態(tài)。4向角對于大風壓區(qū)和風吸區(qū)的作用通過對具有遮擋的臨時空間桁架看臺CFD分析,可以得到如下結(jié)論:(1)空間桁架臨時看臺迎風面風荷載表現(xiàn)為風壓力,頂面根據(jù)風向角的不同可能會為風壓區(qū)或風吸區(qū),