大型临时空间桁架结构受风面积影响的分析

大型临时空间桁架结构受风面积影响的分析

临时结构风荷载计算方法研究随着消费化文化需求和社会老年人化的发展，大众对户外文化健身、经济、体育和体育活动的需求越来越少。由于大型临时看台相关研究刚刚起步,缺乏相关的技术理论和规范,大型临时看台蕴含着较大的风险,近几年安全事故频发,其中风荷载是造成临时看台倒塌事故的主要原因之一。如:2004年9月12日中午,中国网球公开赛ATP预选赛2号主赛场右侧观众席最上面两排近60个座椅被风吹倒;2007年8月3日傍晚,上海国际赛车场D区4座临时看台连同隔开看台和赛道的铁丝护栏被大风吹翻在10多米外的绿化和赛道内。这些事故表明,对大型临时看台结构进行合理的抗风设计研究势在必行。目前,临时结构抗风设计还没有明确统一的技术规范,世界各国都在积极展开对临时结构的抗风研究。WilliamB.等指出应制定临时结构设计规范;Jamshid等提出了临时结构风荷载的确定方法,但这只是定性地分析临时结构的风荷载,文中采用对永久结构的风荷载予以一定折减的方式,来确定临时结构风荷载的大小;但是定量计算风荷载的公式及其可靠的依据尚未有统一的认识。对于空间桁架临时看台的风荷载,可以借鉴主看台挑蓬的研究方法。目前各国对挑蓬风荷载的研究,挑蓬受力面形状较为简单,澳大利亚主要针对前缘为直线的矩形独立主看台挑篷;加拿大、美国和日本虽然对挑蓬风荷载有较详尽的规定,但在屋盖方面仅限于闭口形式的结构;我国确定了开口单坡顶盖的风荷载体型系数,但因其过于简单,直接将其应用于大型临时看台结构风荷载的计算还有些欠妥。对于具有可变遮挡立面的临时看台,相关研究更是稀少。哈尔滨工业大学对临时看台风荷载进行了前期研究,提出了可变迎风面对大型临时看台表面风压的干扰特征,对进一步探索大型临时看台风荷载分布规律起到了重要的作用。为了获取大型桁架临时看台立面的风荷载分布规律,本文对临时看台结构在周围全遮挡情况下的表面风荷载分布情况进行了数值仿真研究。论文首先通过试算确定了适合临时看台风荷载数值模拟的计算方法;然后,运用此方法对0°、90°、180°三种不同风向角下的风压分布进行数值模拟,以确定最不利风荷载;第三部分,对三种数值模拟结果提取可用于设计计算的各个面的风荷载压力系数;最后确定最不利风荷载及该工况下的压力系数,以用于设计计算。1cfd值的模拟方法1.1cfd分析的计算域CFD(ComputionalFluidDynamics)数值模拟是基于流体基本控制方程,针对所求解区域的流体,对离散的各流体控制单元进行数值求解,得到确定流体在空间各处分布状态所需的数据。在CFD分析中,由于风场位于整个大气层,其覆盖范围为一个无限大区域,对结构产生实际影响的只是一定距离内的风场,数值模拟只能针对一定区域内的风场进行分析,CFD数值模拟需要针对一定的计算域,在结构周围一定距离设置壁面,人为地将流体封闭在该计算域内,为保证壁面不会对结构周围的流场分布特性产生过大影响,计算域不宜太小。同时,考虑计算效率问题,计算域不宜过大。计算域的选取上,黄本才、汪从军和孙瑛对数值风洞大小提出了建议值,本文参照上述建议,并考虑自身条件,经过试算,确定计算域各参数如图1及表1和表2所示。1.2网格划分方案数值模拟首先对计算区域的流体划分网格。网格划分的好坏决定了数值模拟的计算效率,解的精度、收敛性和稳定性。因此,数值模拟阶段需采取合适的网格划分方案,避免网格参数对计算结果产生过大影响。网格划分方案主要从网格类型和网格尺度两方面影响计算结果。参照文献中网格划分尺寸,采用结构化网格划分方案。对看台两侧面,由于采用六面体网格时网格质量很差,故采用楔形网格。网格近密远疏。模型表面的面网格如图2所示。1.3方程的封闭本文采用k-ε湍流模型来模拟湍流流动,实现对雷诺平均N-S方程的封闭。该模型用湍动能和湍流耗散率来表示湍流粘度模型,同时为使该模型在近壁面附近具有良好的适应性,近壁面处理采用非平衡壁面函数,以模拟壁面附近复杂的逆压梯度和回流流动现象。1.4结构表面壁面数值风洞的边界是计算域的边界条件,包括数值风洞的入口、出口、地面、顶壁、侧壁以及结构表面壁面。边界条件设置见表3。其中,U10=21m/s一项综合考虑了任务书中要求及哈尔滨地区重现期为10年的基本风速。1.5压力-速度耦合本文采用有限体积法将微分方程转化成各控制单元各个节点上的一组代数方程组。在运用有限体积法进行离散时,采用二阶迎风格式离散对流项,采用具有二阶精度的中心差分格式对扩散项进行离散;采用SIMPLEC算法对压力-速度耦联方程实现各联立方程的解耦、压力场和速度场的校正。通过监测连续性方程、各方向速度、湍动能、湍流耗散率及各主要表面的升力、阻力系数变化来确定流场进入稳态。2临时结构表面的平均风负荷分布特征2.1全遮闭机环境下风压分布本文对临时看台建立全尺度模型,如图3所示。模型包括临时看台的迎风面、左右侧面、顶面、背风面。为研究全遮挡情况下的风压分布,忽略看台板的折线变化,模型看台板面按平面考虑。由于空间风向的不确定性,加上大型临时看台结构本身具有对称性,故风向角考虑0°、90°、180°,研究不同风向角下的风压分布,以确定最不利的风压分布状态。风向角定义如图4所示。2.2面风荷载分布风向角为0°时临时看台结构各表面位置示意图如图5所示。风向角为0°时临时看台结构各表面平均风压系数数值模拟结果如图6所示。由图6可知,迎风面的平均风荷载呈现为风压力,背风面风力接近于0,其余各面表现为风吸力。来流风在迎风面顶面处产生分离,由于顶面为倾斜面,在气流的分离位置处风吸力并不是最大值,而是在距离顶面分离位置一定距离处风吸力最大,往后逐渐减小;左右两侧平均风荷载分布规律完全一致,在分离位置处风吸力最大,之后逐渐减小;背风面面积很小,整个面上风荷载分布很小。风向角为90°时临时结构各表面位置示意图如图7所示。风向角为90°时临时看台结构各表面平均风压系数数值模拟结果如图8所示。由图8可知,迎风面平均风荷载表现为风压力,其余各处为风吸力。来流风在迎风面顶面处产生分离,气流在顶面产生分离,故顶面仍为风压力,在分离处风压最大,往后逐渐减小;左右两侧平均风荷载分布规律完全一致,在分离位置处风吸力较大,往后风吸力逐渐减小至0,再往后风吸力逐渐增大直至0.2;背风面也受风吸力作用,整个面上风荷载呈现带状分布,角部位置风吸力最大,随着不断靠近中间逐渐减小。整个面上风吸力分布较为均匀。风向角为180°时临时结构各表面位置示意图如图9所示。风向角为180°时临时看台结构各表面平均风压系数数值模拟结果如图10所示。由图10可知,迎风面、顶面大部分前侧的平均风荷载表现为风压力,其余各处为风吸力。来流风在迎风面顶面处产生分离,由于迎风面高度很小,加之顶面为倾斜面,该处气流分离很小,故顶面大部分区域仍为风压力,往后风压力逐渐减小,在顶面后缘较小范围内才出现风吸力;左右两侧平均风荷载分布规律完全一致,在分离位置处风吸力最大,风吸力分布等值线平行于斜面,往后风吸力逐渐减小;背风面也受风吸力作用,整个面上风荷载呈现环状分布,角部位置风吸力最大,随着不断靠近中间逐渐减小。整个面上风吸力分布较为均匀。3平均风荷载的计算为便于进行计算,对各工况风压系数值进行处理,可得到各面的平均压力系数,定义为Cp,如表4所示。在设计计算时,各个面上平均风荷载值为w=w0Cp,其中,w0为设计基本风压。由表4可知,0°风向角下结构所受倾覆力矩最大,因此该工况微结构的最不利受荷状态。4向角对于大风压区和风吸区的作用通过对具有遮挡的临时空间桁架看台CFD分析,可以得到如下结论:(1)空间桁架临时看台迎风面风荷载表现为风压力,顶面根据风向角的不同可能会为风压区或风吸区,