V形網殼結構屋蓋風荷載模擬分析

張俊杰，　袁文濤

（黑龍江科技大學 建筑工程學院，哈爾濱 150022）

V形網殼結構屋蓋風荷載模擬分析

張俊杰，袁文濤

（黑龍江科技大學 建筑工程學院，哈爾濱 150022）

為研究V形網殼結構屋蓋的風壓分布規(guī)律，應用ANSYS-CFX軟件對該結構進行風荷載數值模擬。對V形網殼結構屋蓋進行實體建模，選取計算流域，進行網格劃分，設定邊界條件，并選取SST湍流模型對該結構進行數值模擬計算，分析V形網殼結構屋蓋分別在0°、45°和90°風向角下的風壓分布規(guī)律。結果表明：45°為該結構最不利風向角；由于45°和90°風向角下的結構表面整體負壓值較大，所以應著重驗算45°和90°風向角的局部負壓和整體負壓；不論風向角怎樣變化，風吸力是此屋蓋結構的主要荷載，其最大值一般出現在迎風結構面的邊緣，結構邊緣處風壓梯度變化較大，屋蓋V形折點區(qū)域局部風壓較緩端局部風壓大。

V形網殼結構；屋蓋風壓分布規(guī)律；風荷載；網格劃分；湍流模型；數值模擬

0　引　言

隨著社會的進步和科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的屋蓋形式已不能滿足人們對建筑結構功能的使用要求，因此，出現了許多新型的屋頂結構形式［1］。風荷載是屋頂結構的控制荷載，我國現行的GB50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》［2］中，只列出了一些常見結構形式屋蓋的風荷載體型系數，對于一般性的復雜體型結構還需要做深入分析。風洞實驗是研究結構風載的重要手段，它能夠在一定程度上還原真實環(huán)境中風荷載對結構物的影響。但風洞實驗持續(xù)時間較長、資金消耗較大，并且無法提供相應的流場信息。隨著計算機技術和流體力學的迅速發(fā)展，以流體動力學為基礎的數值模擬方法克服了風洞實驗的不足。數值模擬方法［3］是利用計算機技術模擬建筑物周圍風場，計算結構風壓的一種方法。計算風工程也被稱為數值風洞［4］，其研究成果需要在一些假設的基礎上完成。湍流模型用來模擬風繞建筑物的流動形式，其具體形式是流體在流域內隨時間與空間的不斷波動，目前，常用的幾種湍流模型在風荷載模擬中都存在一些缺陷，可以說計算風工程技術的水平高低與湍流模型技術的水平密不可分［5］。同時，在數值模擬過程中，模擬方法、網格劃分及計算流域等也對模擬結果有直接的影響［6］?？傮w來說，利用數值模擬方法研究風載荷對屋頂結構的影響具有重要意義。

1　模型建立與計算流域選取

數值模擬第一步建立建筑模型和流體域模型。首先，采用Design Modeler軟件進行實體建模，模型為V形網殼結構屋蓋形式，模型長60 m，寬56 m，高15 m。接著，進行計算流域的選取，計算流域的尺寸與數值模擬精度關系密切，計算流域的尺寸太小，會影響結構表面風壓分布；尺寸選取過大，則會增加計算網格數量，從而導致資源的浪費，并且影響計算精度的提升［7］。一般的計算流域選取原則［8］如下：設模擬實體對象的高度為h，對于高度較低的建筑物，風場流動的主要形式為頂面繞流，流域的入口一般設定在離結構物4h～5h的位置。流域的出口邊界，需要保證尾流充分發(fā)展，否則會有回流，計算不收斂。但是由于結構體遠端網格體積大，湍流能耗散較快且對入口端影響較小，因此，在進行建筑物風荷載模擬時，可以將出口與結構體之間距離適當縮短，綜合以上兩點出口邊界一般設定在離建筑物背風面2h～3h的位置。計算流域側邊緣與結構物之間的距離應為3h～4h，阻塞率應小于3%。文中模擬對象為低矮建筑結構，流域大小選取按上述原則進行。此外，模型和流域均為對稱結構，在建模時只建立了幾何模型的一半區(qū)域，具體尺寸，L=210 m，H=68 m，W=94 m，所建模型及流域選取如圖1所示。

圖1　屋蓋幾何模型與計算流域Fig.1　Roof geometry model and calculation of basin

2　計算網格劃分

數值模擬第二步進行網格劃分。網格是應用有限元的思想來離散連續(xù)的計算區(qū)域，并將連續(xù)的計算區(qū)域劃分為若干個子區(qū)域進行計算，同時確定子區(qū)域中的節(jié)點［9］。網格一般從其大小和質量兩方面判斷其優(yōu)劣程度。較差的網格劃分會導致模擬計算無法進行或中止模擬計算，而較好的網格劃分可以使計算結果的正確性和精確性得到有效提高。

文中采用 ANSYS12.0中的網格劃分軟件ICEM進行劃分，軟件中網格有四面體和六面體兩種形式，如圖2所示。

圖2　ICEM中的網格形式Fig.2　Grid form in ICEM

計算精度的控制因素之一是網格的質量，網格的質量主要是網格類型的選取。網格分為結構化和非結構化網格兩種，結構化網格［10］是指每個網格區(qū)域中的節(jié)點有相同的毗鄰單元。與結構化網格的定義相比，非結構化網格［11］是指每個網格區(qū)域中的節(jié)點不具有相同的毗鄰單元，并且采用隨機數據生成網格節(jié)點，即不同的網格劃分區(qū)域中的節(jié)點相連的網格數目也不同。一般體型的建筑結構常采用結構化網格劃分建筑物，而體型復雜的常采用非結構化網格。結構化網格可以很容易地實現區(qū)域的邊界擬合，適于流體和表面應力集中等方面的計算，網格生成的速度快、質量好，但適用的范圍比較窄，對求解復雜區(qū)域適應性差。非結構網格生成過程中采用一定的準則進行優(yōu)化判斷，因而能生成高質量的網格，容易控制網格大小和節(jié)點密度，采用隨機的數據結構有利于進行網格自適應。但在滿足同樣流場計算條件下，它產生的網格數量要比結構網格大得多。

此外，網格的數量在劃分網格中是另一個重要的控制因素，網格數量過多會導致模擬計算時間過長，造成不必要的浪費；數量少則會使計算結果不夠精確。因此，對遠離建筑物的流體計算區(qū)域可以適當減少網格的數量，對于建筑結構表面區(qū)域及其相鄰近的計算流域需要進行網格的加密。

針對模擬實體結構，綜合考慮以上因素，采用四面體非結構網格對V形網殼結構屋蓋進行網格劃分。結構體及計算域采用四面體網格（個別位置采用楔形體或錐體），面網格采用三角形網格，運用ICEM網格編輯中的adjust mesh density對V形網殼屋蓋結構進行加密處理，從而得到10 486個節(jié)點和66 954個體單元。具體劃分情況如圖3所示。

圖3　V形網殼結構屋蓋網格劃分Fig.3　Mesh structure of V-shaped dome

3　邊界條件與湍流模型

將已劃分好網格的流體模型在CFX前處理中定義為流體域。流體域設定完成后，設定邊界條件，邊界類型包括入口邊界、出口邊界、無滑移壁面邊界和自由滑移壁面邊界。

3.1入口邊界

入口邊界條件的設定是在流域的入口處指定模擬所需的各類參數，設定入口面邊界類型為inlet，并設置相關參數。入口邊界為設定風場的平均速度和用于模擬的湍流模型。在設定邊界信息時，空氣模型選用理想不可壓縮氣體模型，質量與動量選定Normal Speed，速度值設定為15 m/s。

3.2出口邊界

出口邊界條件的設定是在流域的出口處指定模擬所需的各類參數，設定出口面邊界類型為outlet，并設置相關參數。使用outlet出口邊界是認為流體在出口處的流動情況由流域內部向外部發(fā)展得到，即認為流體完全發(fā)展，對上游流體流動沒有影響。考慮到風場在出口邊界需要充分發(fā)展，設置在垂直于出口面方向上的變量梯度值為零。設定出口邊界處質量與動量為Static Pressure，相對壓強值為0 Pa。

3.3壁面邊界條件

壁面邊界條件的設定是在流域的各側面（非入口面與出口面）指定模擬各面的邊界類型并設置相關參數，壁面邊界條件類型為wall，其類型劃分為無滑移的壁面條件 （No slip wall）和自由滑移壁面條件（Free slip）。計算模型為對稱結構，建模時只需建立其對稱的一半區(qū)域；將結構模型的表面和計算域底面設定為無滑移的壁面條件，即認為流體在近壁面處的速度為零；為了模擬大氣邊界層條件，將計算域頂部和一側設定為自由滑移的壁面條件，即認為近壁面處的流體流動不受壁面邊界的影響。

3.4湍流模型

湍流模型用來模擬風繞建筑物的流動形式，其具體過程是流體在流域內隨時間與空間的不斷波動［12］。湍流形式往往取決于流體本身的性質，如果流體本身的慣性力大于黏性力，湍流就會發(fā)生，常用雷諾數［13］來表明湍流的狀態(tài)，具體表達為

式中：ρ——流體的密度；

μ——流體的黏度；

v——流體表征速度；

L——流體表征長度。

雷諾數較小，表明流體的黏性力大于慣性力時，流體內各質點平行于流域內壁進行規(guī)則的流動，此時流體為層流狀態(tài)；雷諾數較大，表明流體的慣性力大于黏性力，流體內各質點的流動狀態(tài)為雜亂的無規(guī)則流動，此時流體為紊流狀態(tài)。湍流模型的發(fā)展是以確定影響湍流運動規(guī)律的因素以及根據湍流運動規(guī)律尋找附加條件和關系式為基礎的。由于在模擬過程中很多風場環(huán)境不能表述清晰，所以，為了還原真實的風場環(huán)境，對湍流模型的運用顯得尤為重要。

常用的湍流模型有標準k-ε模型和SST（Shear Stress Transport）兩種。在計算復雜湍流場時，標準kε模型不能模擬出風場的真實環(huán)境，風繞建筑物流動為復雜的繞流場，因此，建筑計算風工程中不宜采用標準k-ε模型。SST模型能較好地模擬復雜湍流場，并且適用于復雜體型結構的模擬。根據模擬環(huán)境，采用SST模型進行計算。

4　結果與分析

由于氣流繞流特性的不同會造成屋蓋表面風壓分布的差異，所以在此類結構的實際設計過程中，需要分析不同來流方向對屋蓋風荷載分布的影響。模型為對稱結構，只選取具有代表性的0°，45°和90°三種風向角，對V形網殼結構屋蓋進行風荷載數值模擬，模擬結果如圖4所示。

圖4　不同風向角下的風壓分布Fig.4　Pressure distribution under different wind angles

由圖4可知，0°風向角為風的流向垂直于屋蓋前緣，風流在屋蓋前緣分離，此時，屋蓋表面整體負壓值偏小，最大風吸值出現在迎風屋面邊緣的V形最低折點處，而隨屋蓋坡度上升風吸值逐漸減小，屋蓋前緣的風壓梯度變化較大。45°風向角時，與0°風向角不同的是最大風吸值出現在迎風屋面邊緣的V形最高折點附近，在遠離屋蓋前緣的中部，風壓出現正值。90°風向角時，與上兩種風向角不同的是V形屋蓋后邊緣出現了最大風吸值。

5　結　論

（1）根據三種風向角下風壓分布對比，45°風向角下結構出現最大負壓值，并且結構邊緣風壓梯度變化最大，因此45°為最不利風向角。

（2）45°和90°風向角下的結構表面整體負壓值較大，因此，應著重驗算45°和90°風向角的局部負壓和整體負壓。

（3）不論風向角怎樣變化，風吸力是該屋蓋結構的主要荷載，其最大值一般出現在迎風結構面的邊緣，各風向角下結構迎風面周邊區(qū)域的局部風壓較其他區(qū)域大，屋蓋V形折點區(qū)域局部風壓較緩端局部風壓大。在實際工程的設計中，V形折點處風荷載的驗算應重點考慮。

（4）所建模型未考慮其自身變形，視為剛性模型。該研究避免了風洞實驗的不足，具備模擬真實環(huán)境的能力，具有周期短、費用低的特點。

［1］塔尼婭·布羅屈克.屋頂構造［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010：56－57.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50009—2012建筑結構荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

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［5］姚志東.基于數值模擬方法的大跨度結構表面風荷載的計算與分析［D］.北京：北京交通大學，2008：36－47.

［6］吳迪，武岳，孫瑛，等.大跨度鐵路站房屋蓋結構風洞試驗與等效靜風荷載研究［J］.建筑結構學報，2011，33（1）：43-50.

［7］李鴻基.體育館大跨度懸挑屋蓋結構的風荷載數值模擬［D］.南寧：廣西大學，2012：40-50.

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（編輯徐巖）

Numerical simulation analysis of wind load on V reticulated shell structure

ZHANG Junjie，YUAN Wentao
（School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

Thi s paper is directed at investigating the law underlying the distribution of wind pressure acting on roof with V-shaped reticulated shell by a numerical simulation of the wind load on this structure using ANSYS-CFX software.The numerical simulation is performed by selecting the grid and calculating the boundary conditions；using the SST turbulence model to provide the numerical simulation of the structure in study；and using the SST model to analyze the law behind the distribution of wind pressure on the shell roof，as in the case of various wind direction from 0-degree to 45-degree and 90-degree.The study shows that 45 degrees is the most unfavorable wind direction for the structure；the greater overall negative pressure value of the structural surface under 45-degree and 90-degree wind direction dictates a focus on the checking calculation of the local negative pressure and negative pressure of the 45-and 90-degree wind direction；and despite any change in wind direction，the wind suction remains a main load acting on the roof structure，a load whose maximum value typically occurs in the windward structure edge subjected to a greater gradient change in wind pressure；produces a greater local wind pressure in V-shaped folded point area than in the gentler slope of roof structure.

V reticulated structure wind pressure distribution law；wind load；grid division；turbulence model；numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.017

TU339

2095-7262（2015）06-0660-04

A

2015－10－09

張俊杰（1965-），女，黑龍江省哈爾濱人，副教授，碩士，研究方向:土木工程，E-mail:120611966@qq.com。