基于CFD結果的廣告牌結構計算與風損評估

戴卓見，馬石城， 印長俊

(湘潭大學 土木工程與力學學院, 湘潭 411105)

參 考 文 獻

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基于CFD結果的廣告牌結構計算與風損評估

戴卓見，馬石城， 印長俊

(湘潭大學 土木工程與力學學院, 湘潭 411105)

為了探討戶外廣告牌的結構安全評估方法，以高速公路兩側典型的非平行雙面單立柱廣告牌為例，利用CFD軟件計算得到廣告牌各部位在不同工況下的風壓力，然后憑借有限元軟件對公路廣告牌進行結構分析，獲得廣告牌結構各構件的應力和位移，并對各工況條件下廣告牌結構的損傷情況進行了評估.結果表明，風向角為30°時對公路廣告牌結構的安全最為不利，同時發(fā)現(xiàn)，與面板相連的廣告牌支架的應力和位移始終較大，在風荷載下容易屈服或因變形過大而導致面板脫落，在設計中應予以重視.該研究方法可用于高速公路廣告牌結構的精細計算和損傷評估.

公路廣告牌；CFD模擬；結構分析；風損評估；風荷載

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，廣告業(yè)日益興旺，大型戶外廣告牌如春筍般在城市繁華地帶、交通主干道及高速公路沿線涌現(xiàn).然而，戶外廣告牌作為一種風災易損結構物，是抗風防御中的薄弱環(huán)節(jié)，其在強風作用下的損毀事故經(jīng)常發(fā)生，輕則幕布或鐵皮被撕裂，隨風飛舞，重則整個廣告牌骨架倒塌，對行人行車的安全構成了嚴重威脅[1].

針對戶外廣告牌結構，學者們主要從風荷載計算、廣告牌結構分析和風災損傷評估三個方面展開研究[2-6].如：金新陽等[3]采用計算流體力學(CFD)方法對雙面和三面獨立柱廣告牌的風荷載進行了數(shù)值模擬，得到了風壓系數(shù)和偏心距系數(shù)，為廣告牌結構的設計提供了依據(jù).劉明暉和王琳[5]利用有限元分析與模型試驗相結合的方法，對戶外廣告牌在水平風荷載下的力學特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)落地式三面廣告牌結構受扭矩影響較大，廣告牌振動形式與結構剛度和質量分布相關，主要以立柱扭轉和面板水平振動加轉動為主.艾曉秋等[6]以典型的平行雙面廣告牌為研究對象，提出了基于結構參數(shù)的風易損分析方法，通過建立模型來定量研究其風災易損性，為城市防災減災提供支持.分析以上文獻，發(fā)現(xiàn)盡管能用CFD方法計算得到較細致的廣告牌表面風壓力，但研究者在對廣告牌進行結構分析時，多采用的是通過規(guī)范簡化法計算得到的風荷載，而由此獲得的計算結果顯然不能精確地反映廣告牌結構局部的受力和變形情況.因此，有必要將風荷載計算、結構分析和風損評估三方面進行連續(xù)性研究.

本文以高速公路非平行雙面單立柱廣告牌為例，利用CFD軟件計算得到廣告牌各部位在不同工況下的風壓力，并對所得風荷載進行分析.然后利用有限元軟件建立廣告牌結構模型，將用CFD方法得到的風壓力作為外荷載進行計算，得到廣告牌結構各部位的應力和位移.最后基于結構應力的風易損分析方法對不同工況下廣告牌結構各部位的損傷情況進行了評估.

1 戶外廣告牌風荷載特性研究

1.1 廣告牌基本情況

所研究對象為高速公路兩側典型的非平行單立柱落地式鋼結構廣告牌，該戶外廣告牌單面面積為6 m×18 m，總高18 m，為鋼管、H型鋼、角鋼和槽鋼構成的組合桁架，立柱為直徑1.35 m的鋼管.廣告牌結構用鋼量約為26 T，其中立柱部分重約14 T，牌面桁架重約 12 T.廣告牌面板表面包2 mm鋁板，折彎焊接，表面烤漆.廣告位面層為5 mm透明耐力板，內(nèi)置3 mm乳白耐力板中間夾燈箱片，外框不銹鋼扣邊，可以更換畫面，內(nèi)置日光燈.基礎形式為鋼筋混凝土擴展基礎.非平行雙面廣告牌結構的立面圖和剖面圖如圖1所示.

圖1 廣告牌立面和剖面圖

考慮不同風速和不同風向角對廣告牌所受荷載特性的影響.風速采用15 m/s、20 m/s、25 m/s和30 m/s四種大小，分別對應于蒲福風力等級的7級勁風、8級大風、10級狂風和11級暴風，事實上11級風在陸地上是很少見的，其破壞程度僅次于臺風.風向角考慮0°、30°、60°和90°四種情況，其示意圖如圖2所示.

圖2 風向角示意圖

1.2 廣告牌CFD數(shù)值模擬

建立僅包含立柱、橫梁和面板的簡化實體模型，為了便于建模和網(wǎng)格劃分，面板厚度取10 cm，其他尺寸均采用實際值.廣告牌置于計算域長度方向的1/3位置處，計算域尺寸為200 m×100 m×100 m (長×寬×高)，通過布爾運算得到廣告牌的外部流場.計算域外輪廓網(wǎng)格大小為2 m，廣告牌附近區(qū)域的網(wǎng)格進行加密處理，板面網(wǎng)格大小為0.25 m，橫梁與立柱的交界細部網(wǎng)格尺寸為0.1 m，整個模型采用具有良好適應性的非結構四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成后，最終體網(wǎng)格單元總數(shù)在36萬左右.廣告牌的計算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示.

圖3 廣告牌CFD模型及網(wǎng)格劃分

流體分析時湍流模型采用RNGk-ε模型，該模型基于Boussinesq渦粘性假定，由湍動能k和耗散率ε構造湍動粘性來計算雷諾應力，修正了標準k-ε模型在流場滯點附近產(chǎn)生過高湍動能的缺陷.由于所研究的風速較低，可認為空氣是不可壓縮流體，故計算域入口面采用速度進口邊界條件，給定來流的平均速度與湍流參數(shù).來流平均風速采用滿足指數(shù)關系的風剖面表達式[7]：

v(z)=v10(z/10)α

(1)

式中，v10為參考高度10 m處的風速，m/s；z為高度，m；α為地面粗糙度指數(shù).

假設廣告牌所在場地為B類，即位于田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)，根據(jù)建筑結構荷載規(guī)范[8]，B類地面粗糙度指數(shù)取0.16，風速沿高度的變化通過UDF編程實現(xiàn).流域出口面采用完全發(fā)展出流邊界條件；流域頂部和兩側采用自由滑移的壁面；結構表面和地面采用無滑移的壁面條件.求解時選擇適用于低速不可壓縮流動的壓力基求解器，采用二階迎風格式，以提高計算精度；迭代計算的收斂標準設定無量綱均方根殘差降至10[-4]以下[9].

1.3 廣告牌風荷載特性

1.3.1 不同工況下風荷載分布

圖4為雙面廣告牌在各種不同風速和風向角工況下的整體風壓分布圖.從圖4可以看出，在風向角均為0°的條件下，除了廣告牌迎風向面板的外側面受到風壓力外，其他各面的風荷載都表現(xiàn)為吸力，且風荷載大小均隨著風速的增加而非線性增大；迎風向面板兩側面及背風向面板內(nèi)側面的風荷載分布比較均勻，只在面板邊緣附近存在一定的變化外，而背風向面板外側面的風吸力表現(xiàn)為四周小，中心大的不均勻分布.

圖4 不同工況下廣告牌風壓等值線圖

在風速均為20 m/s的條件下，風向角從0°增加的30°，迎風向面板外側面的風壓力迅速減小，迎風向面板內(nèi)側面及背風向面板兩側面的風吸力均有所增大；風向角從30°增加到90°的過程中，迎風向面板外側面風壓力略有增大，而其他各面的風吸力均顯著減小至0并于風向角為60°前后轉為風壓力，并隨風向角的增加而進一步增大.在風向角從0°變化到90°的整個過程中，迎風向面板所受風荷載合力和背風向面板所受風荷載合力的方向始終相異，且荷載大小均顯著減小.

立柱被面板遮蔽的部分受到的風荷載較小，立柱位于面板以下的部分受到的風荷載較大，除了迎風面小范圍內(nèi)受到正壓力外，絕大多數(shù)部位均承受吸力；立柱所受到的風荷載隨風速的增加而顯著增大，但其所受風荷載占廣告牌全部風荷載的比例受風速影響較?。涣⒅巷L荷載的大小受風向角的影響較小，但其所受風荷載占廣告牌全部風荷載的比例受風向角的影響較大(從7.1%到86.6%變化).橫梁由于被兩面板所遮擋，所受到的風荷載非常小，在各種工況下均不足總風荷載的1%.

獲得各工況下廣告牌的風壓等值線圖后，即可提取廣告牌各部位表面的風壓值，以用于結構計算.圖5給出了提取得到的20 m/s風速和0°風向角時廣告牌迎風向面板外側面的風壓力三維曲面圖.

圖5 廣告牌面風壓值的提取

1.3.2 風壓系數(shù)和偏心距系數(shù)

廣告牌表面的風荷載壓力系數(shù)定義為廣告牌表面平均風壓與廣告牌中心高度來流動壓的比值.風壓系數(shù)可以用來反映因風場繞流在廣告牌表面所產(chǎn)生的實際風荷載的情況，壓力系數(shù)的正、負分別表示垂直于廣告牌表面的風荷載為壓力或吸力.壓力系數(shù)Cp可按下式計算[2]：

(2)

式中，p為數(shù)值計算所得廣告牌面的平均風壓力，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；vh為板面中心高度處的來流風速，m/s.

廣告牌表面的風荷載偏心距系數(shù)定義為風荷載對廣告牌中心軸產(chǎn)生的扭矩與風荷載合力和板寬乘積的比值.偏心距系數(shù)可以用來反映因空氣繞流引起的廣告牌實際所受的扭矩大小，偏心距系數(shù)的正負代表右手螺旋法則的正反方向.偏心距系數(shù)Ce的計算式如下[2]：

(3)

式中，Mz為風荷載對廣告牌中心軸的扭矩，N·m；A為廣告牌面板的面積，m2；L為廣告牌面板的寬度，m.

在平坦場地，風速為20 m/s時，雙面板廣告牌各面板表面的風壓力系數(shù)和偏心距系數(shù)受風向角的影響較大(見表1).廣告牌面板的最大風荷載合力出現(xiàn)在0°風向角的情況下，同時，當風向角在0°～30°范圍變化時其合力減小較少，但隨著風向角的繼續(xù)增大，風荷載合力顯著減小.廣告牌扭矩隨風向角的增加逐漸增大，在60°風向角時達到最大，然后風向角繼續(xù)增加扭矩反而減小，當風向角為90°時，扭矩減小至0.

表1 廣告牌風壓系數(shù)和偏心系數(shù)

2 戶外廣告牌結構計算與損傷評估

2.1 廣告牌有限元模型

利用有限元軟件對廣告牌結構進行整體計算和分析.立柱、橫梁、支架等構成主體骨架的全部構件均用殼單元模擬，并采用實際尺寸；構成面板結構的龍骨、鋁板和面板等效為10 mm厚薄板，并用殼單元模擬；其他附屬設施如檢修道、燈具等不予考慮，廣告牌的有限元模型如圖6所示.

圖6 廣告牌有限元模型

廣告牌主體骨架通過布爾運算融合成整體，即不論焊接或螺栓連接均按全焊處理；而面板與廣告牌支架之間采用全約束連接.計算荷載僅考慮廣告牌自重與風荷載，自重通過定義密度和重力加速由軟件自動計算和施加；忽略橫梁和其他構件上的風荷載，只考慮廣告牌面板四個面和立柱上的風荷載，風荷載大小采用前節(jié)用CFD軟件計算的到的風壓力(吸力).在立柱底面施加約束全部自由度的位移邊界.除10 mm厚面板采用耐力板外，廣告牌其他構件均采用Q235鋼材，所有材料均采用理想彈性模型，材料的物理力學特性如表2所示.

表2 材料物理力學性質

2.2 結構計算結果及損傷評估

2.2.1 廣告牌應力和位移結果分析

表3給出了不同工況下雙面廣告牌的最大應力和最大位移結果.從表3可以看出，廣告牌各部位的等效應力和位移均隨風速的增大而呈非線性增加；當風速小于等于15 m/s時等效應力最大部位位于鋼管橫梁，而當風速繼續(xù)增大后用于支撐面板的槽鋼支架逐漸出現(xiàn)應力集中，其應力顯著大于其他部位；廣告牌骨架的最大位移始終位于槽鋼支架端部.隨著風向角的增大，廣告牌骨架各部位的應力和位移除了個別情況外都表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢，可知30°風向角對廣告牌結構最為不利；隨著風向角的增大，鋼管橫梁所受應力比重增大，但位移最大部位仍位于槽鋼支架.

表3 不同工況下廣告牌的最大應力和最大位移

2.2.2 廣告牌結構損傷評估

在廣告牌結構計算的基礎上，結合基于結構參數(shù)的風損評估方法，可對廣告牌結構進行風致?lián)p失分析.根據(jù)材料力學知識，廣告牌各構件保持安全使用的強度條件為[6]：

σ≤[σ]

(4)

式中，σ為各構件的實際應力，MPa；[σ]為材料的許用應力，MPa.

當[σ]采用不同的強度限值時，可以將結構分為4個破壞等級：第一級，結構基本完好，σ≤σe；第二級，結構輕微破壞，σe<σ≤σs；第三級，結構嚴重破壞，σs<σ≤σb；第四級，結構完全破壞，σ>σb(σe、σs、σb分別為鋼材的彈性極限、屈服強度和極限強度).

戶外廣告牌的主體結構均為Q235鋼材，其彈性極限、屈服強度和極限強度見表2.根據(jù)結構計算得到的廣告牌應力及材料強度，根據(jù)式(4)即可對廣告牌在不同工況下的風致?lián)p傷進行評估，見表4.

表4 廣告牌結構風損評價

3 結 論

本文基于CFD結果對公路廣告牌結構進行了有限元分析和損傷評估，得到以下結論：

(1) 隨著風速的增加廣告牌各部位受到的風荷載顯著增大；隨著風向角的增大，迎風向面板外側面的風壓力先迅速減小后略微增大，而其他各面的風吸力表現(xiàn)出先增大后減小至0并轉為風壓力的變化.立柱所受風荷載不容忽視，但其大小受風向角的影響較小，而橫梁所受風荷載可以忽略.

(2)當風速小于等于15 m/s時，廣告牌結構等效應力的最大值位于橫梁，而隨著風速繼續(xù)增大與面板相連的支架逐漸出現(xiàn)應力集中，且數(shù)值顯著大于其他部位；隨著風向角的增大，廣告牌骨架各部位的應力和位移大多表現(xiàn)為先增大后減小的變化，可知30°風向角對廣告牌結構最為不利.

(3) 根據(jù)風損評估方法，雙面廣告牌在文中8種工況下，除了當風速達到30 m/s時，局部構件的應力超過材料彈性極限而可能出現(xiàn)輕微破損外，在其他工況下均評定為基本完整.本文研究方法可用于戶外廣告牌結構的精細計算和損傷評估，對廣告牌的設計有著較好的參考價值.

參 考 文 獻

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Structural Calculation and Wind Damage Assessment of Highway Billboard Based on CFD Results

DAI Zhuo-jian, MA Shi-cheng, YIN Chang-jun

( College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China )

To investigate the structural safety assessment method of outdoor billboards, the wind pressures on the single column billboard with two non-parallel panels are calculated by using CFD software under different working conditions. Then by means of finite element software, the stresses and displacements are obtained, and wind damage assessments of the billboard are made. The results show that the safety of the billboard is at risk when the wind blows from the 30° angle. It is also found that the stress and displacement of the billboard bracket that is connected with the panels is always great, which makes the structure easier yield or lead to the falloff of billboard panel due to excessive deformation under wind loads, and this should be paid careful attention when designing. The research methods in this paper can be used for elaborate calculation and wind damage assessment of highway billboard structure.

highway billboard; CFD simulation; structural analysis; wind damage assessment; wind load

2015-03-06

戴卓見(1990-),男,碩士研究生,研究方向:結構工程.

馬石城(1963-),男, 博士,教授,研究方向:結構工程.

TU973

A

1671-119X(2015)03-0070-05