空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究（可编辑）

空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究（可编辑） 上海交通大学 硕士学位论文 空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究 姓名:丁义平 申请学位级别:硕士 专业:结构 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师:龚景海 20090226中文摘要 空间网壳结构风荷载体型系数的数值研究 摘 要 近二十年多来,大跨度空间结构,包括网架结构、网壳结构、立体桁架结构、悬 索结构、膜结构及各类组合和杂交空间结构得到了迅速的发展,结构形式不断创新, 建筑造型和结构体型层出不穷。随着空间结构跨度的不断增大,同时伴随着全球气 候和环境的变化,自然灾害的加剧,尤其是近年来强/台风和地震等灾害的频发,使 得土木工程结构的抗风、抗震问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 越来越引起工程界的重视。结构风工程也因此而 越来越受到业内专家和学者的关注。 结构风荷载的计算是风工程的主要目的。而在风荷载的计算中,风载体型系数的 获得则是一项重要的内容。本文将主要根据近年来流行的计算流体动力学方法 (CFD)来研究风荷载的体型系数问题。通过应用大型流体数值模拟软件 FLUENT, 根据实际工程案例,建立大量的工程模型进行数值计算、分析和对比,并对几类常 见的空间结构体型(国家规范中尚未予以规定的体型,包括柱面、椭球面、双曲面、 锥体曲面、脊?谷型曲面、悬挑顶篷)进行数值模拟,获得结构风荷载以及体型系 数的分布情况和特征,并就此展开相应的讨论和结果分析,为工程实践和相关科研 探讨提出具有实用价值的结论和建议。 本文主要的讨论内容和研究对象包括以下几个方面: 1.大跨空间结构的发展及国内空间结构的研究现状 介绍大跨空间结构的发展历程,了解空间结构的主要类型和结构形式,主要阐述 了两大类型空间结构的特征和发展情况,同时介绍了国内空间结构的发展及研究成 果,主要包括空间结构相应理论研究、稳定性研究、结构抗风和抗震研究、 结构的 形态分析以及高敏感度结构的风振耦合问题研究。 2.风荷载的计算与体型系数的获得 通过介绍结构风工程的基本研究内容,系统地阐述了结构风荷载的计算。讨论结 构风荷载的研究内容和发展现状,介绍了风荷载的研究方式和体型系数的获得,并 着重就风荷载体型系数的获得予以详细讨论;同时讨论了风洞试验理论和方法,此 外还简要讨论了当前工程界常见的几类空间结构体型系数的研究方法和取值方式。 3.风荷载数值模拟的理论基础 计算流体动力学中将空气看作为不可压缩的流体加以讨论,在此,本文将介绍风 荷载数值模拟的基本理论,其中包括粘性流体的三大基本方程、雷诺方程应力模型 I上海交通大学硕士学位论文 及相应边界条件和非面壁函数、有限体积法及相关数值技术,同时还介绍了大型商 业软件 Fluent6.2及其在 CWE领域的应用,此外还就计算流体动力学的求解流程和 入口湍流问题加以讨论。 4.柱面网壳结构体型系数的研究 以实际工程案例为背景,建立数值模型进行 CFD模拟,获得风荷载和体型系数 结果,通过分析和对比数值模拟结果和风洞试验结果,进一步认识柱面网壳结构的 风荷载受力情况和体型系数的分布特征。同时依据此法,建立大量的数值模型加以 CFD模拟,对煤棚类结构作系统的研究,并获得相应的结果和结论。此外,还就数 值模拟中碰到的建模效率问题加以讨论,并提出了相应的解决途径和优化方式。 5.几类常见结构的体型系数讨论和研究 采用上述 CFD流程和分析方法,结合实际工程案例,对几类常见结构(椭球面、 双曲面、锥体曲面、脊?谷型曲面、悬挑顶篷)体型系数的分布特征和取值方式作 简要的研究和讨论,并给出了各类结构的体型系数分区方式和相应区域体型系数s (同 C)取值,为工程实践及业内人士提供理论参考和建议。 p 关键词:空间结构,风荷载,体型系数,数值模拟II 英文摘要 NUMERICAL RESEARCH OF WIND LOAD SHAPE COEFFICIENT ABOUT SPACE RETICULATED SHELL ABSTRACTThis two decades, large-span structures, including the space truss structure、 reticulated shell structure、stereo-truss structure、cable structure、 membrane structure and all hybrid space structure, obtained a rapid development. Structural style and architectural image emerged in an endless stream. With the increasing of long-span space structure, and in the wake of global climate and environment changes、natural disaster aggravation, most especially frequent typhoon and earthquakes, all which make more structure engineers attach importance to engineering structure. Therefore, structural wind engineering aroused more and more experts and scholars’ concernCalculation of wind load is the fundamental purpose of structural wind engineeringIn the calculation of wind load, to get shape coefficient is an important work. Based on the Computational Fluid Dynamic CFD, this article study the problems about wind load and shape coefficient. Utilized numerical simulation softwareFLUENT, to build large amount of project models for numerical calculating、analyzing and contrasting, and to calculate some typical space structuresundefinded in GB, including elliptic cylinder、 ellipsoid、hyperboloid、conical surface、ridge-valley surface and cantilevered roof by numerical simulation method. Then, analysed the characteristics and distribution of wind load and shape coefficient, further, discussed the data and results which provided practical conclusions and suggestions for project and studyThe main contents of this paper are as follows: 1. The development of large-span structure and domestic research situation of space structure Introduce the development of large-span structures and the main types of space structure, and mainly discusses the characteristics and development situation of two main space structure types. In the meantime, elaborates the domestic development and research results of space structure, including theory research, stability study, wind-resistance and earthquake-resistance study, morphological analysis, wind vibration and coupling problem of high sensitivity structure III上海交通大学硕士学位论文 2. Calculation of wind load and shape coefficient Introduce the computational wind engineering and expounds calculation of wind loadDiscuss the development and research results of wind load, and elaborate the methods to get shape coefficient. Also discussed theory and method of wind tunnel test, besides, briefly discussed several generic structures’ shape coefficient3. Numerical simulation theory of wind load The computational fluid dynamics consider the air as incompressible fluids. In this paper, It will be introduced the basic theory of numerical simulation about wind load, including three basic equations of viscous liquid, Reynolds equation, boundary conditions of stress model, the wall function, the finite volume method and related numerical technique. Then, it present the commercial software Fluent6.2 and its’ application in CWEFurthermore, it discussed the inlet turbulent flow and solving procedures in computational fluid4. Research about shape coefficient of space reticulated shell Based on the project, numerical models are established and calculated for getting wind load and shape coefficient. Then, analysing and comparing the results of numerical simulation and wind tunnel test, for the further understanding about the characteristic and distribution of coal shed’s wind load and shape coefficient. Simultaneously, utilized above-mentioned method, and built abundant models of cylinder reticulated shell project for numerical simulation. Then, study the shape coefficient of the coal shed systematically and got matching results and conclusions. In addition, discussed the problems about the numerical simulation modeling efficiency, and proposed the corresponding solution and optimization methods5. Research about several general space structures’ shape coefficient Utilized the numerical simulation method, processed and analysed the projects, including several typical structuresellipsoid、hyperboloid、conical surface、ridge-valley surface and cantilevered roofThen, study the characteristics and distribution of shape coefficient gotten briefly, and showed the divisions of each structure and the matching value of shape coefficients Cp,which could provide professionals theoretical reference and suggestions for project workKEY WORDS: space structure,wind load,shape coefficient,numerical simulation IV符号、变量、缩略词等本 文专用术语注释表 符号、变量、缩略词等本论文专用术语注释表 缩略词 CFD 计算流体动力学 CWE 计算风工程 DNS 直接数值模拟方法 LES 大涡模拟 N-S Navier-Stokes方程 RANS雷诺方程,或雷诺平均方法 EVM 涡粘模型 RSM 雷诺应力方程模型 RE雷诺数 RNG 重整化群 符号及变量 U 速度矢量 U瞬时速度 u、v、w瞬时速度分量 u、v、w 时均速度分量 ′′ ′ u、v、w 脉动速度分量 I湍流强度 σ脉动速度均方根值 p压力 L湍流积分尺度 γ重度 υ比容 ρ密度 T温度 e单位质量的内能 c比热 k热传导率 t σ 应力张量 ij ′ σ 偏应力张量 ij V上海交通大学硕士学位论文 e应变率张量 ij u分子粘性系数 λ第二粘性系数 v运动粘性系数 ′ τ 雷诺应力,又称为湍流应力 ij f变量 f的时均值 f 变量 f的统计平均值 k湍流脉动动能 ε湍能耗散率 涡粘性系数 t v 涡运动粘性系数 t VI上海交通大学 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指 导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年月日上海交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。保密?,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名:指导教师签名: 日期:年月日日期: 年月日 第一章 绪 论 第一章 绪 论1.1 课题背景 风灾是自然灾害的主要灾种之一。近年来,由于全球气候变暖,风灾更加严重,每年造成全 球经济损失达数百亿甚至千亿美元。土木工程结构抗风研究是防灾减灾领域中非常重要的学科方 向。2004年 北美的“珍妮”,“查理”和“伊万”等飓风造成 2000多人死亡,直接经济损失约 500亿 USD;2005年美国“卡特里娜”、“丽塔”飓风造成逾千人死亡,经济损失高达千亿美元 以上。2004年"云娜"台风也造成我国浙江省约 180人死亡,直接经济损失 200多亿人民币;2005 年,至少有 8个强台风在我国东南、华南等沿海地区登陆,造成数百人死亡,数十万间房屋倒塌 [1] 和损坏,直接经济损失数百亿人民币。 风灾的频发和加剧严重威胁着各类建筑结构的安全,给人民的生产生活造成巨大影响。而常 常用作公共设施的空间结构,尤其是大跨空间结构多具有风敏感特点,其在强/台风作用下的破 坏实例不胜枚举。2002年韩日世界杯济州体育场膜结构挑蓬在台风作用下先后发生撕裂事故; 2004年 9月,日本山口艺术媒体中心遭受 0418号强台风袭击,直接导致约一半的屋顶材料被吹 走,见图 1-2;2005年,美国新奥尔良的“超级穹顶”在“卡特琳娜”飓风的袭击下也遭受了严 重破坏;在国内,2002年郑州体育场遭遇强风袭击,有 4000多平方米的悬挑屋盖被飓风掀去, 直接损失达 240多万元;2004年,“云娜”台风使温州大学体育场看台膜结构发生整体破坏。大 跨空间结构作为社会经济文化的重要载体,其风灾损失不仅仅体现在建筑自身,由此造成的社会 影响往往更令人关注。例如,2005年 8月 6日,受台风“麦莎”的影响,宁波北仑体艺中心的 膜结构屋顶出现撕毁事故,导致当年的全国女排大奖赛推迟。以上事例说明,强/台风是决定大 [2][3] 跨空间结构安全性和使用功能的主要控制因素之一。 [4] 图 1-1 出云穹顶膜屋面破坏形态 Fig.1-1 Punctured Membrane Roof of Izumo Dome1上海交通大学硕士学位论文[4] 图 1-2 日本山口艺术媒体中心屋顶材料在台风作用下的失效形态 Fig.1-2 Failure of Roofing Materials of YCAM due to Typhoon 0418 随着经济的发展和科学技术的进步,近三十年来,国内外建造了大量的重大工程建筑结构。 仅在上海陆家嘴地区,已建和拟建的 400米以上的结构有 6栋,200米以上的超高层建筑有十多 栋。将于 2010年建成的意大利 Messina大桥的主跨达 3000多米,我国已建的苏通长江大桥是世 界第一的斜拉桥,主跨达 1088米。2008年北京奥运会及 2010年上海世博会的申办成功,需要 建造大量的大跨空间结构。此外,发达国家甚至提出了千米高度量级的"空中城市"的概念。强风 作用下结构的风荷载和响应是结构安全性和适用性的控制荷载之一。 为了降低强风暴灾害所造成的损失,欧美发达国家进一步加大了研究和开发的投入。据悉, 美国国会最近通过法案,启动了国家减风灾 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 National Wind Hazards Reduction Program ―NWHRP,有关抗风研究和开发The wind related research and development的费用由 500万美元/年增加至 2300万美元/年。日本政府也已启动了 COECenter of Excellence, 2003-2007 [5][6] 计划,增大投入,开展相关研究。 国内学术界和专家也开始更多的关注结构抗风研究,尤其是大跨空间结构的抗风 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 已引 起了众多同行的重视。国家科学院、工程院、高校及各类工程科研院所在抗风设计研究上的投资 也越来越大,比较直观就是风洞实验室兴建数量不断增加。显而易见,结构抗风设计已成为当今 [7] 土木工程界的一项重要课题,并将在未来一段时期内受到高度的重视和广泛的关注。 于此同时,近年来,随着国内外大型空间结构的蓬勃发展,尤其是目前国内对大型空间结 构的大量需求。人们对大型公共建筑结构和设施的追求已不再是仅仅满足于简单的实用设计,建 筑设计的发展日趋多样化和艺术化,随之而来的是,出现了一大批新颖独特的建筑造型和样式。 这些都将要求结构师们给出更加准确和合理的结构设计。而在此过程中,风荷载作为重要的荷载 内容,其计算是结构荷载计算的重要组成部分,对于大跨空间结构等公共建筑的设计更是不容忽 2第一章 绪 论 视。丰富多彩的建筑体型在更多的满足了人们的艺术追求的同时也带来一些麻烦。 我们知道,目前国家规范中仅给出了有限的建筑体型种类和简要的取值方式建议,且以规 则的平面建筑体型居多,而在实际工程中结构师们遇到了越来越多的新颖建筑体型,大量体型复 杂、构造创新的建筑结构需要我们对复杂空间结构的风荷载体型系数取值方式作进一步的研究和 探讨。结构体型的多样化、复杂化给风荷载体型系数的取值提出了诸多的难 题。目前,工程界中, 诸多复杂空间结构的体型系数在国内外风荷载规范中尚未给出明确的数值,亦无详尽的取值规 定。对于大型复杂空间结构,工程界目前广泛采用的是在风洞中模拟缩尺建筑结构模型风致效应 的试验方法来确定建筑结构的风荷载效应及体型系数等相关数值。 鉴于近地风具有显著的紊乱性和随机性,在风洞试验中模拟实际情况也可能有很大出入, 因而风洞试验结果的准确度也存在一定的问题,最好能与实测结果相比照。据一些资料说明,在 建筑物某些部位,风洞试验的结果可以大大高出实测值,但这是偏于安全的。由于计算机应用的 十分普遍,兼之计算速度及工程类软件近年来的飞快发展,采用计算机来分析建筑物表面风压实 际大小和分布,即数值风洞方法研究近年来也逐渐成熟,在工程上应用也常见报道。相比之下, 有“数值风洞”之称的 CFD数值模拟具有工序简便、经费低廉、周期短以及便于方案变更等诸多 优点,因此 CFD数值模拟研究已更多的应用于风荷载研究和讨论。利用 CFD数值研究方法,我们 [8][9] 可以快捷的获得各类结构的体型系数分布情况。 本文将就风荷载体型系数的数值研究展开讨论。采用当前流行的计算流体动力学(CFD)方 法,从数值模拟的角度出发,就几类典型空间结构风荷载体型系数的取值作深入研究,以进一步 认识和获得更为精确的体型系数数值。 1.2 相关领域的研究现状 风工程是涉及气象学,空气动力学,工程力学,结构工程学和防灾工程学等多门学科的交 叉学科。土木结构风工程的主要研究内容包括:近地风特性,建筑钝体空气动力学和气动弹性力 学,结构的风荷载和响应及破坏机理,结构风荷载及响应的控制方法,结构抗风设计方法等。主 要涉及的工程对象为:大跨空间结构,高层和超高层建筑,高耸结构电视塔,输电线塔等,大 跨桥梁,大型工业结构大型起重机和 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 机械等,低矮房屋等。研究的主要方法包括:现 [10] 场实测,风洞试验,理论分析和数值模拟。 上世纪 60年代,现代风工程研究奠基人 //.enport教授将概率方法用于风特性研究和结 构风响应研究Davenport 1961,1967,奠定了结构风工程研究的基础。70年代,//.nlan 教 授建立了桥梁颤振和抖振研究方法的框架Scanlan 1971,1977。基于这些奠基性工作,经过四 十多年的努力,结构风工程研究理论研究取得了很大进步,同时解决了大量的工程实际问题,推 [11][12] 动了科学进步和社会发展。 经过几十年的科学研究,人们已经了解了结构在动力荷载作用下的线性行为,并以此为基础 制定了用以指导结构设计的规程和规范;但是随着结构跨度的进一步加大,新材料、新体系的进 一步推广,一些以往被忽视的或不起关键作用的因素却越来越重要起来。例如,传统的结构抗风 设计是以风荷载的拟定常假定和结构的线弹性理论为基础的,但是随着跨度的增大,风荷载的非 3上海交通大学硕士学位论文 定常性质和特征湍流影响将不可忽视;同时,结构风振响应中的多模态耦合效应和流固耦合响应 也将变得突出(沈世钊 2006;武岳 2005);再有,传统设计理论是以响应的首次超越未作结构 失效标志,而实际上结构的破坏往往是一个逐渐演变的过程,只有当损伤累积到一定程度后结构 才会出现倒塌(Bartoli,2002;Shen,2005)。凡此种种都说明,要从根本上降 低大跨空间结构 的风致破坏,就必须重新审视现有的计算理论,详细研究其动力灾变过程,进而揭示其中的机理。 目前土木工程界的抗风研究主要有下面两种方法: [13] (1) 时域范围内的抗风分析 时域分析法在结构抗风计算中已发展得相当成熟,尽管时域分析费时,但是随着计算机的发 展这个问题是可以克服的。与频域法相比时域法也有很多优点,主要表现为以下几方面: 1 频域法只能对结构进行线形或线性化分析,要较精确地进行非线形分析只能借助时域法。 2 从结构工程师的角度看,时域法可使人直接了解结构的特性,可不必在结构抗风分析中 做结构数学模型等大量工作,而直接计算出设计所需力和位移最大值。 3 在缺乏实测和试验的情况下,各种简化计算方法可以和精确的时域法进行比较验证。 时域分析的关键在于风速时程曲线的运用,目前记录到的强风作用过程应用于实际工程还不能普 遍实现,因而,人工模拟风速曲线是解决问题的有效方法,要使风模拟方法在实际结构设计计算 中应用,要求模拟风尽可能地接近和满足自然风的特征,方法上要具有普遍 性和有效性。目前, 国内外对风速时程的模拟方法主要是CAWS 及线性回归滤波器法。 [14] (2) 频域范围内的抗风分析 频域范围内的抗风分析的主要研究手段是建立在试验基础上的数据分析与实际工程中的经 验总结。目前频域法的研究途径包括建筑风洞(即风洞试验室)和数值风洞(CFD模拟)。该方 法的主要优势是直观性较强,试验测量数据具有较强的说服力,因而此法在实际工程也得到了广 泛的应用。 1)建筑风洞。由于现行荷载规范对风荷载的体形系数取值没有考虑建筑物所处具体环境因 素的影响,因而,根据规范计算出的结构风载总体上偏于保守,在某些局部则不够安全,而且对 于建筑物外围结构来说体形系数是一个平均值,不宜直接用于抗风计算,鉴于现行荷载规范在以 上方面信息提供有限,因此,风洞试验是弥补这方面不足的有效途径。 风洞试验包括刚性模型风洞试验和气弹性模型风洞试验两种试验方法。建筑风洞能够对建筑 物周围地形地貌和建筑所处的大气边界层进行模拟,并对建筑受到的局部风压、整体风荷载、气 动弹性以及建筑物周围的风环境进行测量。利用建筑风洞可以对建筑模型进行表面脉动风压试 验、整体风载试验、风环境试验及风洞力响应试验。根据风洞试验得到的数据,可确定建筑物主 体、外窗、幕墙等围护结构的抗脉动风压性能指标。 2)数值风洞。数值风洞是利用计算流体力学Computational Fluid Dynamic CFD方法,在计 算机上模拟结构周围风场变化并求解结构表面的风荷载。数值风洞核心技术是计算流体力学技 术,因此也有人将其称为 CFD数值仿真技术。近年来,国外出现的一些有影响的商业软件,如: FLUENT,CFX,PHONICS 等,已可以形象而细致地再现许多复杂的流动现象。虚拟风洞是未 来建筑风洞试验的一个发展方向。所谓虚拟风洞,就是利用虚拟现实技术在计算机上建立一个集 CFD 计算、可视化以及三维交互等功能为一体的基于虚拟环境的风洞模型。这样就可以在理论 4第一章 绪 论 计算和分析的基础上动态模拟建筑模型在风场中的实际情况。目前,虚拟风洞已被成功应用于航 空航天、汽车设计领域,在建筑上的应用还需在钝体空气动力学的研究基础上继续发展。 “数值风洞”、“虚拟风洞”的研究涉及到多门学科的交叉,它们的发展更需要结构工程、工 程力学、振动工程、风工程界的学者联合攻关,需要各界科研工作者跨越学科和门户界限,精诚 合作,通力协助,才能使结构工程学科的发展上升到更高的台阶。 [15] 目前,“数值风洞”,即 CFD方法 ,在国内学术界已经获得了广泛的关注和研究。同时在 实际工程中,CFD法也得到了一定的应用。近年来,不少学者和科研院所已将此法应用于结构 的前期设计和分析,为结构整体设计的评定和校核提供了科学的理论依据。 1.3 本课题的研究内容 近二十年多来,大跨度空间结构,包括网架结构、网壳结构、立体桁架结构、悬索结构、索 网结构、膜结构及各类组合和杂交空间结构得到了迅速的发展,结构形式不断创新,建筑造型和 结构体型层出不穷。随着空间结构跨度的不断增大,同时伴随着全球气候和环境的变化,自然灾 害的加剧,尤其是近年来强/台风和地震等灾害的频发,使得土木工程结构的抗风、抗震问题越 [16] 来越引起工程界的重视。结构风工程也因此而越来越受到业内专家和学者的 关注。 结构风荷载的计算是风工程的主要目的。而在风荷载的计算中,风载体型系数的获得则是一 项重要的内容。本文将主要根据近年来流行的计算流体动力学方法(CFD)来研究风荷载的体型 系数问题。通过应用大型流体动力学数值模拟软件 FLUENT,根据实际工程案例,建立大量的 工程模型进行数值计算、分析和对比,并对几类常见的空间结构体型(国家规范中尚未予以规定 的体型,包括半柱面、椭球面、双曲面、锥体曲面、脊?谷型曲面、悬挑顶篷)进行数值模拟, 获得结构风荷载以及体型系数的分布情况和特征,并就此展开相应的讨论和结果分析,为工程实 践和相关科研探讨提出具有实用价值的结论和建议。 本文主要的讨论内容和研究对象包括以下几个方面: 1.大跨空间结构的发展及国内空间结构的研究现状 介绍大跨空间结构的发展历程,了解空间结构的主要类型和结构形式,主要阐述了两大类型 空间结构的特征和发展情况,同时介绍了国内空间结构的发展及研究成果,主要包括空间结构相 应理论研究、稳定性研究、结构抗风和抗震研究、结构的形态分析以及高敏感度结构的风振耦合 问题研究。 2.风荷载的计算与体型系数的获得 通过介绍结构风工程的基本研究内容,系统地阐述了结构风荷载的计算。讨论结构风荷载的 研究内容和发展现状,介绍了风荷载的研究方式和体型系数的获得,并着重就风荷载体型系数的 获得予以详细讨论;同时讨论了风洞试验理论和方法,此外还简要讨论了当前工程界常见的几类 空间结构体型系数的研究方法和取值方式。 3.风荷载数值模拟的理论基础 计算流体动力学中将空气看作为不可压缩的流体加以讨论,在此,本文将介绍风荷载数值模 拟的基本理论,其中包括粘性流体的三大基本方程、雷诺方程应力模型及相应边界条件和非面壁 5上海交通大学硕士学位论文 函数、有限体积法及相关数值技术,同时还介绍了大型商业软件 Fluent6.2及其在 CWE领域的应 用,此外还就计算流体动力学的求解流程和入口湍流问题加以讨论。 4.柱面网壳结构的体型系数的研究 根据实际工程案例,利用数值风洞的方法,建立数值模型进行 CFD模拟,获得风荷载和体 型系数结果,通过分析和对比数值模拟结果和风洞试验结果,进一步认识柱 面网壳结构的风荷载 受力情况和体型系数的分布特征。同时依据此法,建立大量的数值模型加以 CFD模拟,对煤棚 类结构作系统的研究,并获得相应的结果和结论。此外,还就数值模拟中碰到的建模效率问题加 以讨论,并提出了相应的解决途径和优化方式。 5.几类典型空间结构的体型系数讨论和研究 采用上述 CFD流程和分析方法,结合实际工程案例,对几类典型空间结构(椭球面、双曲 面、锥体曲面、脊?谷型曲面、悬挑顶篷)体型系数的分布特征和取值方式作简要的研究和讨论, 并给出了各类结构的体型系数分区方式和相应区域体型系数(同 C)取值,为工程实践及业 p s 内人士提供理论参考和建议。 6第二章 大跨空间结构的发展与风荷载的计算 第二章 大跨空间结构的发展与风荷载的计算2.1 大跨空间结构的发展 大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展 状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本章就空间网格结构和张力结构两大类介绍 了国内外空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个重要理论问题,包括空间结构的形态分析 理论、大跨柔性属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震性能等问题的研究提出了看法。2.1.1 大跨空间结构的发展历程 在这实际的三维世界里,任何结构物本质上都是空间性质的,只不过出于简化设计和建造 的目的,人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时,无法进行 简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展,而且日益显示出一般平面结构 无法比拟的丰富多彩和创造潜力,体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅 表现在三维受力,而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时, 空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上,当跨度达到一定程度后,一般平面结 构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看,大跨度建筑多数采用各种形式的空间结 构体系。 近三十余年来,各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度 和规模越来越大,目前,尺度达 180m以上的超大规模建筑已非个别;结构形 式丰富多彩,采用 了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式。例如 1975年建成的美国新奥尔良“超 级穹顶”(Superdome),直径 207m,长期被认为是世界上最大的球面网壳;现在这一地位已被 1993年建成夏径为 222m的日本福冈体育馆所取代,但后者更著名的特点是它的可开合性:它的 球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成,扇形沿圆周导轨移动,体育馆即可呈全封闭、开启 1/3 或开启 2/3等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖,其圆形 平面直径 135m,它是为 1988年冬季奥运会修建的,外形极为美观,迄今仍是世界上最大的索网 结构。70年代以来,由于结构使用织物材料的改进,膜结构或索-膜结构(用索加强的膜结构) 获得了发展,美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构;1988年东京建成的“后乐园”棒球 馆,也采用这种结构技术尤为先进,其近似圆形平面的直径为 204m;美国亚特兰大为 1996年奥 运会修建的“佐治亚穹顶”(Geogia Dome,1992年建成)采用新颖的整体张拉式索一膜结构, 其准椭圆形平面的轮廓尺寸达 192m*241m。许多宏伟而富有特色的大跨度建 筑已成为当地的象 [16] 征性标志和著名的人文景观。 由于经济和文化发展的需要,人们还在不断追求覆盖更大的空间,例如有人设想将整个街区、 整个广场、甚至整个山谷覆盖起来形成一个可人工控制气候的人聚环境或休闲环境;为了发掘和 保护古代陵墓和重要古迹,也有人设想采用超大跨度结构物将其覆盖起来形成封闭的环境。目前 某些发达国家正在进行尺度为 300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。7上海交通大学硕士学位论文 可以这样说,大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。国际《空间结构》杂志 主编马考夫斯基(//.owski)说:在六七十年代“空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生 的非传统结构,然而今天已被全世界广泛接受。”从今天来看,大跨度和超大跨度建筑物及作为 其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。 世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。例如,早在 20年多前美国土木 工程学会曾组织了为期 10年的空间结构研究计划,投入经费 1550万美元。 同一时期,西德由 斯图加特大学主持组织了一个“大跨度空间结构综合研究计划”,每年研究经费 100万马克以上。 这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。国际壳体和空间 结构学会(IASS)每年定期举行年会和各种学术交流活动,是目前最受欢迎的著名学术团体之 一。 我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱,但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要, 近二十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多,空间结构的类型和形式逐渐趋向 多样化,相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以广州九运会(2001)、南京十运会(2005)、 北京奥运会(2008)的许多体育建筑以及即将召开的上海世博会(2010)系列建筑群为代表的一 系列大跨空间结构??作为我国建筑科技进步的某种象征,很大程度上反映了国内空间结构的发展水准和所处阶段。 目前我国仍是一个发展中国家,但由于国大人多,随着国力的不断增强,要建造更多更大的 体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛,而且这种需求量 在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机 遇。 与国际先进水平相比,我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还相 对拘谨,大胆创新之作较少见,说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结 合,尤其是 180m以上的超大跨度空间结构的工程实践还相对较少;结构类型相对地集中于网架 和网壳结构,悬索结构尚在基础发展阶段,而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜 结构、整体张拉结构、可开合结构等在国内也还未得到大范围推广,可以说我国还处于初步发展 阶段。就总体情况而言,我国空间结构的发展经过二十余年来在较为稳健的发展之后,正遇上了 一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题,也包含尚未很好解决 的一些理论问题和施工问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展,有待科研工作者和 企业家努力创造条件,以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。 2.1.2 大跨空间结构的主要结构形式 大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩,习惯上分为如下这些类型:钢筋混凝土薄壳结构; 平板网架结构;网壳结构;悬索结构;膜结构和索-膜结构;近年来国外用的较多的“索穹顶” (Cable Dome实际上也是一种特殊形式的索-膜结构;混合结构Hybrid Structure,通常是柔性 [17] [18] 构件和刚性构件的联合应用。 在上述各种空间结构类型中,钢筋混凝土薄壁结构在 50年代后期及 60年代前期在我国有所 发展,当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳,在理论研究方面还投入过 许多力量,制定了相应的设计规程。但这种结构类型日前应用较少,主要原因可能是施工比较费 8第二章 大跨空间结构的发展与风荷载的计算 时费事。平板网架和网壳结构,还包括一些未能单独归类的特殊形式,如折板式网架结构、多平 面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等,总起来可称为空间网格结构。这类结构在我国发展 很快,且持续不衰。悬索结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用, 可总称为张力结构。这类结构具有良好发展前景。下文按这两个大类简要介绍我国空间结构的发 [19][20] 展状况。 1. 空间网格结构 网壳结构的出现早于平板网架结构。在国外,传统的肋环 型穹顶已有一百多年历史,而第一 个平板网架是 1940年在德国建造的(采用 Mero体系)。中国第一批具有现代意义的网壳是在 50 和 60年代建造的,但数量不多。当时柱面网壳大多采用菱形“联方”网格体系,1956年建成的 天津体育馆钢网壳(跨度 52m)和 l961年同济大学建成的钢筋混凝土网壳(跨度 40m)可作为 典型代表。球面网壳则主要采用助环型体系,1954 年建成的重庆人民礼堂半球形穹顶(跨度 46.32m)和 1967年建成的郑州体育馆圆形钢屋盖(跨度 64m)习能是仅有的两个规模较大的球 面网壳。自此以后直到 80年代初期,网壳结构在我国没有得到进一步的发展 相对而言自第一个平板网架(上海师范学院球类房,31.5m*40.5m)于 1964年建成以来,网 架结构一直保持较好发展势头。1967 年建成的首都体育馆采用斜放正交网架,其矩形平面尺寸 为 99m*112m,厚 6m,采用型钢构件,高强螺栓连接,用钢指标 65kg每平米(1kg每平米?9.8pa)。 1973年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架 110m,厚 6m,采用圆钢管构件和 焊接空心球结点,用钢指标 47kg每平米。当时平板网架在国内还是全新的结构形式,这两个网 架规模都比较大,即使从今天来看仍然具有代表性,因而对工程界产生了很大影响。在当时体育 馆建设需求的激励下,国内各高校、研究机构和设计部门对这种新结构投入了许多力量,专业的 制作和安装企业也逐渐成长,为这种结构的进一步发展打下了较坚实的基础。改革开放以来的十 多年里是我国空间结构快速发展的黄金时期而平板网架结构就自然地处于捷足先登的优先地位。 甚至 80年代后期北京为迎接 1990年亚运会兴建的一批体育建筑中,多数仍采用平板网架结构。 在这一时期,网架结构的设计已普遍采用计算机,生产技术也获得很大进步,开始广泛采用装配 式的螺栓球结点,大大加快了网架的安装。 但事物总是存在两个方面。在平板网架结构一枝独秀地加快发展的同时,随着经济和文化建 设需求的扩大和人们对建筑欣赏品位的提高,在设计日益增多的各式各样大跨度建筑时,设计者 越来越感觉到结构形式的选择余地有限,无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型多样化的要 求。这种现实需求对网壳结构、悬索结构等多种空间结构形式的发展起了良好的刺激作用。由于 网壳结构与网架结构的生产条件相同,国内已具备现成的基础,因而从 80年代后半期起,当相 应的理论储备和设计软件等条件初步完备,网壳结构就开始了在新的条件下的快速发展。建造数 量逐年增加,各种形式的网壳,包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网壳(或扭网壳)、双曲扁网壳 和各种异形网壳,以及上述各种网壳的组合形式均得到了应用;还开发了预应力网受、斜拉网壳 (用斜拉索加强网壳)等新的结构体系。近几年来建造了一些规模相当宏大的网壳结构。例如 1994年建成的天津体育馆采用肋环斜杆型(Schwedler型)双层球面网壳,其圆形平面净跨 108m, 周边伸出 13.5m,网壳厚度 3m,采用圆钢管构件和焊接空心球结点,用钢指标 55kg每平米