风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目(.)广西自然科学基金资助项目(.)广西青年创新人才科研专项资助项目(.)广西建筑新能源与节能重点实验室资助项目(.)广西岩土力学与工程重点实验室资助项目(桂科能)桂林理工大学科研启动基金(.)通信作者:孙芳锦教授:.引用格式:孙芳锦孙红玉于珊珊等.风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究.应用力学学报():.():.文章编号:()风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究孙芳锦孙红玉于珊珊张大明(.辽宁工程技术大学土木工程学院 阜新.桂林理工大学土木建筑与工程学院 桂林.桂林理工大学信息科学与工程学院 桂林)摘 要:“风致雪漂”运动可能会造成建筑物倒塌威胁到人身财产安全因此风雪的共同作用在设计大跨度结构时是不能忽略的 本研究采用欧拉欧拉方法基于 湍流模型选择的大跨度双曲屋盖结构的投影形状有 种分别为矩形、正方形、椭圆形以及圆形研究在风雪流共同作用下风向角不同时这 种结构屋盖表面的风致积雪压力系数曲线图和积雪分布系数云图并进行了对比分析得到积雪分布规律 结果表明:风致雪漂作用下 种形状屋盖结构表面风致积雪压力系数比单独风作用下的平均压力系数大 种屋盖结构表面的风致积雪压力系数最大值出现的位置不同风向角对屋盖表面的风致积雪压力有很大影响当风向角不同时屋盖表面压力从大到小的排列顺序依次为矩形、椭圆形、正方形和圆形屋盖关键词:风吹雪大跨度屋盖结构欧拉欧拉方法数值模拟风荷载压力系数中图分类号:文献标志码:./.(.):“”.第 期孙芳锦 等:风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:在强降雪时可能会有大风出现气流在近地面运行时会挟带起分散的雪粒形成多相流这种现象被称为风吹雪 风吹雪会造成雪颗粒的不规则堆积对建筑物产生不均匀压力从而造成坍塌事故大跨度结构刚度比较小跨度大受破坏的几率更大 当今社会各种复杂多样的结构形式层见迭出但以往我国荷载规范是主要参考以前的设计经验和实验内容对一些简单屋面的雪荷载不均匀分布做出了简略规定 这并不能满足本研究中所涉及的复杂大跨度双曲屋盖结构 国外学者大多对建筑周围的积雪深度等进行研究国内学者大多研究一些简单屋面的积雪分布 因此本研究利用数值模拟分析研究风雪共同作用下复杂形状大跨度双曲屋盖表面风致积雪压力分布规律为未来抗雪灾研究提供一些参考价值建筑结构的抗风雪研究方法包括数值模拟、风洞试验和实地观测其中数值模拟成本低周期短操作简单安全受环境影响小 在国外等数值模拟了一个立方体周围的雪漂分析积雪侵蚀和沉积并对比了南极洲的实测结果发现结果吻合 等利用新提出的关于雪漂模型的新方法对风致积雪作用下的一个立方体进行了数值模拟分析 等提出一种新型的双向耦合欧拉欧拉方法并对比了风洞试验验证了此方法在数值模拟的可靠性 等提出了一种准稳态方法来模拟屋顶上雪的再分布在国内邹琼等基于计算流体力学研究对象为浙江温州某大学多层试验教学楼探究了在不同风向角下屋顶风场的分布规律与不同高度下风场的差异 王辉等基于 数值模拟研究了某体育场阶梯型悬挑屋盖在不同风向角下风压分布特性引入了干扰因子 得出周围建筑物对此屋盖表面风压的扰动影响 孙芳锦等对大跨度膜屋面的风致雪压进行了数值模拟总结了膜结构表面风致雪压的分布规律 李跃等选用单方程雪相模型基于风雪单向耦合方法数值分析了积雪作用下大跨度球壳屋盖结构 赵雷等结合场地实测与风洞试验对风吹雪作用下阶梯型屋面的积雪规律进行了二维数值模拟论证了数值模拟的正确性 颜卫亨等选取 模型将屋面进行分区得到了可用于抗雪设计的屋面积雪分布系数和屋面各分区沉积侵蚀的基本规律 姜昕彤等基于 的方法分析了不同风向角、吹雪时间和积雪厚度对开洞口煤仓表面积雪侵蚀量和沉积量的影响 数值模拟方案.选用的计算模型与湍流模型本研究采用欧拉欧拉方法以 多相流方法和 湍流模型为基础进行研究 模拟过程中使用残差收敛收敛标准选择均方根残差等于当均方根残差降至不超过 时系统自动停止计算 来自加拿大的 和 等人做过风洞试验是关于大跨度双曲屋盖结构的本研究所选用的 种计算模型就是依照他们试验的缩尺模型建立的 表 为模型的具体尺寸图 为几何模型表 种模型的具体尺寸.模型/(正方形双曲屋盖)./.(矩形双曲屋盖)./.(圆形双曲屋盖)./.(椭圆形双曲屋盖)./.注:其中 /应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 种几何模型及一些参数.方向及其风向角的规定本研究规定 方向为连接 个点(屋盖表面两个凸线的中点)形成的线 方向为连接两个点(屋盖表面两个凹线的中点)形成的线 设定迎风面为结构的凹面 规定 风向角从迎风面 方向(轴正方向)吹入在 风向角基础上旋转、风向角 测量方向及风向角的示意如图 所示图 测量方向与风向图.确定计算域尺寸、和 分别为模型的宽度、长度和最大高度 选取计算域:长()宽()高()建筑迎风面到计算域入风口的距离为 为计算域出口到建筑背风面的距离此时计算域阻塞率满足了 的要求.划分网格本研究中非规则四面体结构化网格被采用到建筑物核心区域六面体结构化网格被采用在核心区域外建筑物区域内对其网格加密.为最小网格尺寸流场网格总数量在 万左右 模型的网格划分情况见图 图 种模型的网格划分.边界条件的设定入口处采用速度入流的边界条件风速计算方式为()()()其中:标准参考高度 表示任一距地高度()表示距地高度 处的平均风速 为地面粗糙度取.处对应风速./出口处边界条件采用压力出口 自由滑移的壁面条件被用于在流体区域的两侧和顶部无滑移的壁面条件被采用到地面和建筑物的表面.数据处理风致积雪压力系数用 表示为/()其中:()为参考处的静压()为建筑第 点的静压(/)为平均速度(自由流)(/)为空气密度 数值模拟正确性验证本研究屋盖测点分布如图 所示选取的工况第 期孙芳锦 等:风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报为./风速、种风向角(、)、结构模型为圆形大跨度双曲屋盖如图 所示 将加拿大 和 等人所做的风洞试验数据与本次数值模拟数据对比分析(见图)可见两者的数据吻合较好因此论证了数值模拟的可行性与正确性图 屋盖测点分布图.图 试验与模拟的对比图.数值模拟研究.大跨度双曲屋盖风致积雪压力研究本次数值模拟选取风速为./雪浓度为./风向角为、和 此外做了在单独风作用下的风洞试验得出屋盖结构表面的中轴线测点上的压力系数并与本次模拟数据进行对比.正方形大跨度双曲屋盖压力系数分析由图 可知在 风向角 方向上试验数据为上升趋势模拟数据先增后减.为两者比值(数值模拟压力系数/实验压力系数)的最小值曲线的终端处出现两者比值的最大值说明屋盖背风面端沿受雪漂作用后压力较大 在 风向角下 个方向上的模拟曲线均先升后降.为 方向上两者数据比值最小值 方向上两者比值最小值约为 个方向上曲线的终端处均出现两者比值的最大值表明屋面端沿处均出现屋盖的的平均压力系数最大值 当风向角为 时实验数据有正有负模拟数据均小于 在距曲线前端约十分之一处出现数值模拟平均压力系数的最大值 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 正方形屋盖中轴线上测点的平均压力系数.矩形大跨度双曲屋盖压力系数分析由图 可知在 风向角 方向上数值模拟数据先减少后增加说明屋盖的弧度变化对屋盖的压力情况有影响.约为两者比值最小值曲线终端出现两者比值的最大值 风向角为 时.、分别为在、的 个方向上比值最小值 个方向上均在屋面的端沿处均出现了风致积雪压力的最大值 当风向角为在 时模拟曲线先降后升.约为两者数据比值的最小值在距离结构迎风面约/处出现模拟平均压力系数最大值此处的风致积雪压力最大图 矩形屋盖中轴线上测点的平均压力系数.圆形大跨度双曲屋盖压力系数分析由图 可知在 风向角 方向上的模拟曲线先下降后上升.约为两者数据比值的最小值曲线中间出现两者比值的最大值此时屋盖风致积雪压力的最大值出现在此处第 期孙芳锦 等:风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 圆形屋盖中轴线上测点的平均压力系数.当风向角为 时在 方向上模拟曲线上升下降反复出现即屋盖弧度的变化也会对压力系数的变化产生.约为两者数据比值最小值在曲线终端处出现两者比值的最大值 方向上.约为两者数据比值的最小值在距曲线开端约/处出现比值最大值这说明当风向角为 时 个方向上屋面的端沿处均出现风致积雪压力最大值 当风向角为 时数值模拟数据均小于 实验数据有正有负.约为比值最小值在距离结构迎风面约/处出现两者数据比值的最大值.椭圆形大跨度双曲屋盖压力系数分析由图 可知在风向角 方向上实验压力系数有正有负数值模拟数据均小于 实验曲线持续上升模拟数据先减后增.约为两者数据比值的最小值距迎风面大约.处出现两者比值的最大值 当风向角为 时 个方向上数值模拟曲线均先升后降屋盖的平均压力随着屋盖弧度的变化先减少后增加.、分别为、方向上两者数据的比值最小值 个方向上在屋面的端沿处均出现压力最大值 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 椭圆形屋盖中轴线上测点的平均压力系数.当方向角为时数值模拟曲线总体呈上升趋势.约为两者数据比值最小值曲线开端处出现模拟平均压力的最大值因此此时风致积雪压力最大值出现在距离屋盖迎风面端沿处.对比 种双曲屋盖表面风致积雪压力系数数值模拟不同风向角(、和)下 种不同形状的大跨度双曲屋盖表面的风致积雪压力系数 图 为 种模型在风致积雪压力作用下的中轴线压力系数对比图)风向角为 时椭圆形、矩形和圆形屋盖中轴线上风致积雪压力系数走势基本一致而正方形曲线走势与之相反风致积雪压力系数大小顺序为矩形屋盖最大然后是椭圆形、正方形和圆形屋盖在迎风面端沿处正方形双曲屋盖压力最大其他 种形状的压力最大值均在中间位置附近)风向角为 时圆形和正方形屋盖中轴线上风致积雪压力系数曲线的趋势基本一样圆形和矩形压力曲线走势基本相同 正方形双曲屋盖在 个方向上的压力都比较小椭圆形双曲屋盖表面压力比较大其他两个形状屋盖压力居中)风向角为 时圆形、正方形和椭圆形屋盖表面数据曲线的趋势基本一致而矩形的曲线走势与之相反 种双曲屋盖表面平均压力大小排列顺序为矩形最大然后是正方形、圆形、椭圆形屋盖)由图 可知矩形和正方形屋盖结构比圆形和椭圆形屋盖结构表面风致积雪压力大图 不同形状的双曲屋盖中轴线上风致积雪压力系数.结 论本研究利用 软件模拟研究了 种大跨度双曲屋盖表面的积雪分布规律并得到如下第 期孙芳锦 等:风雪共同作用下大跨度双曲屋盖数值模拟研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报结论)在单独风下 种大跨度双曲屋盖结构表面平均压力系数比在风雪共同作用下屋盖表面的风致积雪压力系数小 风向角对大跨度双曲屋盖表面的风致积雪压力产生了很大影响风向角不同时不同形状屋盖表面压力大小排列顺序为压力最大的是矩形屋盖其次是椭圆形然后为正方形、圆形)当风向角不同时这 种屋盖结构表面的风致积雪压力系数最大值出现的位置也不同:正方形和矩形的压力系数最大值均是在屋盖的端沿及距端沿较近处圆形屋盖结构在 风向角下压力最大值出现在屋盖中间位置在、风向角下压力最大值均出现在屋盖端沿附近椭圆形屋盖结构在 风向角下在距迎风面约.处出现压力最大值当风向角为、时在屋盖端沿附近均出现压力最大值)当风向角为 时矩形和正方形曲线走势基本相同当风向角为时矩形、椭圆形和圆形双曲屋盖表面的压力系数曲线趋势基本一致当风向角为、时矩形和椭圆形大跨度双曲屋盖表面风致积雪压力系数曲线趋势基本一样但当风向角为 和 时圆形和正方形屋盖的曲线走势相反椭圆形和矩形屋盖表面的压力系数走势相反参考文献:孙晓颖洪财滨武岳.典型形式大跨度屋盖风雪漂移的数值模拟.振动与冲击():.():().刘博雅.高低屋面积雪分布规律研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.():.:.():.:.:.邹琼张嘉龙王雅平.多层建筑屋顶风场的数值模拟.应用力学学报():.():().王辉胡贤柱桑立娟.体育场阶梯型悬挑屋盖风荷载数值模拟研究.应用力学学报():.():().孙芳锦张大明殷志祥.大跨度膜屋面风致雪压的数值模拟研究.郑州大学学报(工学版)():.()():().李跃袁行飞.大跨度球壳屋盖风致积雪数值模拟及雪荷载不均匀分布系数研究.建筑结构学报():.():().赵雷余志祥齐欣等.低矮建筑屋盖风雪流作用场地实测与数值模拟.振动与冲击():.():().颜卫亨姬明辉代鹏等.攒尖四坡屋面风致雪漂移的数值模拟.计算力学学报():.():().姜昕彤殷志祥崔翰博.开洞口煤仓风致积雪数值模拟及雪荷载不利分区研究.计算力学学报():.():().尹毅.轻型折叠落地四坡屋面建筑表面风压特征研究.西安:长安大学.(编辑 史淑英)