“花”形鋼結構裝飾的風荷載特性研究

羅永坤 游 瑤

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610000)

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“花”形鋼結構裝飾的風荷載特性研究

羅永坤 游 瑤*

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610000)

結合工程實例，分別考慮有無周圍建筑物的情況，對12個風向角做了CFD穩(wěn)態(tài)分析與有限元動力分析，并對其順風、橫風，以及豎向力和各級模態(tài)的周期與振型做了對比，得出了周圍建筑物對異形鋼結構裝飾風致響應的影響特征。

鋼結構，數值模擬，體形系數，風場

0 引言

隨著科學技術的飛躍發(fā)展，許多造型新穎、極具現代感的空間結構不斷的涌現，如國家體育館、國家游泳中心“水立方”、上海世博軸“陽光谷”等。這類結構一般跨度大、阻尼小、柔性大，是典型的風敏感結構，風荷載是其設計的主要控制荷載之一，加之其風荷載的特殊性，在相關設計規(guī)范[1]中亦難以找到相關的參考意見或規(guī)定，因此一般需要進行專門的抗風設計研究。如顧志清，王曙光，杜東升等[2]對常州東經120主題公園景觀塔進行了順風向風振分析；盧占斌，魏慶鼎，王安武等[3]對天津港保的標志建筑物龍脊風帆模型做了氣動特性風洞實驗，這些研究均各有特點，而本文的“花”形鋼結構其風荷載特性亦別具一格。如圖1所示結構，宛如一朵美麗的喇叭花優(yōu)雅地盛開在城市廣場的夜空，而它是否能禁得住大風的侵襲，則有待于以下的研究分析。

該“花”形雕塑高31 m，由28根“腳”柱與地面固結，柱間距0.28 m左右；內部分為5層，每層高約4 m～5 m，每層有17個～18個約束與建筑物鉸接；頂部花瓣直徑可達41 m，邊緣由9根鋼絞線拉鎖拉結，使其固接在建筑物頂部的混凝土柱頂部；其結構骨架僅由厚度在8 mm～10 mm的鋼管組成。可見其兼具高聳結構、大跨空間結構的特點：針對高聳結構因高、輕、柔而使其具有風敏感的特性，張相庭、蔣洪平等[4,5]做了在脈動風壓下高聳結構的風振響應的探討，提出了用振型分解法求解順風風振系數的理論，指出橫風向振動不容忽視；針對大跨空間結構輕、柔、小阻尼且多是超靜定結構，風振響應時常常有多階振型參與，可能存在高階振型成為主導振型的特點，樓文娟、孫炳楠等[6-8]采用氣彈模型試驗對大跨越輸電塔的風振響應進行了研究；但難以在前述文獻中找到具有與“花”形鋼相似風荷載特性的結構，所以本文對這種特殊結構的安全性進行了研究。

1 數值風洞模擬

1.1 風向角分布和選定計算域

分別考慮有、無周圍建筑物影響的整體結構進行數值模擬，風向角和建筑物的相對位置見圖2。計算域見圖3，對周圍有建筑物對流干擾時取2 346 m×1 432 m×350 m(長×寬×高)；對周圍無建筑物對流場干擾時，取1 200 m×800 m×200 m(長×寬×高)。

1.2 網格劃分以及參數設置

經過對12個不同風向角的模型統(tǒng)計，科技館網格數量大約為142 萬/個，最小網格尺度1 m，位于大傘裝飾結構表面，周圍建筑表面網格尺度取為3.5 m，靠近大傘結構的部分建筑表面，考慮到網格過渡，網格尺度取為2.5 m，計算流域最大網格尺度約69 m，位于流場出口位置附近(見圖4，圖5)。

1.3 流場分析

由圖2預測：在風向角度270°～345°時對于周圍有建筑的情況，由于周圍空氣受到建筑物的阻擋只能從“花”形鋼結構的周圍通過，因此對其作用有增大的趨勢。通過對流線分布圖的分析，此處僅分析315°風向下有、無建筑物時的流線分布，可知周圍有建筑物時，周圍空氣受到建筑物的阻擋，以至其在空隙處有流線明顯加密的趨勢；對比有、無建筑物時的流線分布可見繞過“花”形鋼結構的流體在被下部建筑遮擋時有明顯上涌的趨勢，并因此預測其有建筑物時會對“花”形結構在順風向和豎直方向有著不利的影響。

1.4 穩(wěn)態(tài)結果對比分析

對12個風向角下，有、無周圍建筑物的情況，在CFX里做了穩(wěn)態(tài)數值計算，得到其各個風向角下的合力值，并做出如圖6～圖8所示的對比。

由圖6～圖8穩(wěn)態(tài)分析結果可知，順風向、橫風向、豎直方向其周圍建筑物都會對風場有所干擾，從而體現出風對結構物的各個方向的合力也大有不同，尤其在順風向和豎直方向，在270°～345°風向角度之間時，周圍有建筑物時的合力明顯高于周圍沒有建筑物時的合力，在這與上述風場表現一致。

2 模態(tài)分析

分別對有建筑物和無建筑物的兩種情況下建立有限元模型，通過對結構進行模態(tài)分析，得到了兩種情況下結構的前300階振型的變化規(guī)律，圖9將第1階、第11階振型作為對比，其中A，B分別代表為周圍有、無建筑物時“花”形鋼結構的自振模態(tài)，此處由于篇幅有限就不一一圖例。

從自振模態(tài)來看，無論有無周圍建筑物時，“花”形鋼結構其上部懸挑邊緣都是振動活躍的位置，因此應該重點考慮其風荷載作用下可能會發(fā)生比較強烈的風致振動；而改變結構的下部構造也有改變結構的振型，使得參與質量大的振型提前出現。

3 平均風壓系數計算

由于此結構風壓分布呈現出典型的空間結構特點，逐一精確統(tǒng)計每一個受風面積的風壓是十分困難耗時的過程，工程中常采用把某個方向的總受風荷載均攤到建筑物總表面積的方法求出建筑物的平均風壓系數，見表1。由于上數值風洞計算結構沒有考慮風振系數的影響，所以由繞鈍體建筑物流動規(guī)律和建筑物表面風荷載與風壓系數的關系得[9]：

(1)

其中，Pi為i風向角的風荷載標準值；μis為i風向角的平均風壓系數；ρ為空氣密度，這里取1.225 kg/m3；v為10 m處的平均風速，這里取22.1 m/s；A為結構的總表面積，這里由Rhino統(tǒng)計得有建筑物時為1 859.38 m2，無建筑物時為1 935.63 m2，上部懸挑結構的面積為1 068.75 m2。

表1 各個風向角下平均風壓系數

由圖10可知，周圍建筑物的存在對結構在270°～345°風向角度之間的風壓系數有很大的影響，特別是對豎直風向的影響更大；而在周圍無建筑物時，結構各個風向角下的風壓系數相差不大，這與上述風場表現及合力影響均一致。

4 風振系數研究

4.1 脈動風速時程模擬

采用譜密度不隨高度變化的Davenport譜對順風向風速時程進行模擬，它是Davenport根據世界上不同地點、不同高度測得的90多次強風記錄提出的經驗公式：

(2)

(3)

根據以上數據模擬了該“花”形結構處200 s內的水平風速時程，如圖11所示。

4.2 動力時程分析

建立有限元模型如圖12所示(315°風向角)。

利用表1中各個風向角下的平均風壓系數結合式(1)以及脈動風速時程數據可以得到各個風向角下的風荷載時程，再把此風荷載均攤到有限元模型的節(jié)點上，即可得到各個風向角的節(jié)點的風荷載時程。然后進行動力分析，并輸出響應結果。如圖13所示，是315°風向角，水平方向(x向)的位移時程。

4.3 風振系數分析

對該結構的某些比較典型的風向角進行動力時程分析，結合式(4)和式(5)即可得到對應風向角的風振系數：

(4)

(5)

由圖14可知周圍有建筑物時，在風向角100°～200°之間有比較明顯的降低脈動風的作用，降低風振響應的功能。

5 結語

1)周圍有建筑物時，在個別風向角度會對風場產生干擾：在270°～345°時干擾風場對順風向和豎直風向的均勻風壓有著明顯的加強作用，在100°～200°時對其脈動風起到減弱的作用。

2)周圍有建筑物時，風場受到周圍建筑的干擾，使得繞“花”形鋼結構的渦旋脫落受到周圍建筑的控制，降低了其發(fā)生渦激共振的可能。

[1]GB50009—2012，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2] 顧志清，王曙光，杜東升.常州東經120主題公園景觀塔風場模擬及風振分析[J].建筑科學，2011(S2):1-5.

[3] 盧占斌，魏慶鼎，王安武.龍脊風帆模型氣動特性風洞實驗[J].流體力學實驗與測量，2001(12):1007-3124.

[4] 蔣洪平，張相庭.變截面高聳結構的橫向風振研究[J].振動與沖擊，1994(5):1-9.

[5] 張相庭.在脈動風壓下結構風振系數的探討[J].同濟大學學報，1978(8):1-12.

[6] 樓文娟，孫炳楠，唐錦春.高聳格構式結構風振數值分析及風洞試驗[J].振動工程學報，1996，9(3):318-322.

[7] 樓文娟，孫炳楠，葉 尹.高聳塔架橫風向動力風效應[J].土木工程學報，1999，32(6):61-71.

[8] 程志軍，付國宏，樓文娟,等.高聳格構式塔架風荷載試驗研究[J].實驗力學，2000，15(1):51-55.

[9] 黃本才，汪從軍.結構抗風分析原理及應用[M].第2版.上海:同濟大學出版社，2008:1-437.

[10] 王修瓊，崔劍鋒.Davenport譜中系數k的計算公式及其工程應用[J].同濟大學學報，2002(7):253-374.

[11]Davenport.A.G.Noteonthedistributionofthelargestvalueofarandomfunctionwithapplicationtogustloading[J].ProceedingoftheInstitutionCivilEngineers,1961,28(2):187-196.

Windloadcharacteristicsof“flower”-shapedsteeldecoration

LuoYongkunYouYao*

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610000,China)

The CFD steady state analyses of 12 wind direction angles were carried out both with the existence and absence of the surrounding buildings in a practical engineering. The comparison of the response of special-shaped spatial structure under the situation of downwind force， crosswind force， lift force， the period and vibration mode of each mode were made in this paper, obtained the influence of the surrounding buildings on the wind-induced response of the special-shaped spatial structure.

steel structure, numerical simulation, shape coefficient, wind field

1009-6825(2016)34-0042-03

2016-09-25

羅永坤(1965- )，男，碩士，副教授

游 瑤(1992- )，女，在讀碩士

TU391

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