折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)影響下表面風(fēng)壓分布系數(shù)規(guī)律研究

黃政 顏衛(wèi)亨

1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 天津300074

2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院 西安710061

引言

折疊結(jié)構(gòu)具有展開折疊方便快捷、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種新型結(jié)構(gòu)體系，在民用及軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此類結(jié)構(gòu)對風(fēng)雪荷載效應(yīng)較為敏感，故風(fēng)荷載計算往往是設(shè)計的控制工況之一。對于此類折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布已有研究做了不少工作［1-4］，但對于其在不同參數(shù)影響下缺乏系統(tǒng)而全面的平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律研究。基于此，本文在不同風(fēng)速、風(fēng)向角、結(jié)構(gòu)單元長度、端門傾角影響下，研究其在各種不同工況條件下表面平均風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律，為此類結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化和研發(fā)新型折疊體系提供理論依據(jù)。

1CFD計算模型和參數(shù)

本文以長度為18.93m、寬度為10.6m、高度為5.63m 的折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)［1］為研究對象（圖1）。文獻(xiàn)［2］完成了該結(jié)構(gòu)在A 類地貌粗糙度類別下不同風(fēng)向角、不同風(fēng)速下的風(fēng)洞測壓試驗(yàn)，如圖2 所示。

圖1 折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)外觀與骨架Fig.1 External appearance and skeleton figure of folding shell structure

圖2 風(fēng)向角和結(jié)構(gòu)分區(qū)的規(guī)定Fig.2 Provisions of wind direction and structure zoning

近地面風(fēng)場的控制方程為Navier-Stokes 方程。理論上直接數(shù)值模擬的方法可以精確地描述流體中所有尺度的湍流和流場特性的變化，工程上常采用對Navier-Stokes方程平均的方法來計算流體的湍流流動：

2 不同參數(shù)對風(fēng)壓分布影響分析

2.1 風(fēng)場影響分析

1.不同風(fēng)速影響分析

從圖3 可以看出，在相同風(fēng)向角不同風(fēng)速下，盡管三種風(fēng)速變化范圍較大，但由CFD 數(shù)值計算所得各分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)總體上均非常接近。如在0°風(fēng)向角下，三種不同風(fēng)速下平均風(fēng)壓系數(shù)相差最大的區(qū)域發(fā)生在B1 區(qū)，分別為-0.64、-0.69 和- 0.76，極值偏差為18%，而其他各區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)偏差均在9%以內(nèi)；由此可知，風(fēng)速對平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律的影響并沒有使折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布出現(xiàn)差異性，其影響可以忽略不計。

圖3 風(fēng)速對平均風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig.3 Influence of wind speed to average wind pressure coefficient

2.不同風(fēng)向角影響分析

在A類地貌風(fēng)速為20m／s條件下，風(fēng)向角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下對其表面分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行CFD 數(shù)值計算分析，計算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 風(fēng)向角對平均風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig.4 Influence of wind direction to average wind pressure coefficient

由圖4 可見，隨著結(jié)構(gòu)所處風(fēng)場中風(fēng)向角的變化，其表面各分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)取值起伏較大，并出現(xiàn)正負(fù)值不一樣的震蕩情況。如A5 區(qū)，在0°風(fēng)向角，其取值為-0.64，而45°風(fēng)向角，其取值變?yōu)?.71，當(dāng)90°風(fēng)向角，其取值再次減小為0.12；始終處于背風(fēng)面或側(cè)風(fēng)面的A1、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4 區(qū)均承受風(fēng)的吸力作用；通過以上分析可知，風(fēng)向角對平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律起著控制作用，而其關(guān)鍵控制風(fēng)向角工況為0°、45°、90°。

2.2 結(jié)構(gòu)體型變化影響分析

在滿足折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)使用功能要求的同時，改變折疊網(wǎng)殼的主體拱結(jié)構(gòu)長度L和端門截面傾角α，結(jié)構(gòu)尺寸如圖5 所示。對其在0°、45°、90°風(fēng)向角下平均風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行探討。

圖5 結(jié)構(gòu)形狀尺寸Fig.5 The structure shape and size

1.結(jié)構(gòu)單元長度變化影響分析

折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)初始形態(tài)尺寸為L＝11.424m、B＝10.6m、H＝5.63m、L0＝3.753m、α ＝56°，保證結(jié)構(gòu)寬度B、高度H、端門長L0和端門截面傾角α不變，改變拱結(jié)構(gòu)長度L，分別對主體拱結(jié)構(gòu)增加2、4、6、8 個拱肋子（單個拱肋子的長度為1.428m）共4 種工況下平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行研究。

由圖6 可知，在0°風(fēng)向角工況條件下，主體拱結(jié)構(gòu)長度L（拱肋子由2 個增加到8 個）變化，A區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值基本沒有出現(xiàn)差異性。B區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)隨著結(jié)構(gòu)拱肋子的增加逐漸減小，但當(dāng)主體結(jié)構(gòu)拱肋子由6 個增至8 個時，B區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值不再減小，說明隨著主體結(jié)構(gòu)拱肋子的增加并不能一直減小B區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值。除C1 和C5 區(qū)外，隨著主體結(jié)構(gòu)拱肋子的增加，C區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值基本沒有出現(xiàn)差異性。在45°風(fēng)向角工況條件下，結(jié)構(gòu)表面各分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值并沒有呈現(xiàn)出0°風(fēng)向角條件下較為規(guī)律性的變化，隨著主體結(jié)構(gòu)拱肋子的增加，A4、A5、B1、B5、B6 各分區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)基本保持不變，其余各分區(qū)的平均風(fēng)壓系數(shù)的取值均出現(xiàn)不同程度的起伏，如在A1、A2、A3、B3、B4、C4、C5 等區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)極值，說明主體結(jié)構(gòu)拱肋子的增加將導(dǎo)致平均風(fēng)壓系數(shù)的取值明顯增大。在90°風(fēng)向角工況條件下，隨著主體結(jié)構(gòu)拱肋子的增加，結(jié)構(gòu)表面各分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值均出現(xiàn)不同程度的增加，尤其在A3、A4、B1 ～B4、C1 ～C5 等區(qū)域平均風(fēng)壓系數(shù)顯著增加，如A4 區(qū)由-1.03 增至-1.06，再增至-1.19，最后增至-1.20。通過以上分析可知，主體結(jié)構(gòu)拱肋子增加對結(jié)構(gòu)平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律起著控制作用，并且隨著主體結(jié)構(gòu)拱肋子的增加將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面部分區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)取值顯著增大。

圖6 結(jié)構(gòu)單元長度對平均風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig.6 Influence of structure length to average wind pressure coefficient

2.端門傾角變化影響分析

在滿足折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)使用功能和排水要求的條件下，同時考慮減弱端門處兜雪效應(yīng)等要求，保證主體拱結(jié)構(gòu)長度L和寬度B不變，通過改變結(jié)構(gòu)的端門截面傾角α的變化，分別對端門截面傾角α為30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°共9 種工況下平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行研究。

由圖7 可知，在風(fēng)向角為0°工況條件下，折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)端門傾角由30°增加到60°時，A1 和A5 區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值基本沒有變化，承受風(fēng)的吸力作用，但在端門傾角為65°和70°時，A1 和A5 區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值由負(fù)值變?yōu)檎?，承受風(fēng)的壓力作用，如A1 區(qū)由-0.35 變化至0.35。而B區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值均為負(fù)值。當(dāng)端門傾角增加到65°和70°時，C區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值表現(xiàn)出一定的起伏性。在風(fēng)向角為45°和90°工況條件下，隨著端門傾角的增加，平均風(fēng)壓系數(shù)的取值呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，沒有出現(xiàn)明顯的波動。僅在風(fēng)向角為45°時，A5 和B6區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值出現(xiàn)正負(fù)值不一樣震蕩情況。對于折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)承受風(fēng)吸力作用的區(qū)域，平均風(fēng)壓系數(shù)取值的變化規(guī)律隨著端門傾角的增加逐漸減小。對于折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)承受風(fēng)壓力作用的區(qū)域，平均風(fēng)壓系數(shù)取值的變化規(guī)律隨著端門傾角的增加逐漸增大。但在風(fēng)向角為90°時，其變化規(guī)律則相反。

圖7 端門傾角對平均風(fēng)壓系數(shù)的影響Fig.7 Influence of side door angle to average wind pressure coefficient

圖8 進(jìn)一步給出了在風(fēng)向角為0°時，端門傾角為30° ～70°結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布云圖，同樣可以得出，對于折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)A 區(qū)域，隨著端門傾角的增加，平均風(fēng)壓系數(shù)取值絕對值呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，并且取值出現(xiàn)正負(fù)值不一樣震蕩情況。對于B 區(qū)域，當(dāng)端門傾角為30°時，平均風(fēng)壓系數(shù)的取值最小。而對于C 區(qū)域，平均風(fēng)壓系數(shù)取值出現(xiàn)顯著的起伏性。通過以上分析可知，端門傾角對折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律起著控制作用，且在不同風(fēng)向角工況條件下，通過改變端門傾角將導(dǎo)致平均風(fēng)壓系數(shù)的取值分布規(guī)律出現(xiàn)顯著起伏的情況。

圖8 0°風(fēng)向角下不同端門傾角表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.8 Distribution of the surface average wind pressure coefficient with different side door angle under 0° wind direction

3 結(jié)論

本文結(jié)合已有折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究成果，對其在風(fēng)速、風(fēng)向角、結(jié)構(gòu)單元長度、端門傾角不同參數(shù)影響下，表面分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，相對于折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)初始形態(tài)，這對研發(fā)新型折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有非常重要的理論和應(yīng)用價值。相關(guān)研究工作得出以下結(jié)論：

1.除風(fēng)速外，風(fēng)向角、結(jié)構(gòu)單元長度、端門傾角均是影響折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律的關(guān)鍵參數(shù)。

2.主體結(jié)構(gòu)拱肋子的增加，折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)各分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的取值將明顯增加，使用時可以根據(jù)要求，適當(dāng)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)單元長度，但要做好抗風(fēng)措施。

3.折疊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)端門傾角是影響結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的關(guān)鍵因素，為滿足結(jié)構(gòu)的排水和使用功能的要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的端門傾角可以使其表面風(fēng)壓分布趨于均勻，有效地降低結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)。