大跨度鋼結構屋蓋風-溫耦合效應研究現狀

閆鳳濤, 程衛祥, 李國強, 劉 用, 王靜峰

(1.中能建建筑集團有限公司,安徽 合肥 230088;2. 廣州環投從化環保能源有限公司,廣東 廣州 510940;3.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

鋼結構建筑以其材質高強、構件制造工業化程度高、建造工期短、工程造價省等優點使其在高層鋼結構住宅、大型體育場館、廠房等民用與工業建筑領域中得到了廣泛應用。

但鋼結構也存在一定的缺陷,其受風荷載、溫度荷載效應影響明顯,易造成建筑物的損害和人民財產損失(圖1、圖2)。大型復雜的鋼結構建筑對風荷載和溫度荷載極其敏感,在風荷載和溫度荷載作用下可能產生較大的變形和應力,影響鋼結構建筑的結構安全和正常使用。由于溫度荷載、風荷載對建筑結構安全存在極大的危害,所以眾多國內外學者對建筑結構風工程及溫度效應開展了多層次、多角度的深入研究。但是現有學者的眾多研究中對鋼結構建筑的風荷載、溫度荷載研究都是分開的,并未考慮兩者之間耦合影響因素,具體的規律和特點也未深入探究。部分學者在分析鋼結構溫度荷載的時候,分析了在日照環境不同風速對鋼材表面溫度的影響規律。在結構設計階段,由于風速和溫度兩者對結構產生作用時存在一定的相關性,需基于地區風速和溫度兩者的實測記錄數據,對荷載規范中的風速、溫度荷載組合系數進行優化調整,以保證鋼結構設計的安全性。但均未建立風-溫耦合效應有限元模型和分析其中的作用機制和規律,未分析該模型下整體結構的振動響應和評定方法。

圖1 風災工程案例

圖2 溫度荷載破壞工程案例

1 結構風工程的發展現狀

1.1 國外結構風工程發展現狀

國外Uematsu等[1,2]對不同結構高度和結構跨度比下的平屋蓋結構風場特性開展了研究,結果表明,屋蓋表面風壓分布特性會隨風向角和屋蓋的角度變化而變化。當風向角幾乎成90°作用于屋蓋上部表面時則主要會形成柱狀旋渦,其中附面層的分離則會導致整個屋蓋表面在其迎風側區域處產生相對壓力值變化較大時的負壓區域。當風向角邊緣與屋蓋邊緣間存在著一定旋轉角度時將主要是形成錐形旋渦,產生相應的負壓力值的負壓區域也基本與具有該類旋渦作用區域相符合。平均脈動風壓系數和脈動風壓系數在一些研究中都被證明發現在兩者參數之間還存正相關性。

此外,Uematsu等[1,2]也陸續開展起了綜合考慮屋面結構矢跨比數值及高跨比數值對圓柱形屋面風壓分布與特性等的相關影響研究,結果分析表明,結構矢跨比參數的綜合調整將對屋頂結構風壓特性分布的相關影響作用更為深入顯著,其中結構矢跨比的數值也是一個影響屋頂氣流與屋面結構物相分離效應的很重要參考因素,結構表面的正負壓風場的分布特性同樣也必然會相應受到影響。Simiu等[3]首次將越界峰值法應用到在極值風速的分析模型中,若閾值參數選值過高或閾值參數選值過低都可能使分析數據完全失去理論參考價值且不利于保證研究結果的有效性和準確性。因此對閾值高低指標的科學選擇和合理假設都是準確應用該分析方法的最為關鍵之處。Suzuki等[4]依托風洞試驗場研究分析了大跨懸掛式屋蓋結構表面在受柱狀旋渦作用時產生的風場荷載分布及其特性,旋渦的脫落及與氣流的發生和分離后再附以等風場特性現象均在該結構表面均被充分顯現。相比較于結構本身的迎風側,結構自身的背風側的氣流結構顯得更為復雜紊亂、脈動風荷載也變得更大,但風壓系數則相反。Ginger等[5]也曾分別研究柱狀旋渦和錐形旋渦是如何影響大跨平屋蓋的,開展研究了在上述兩種不同旋渦作用影響下,形成的不同對應位置風壓觀測點數據之間的相關性問題。

1.2 國內結構風工程發展現狀

風洞模型試驗器以其外形受空間氣候條件環境和工作時間因素的共同影響變化小,模型制作和各種測試實驗儀器產品的現場安裝、操作、使用維護比較簡捷方便實用等顯著優勢,是國內開展大跨空間結構抗風研究中最常見且相對準確有效的方式。李秋勝等[11]還通過依托廣州會展中心項目進行風洞模擬試驗,分析探討了大跨空間結構表面的平均風壓分布特性和脈動風壓分布特性,探究在受風向角變化作用時結構表面的測點位置及其最不利情況,并總結分析了測點間距、測試頻率和測點相干性等因素的影響關系。李波等[6]依托具有頂部屋蓋可以正常開啟、閉合功能的國家某一體育場館進行風洞模擬試驗的數據結果,分析并提出了場館在其頂部屋蓋關閉和完全開啟兩種不同使用狀態作用下產生的風荷載空間分布特性。結果表明,兩種不同狀態下的平均風壓系數、脈動風壓系數和繞流形式均存在顯著不同,但測點功率譜主要在頂部屋蓋開啟狀態下有較大影響。劉帥等[7]針對的屋蓋結構涉及矩形和圓形兩類,對比分析矩形屋蓋和圓形屋蓋的風荷載分布特性,探究不同屋蓋類型下的極值風壓及平均風壓系數分布規律。結果表明,負壓區的風場特性在兩種不同屋蓋下存在較大不同。其中圓形屋蓋負壓區則主要出現在屋蓋結構的迎風側的前緣處,而矩形屋蓋結構的負壓區又主要是出現在屋蓋結構的迎風側的前緣處及屋蓋的角部位置,由此分析可知圓形結構屋蓋的整體抗風荷載性能也更突出,文中同時提出在矩形結構屋蓋的邊角處采用切角的設計思路來提高結構的抗風性能。葉燁[8]依托武漢理工大學體育中心的剛性風洞試驗模型及試驗數據,針對群體大跨度屋蓋結構的抗風設計與分析開展了深入研究,內容包括了群體大跨屋蓋結構的風壓分布特性及體形系數研究。

相對于風洞試驗而言,數值模擬的方法由于其研究成本低、研究參數調整便利和研究結果直觀易懂等優點正被廣大學者逐步采用。陳伏彬等[9]采用風洞試驗和數值模擬兩者相結合的方法,對深圳新火車站系統開展了在不同工況下的研究。結果表明,最大平均負風壓系數和脈動風壓系數發生在車站屋蓋的迎風的懸挑區域,但其會因為在不同火車數量工況下存在局部差異,但對整體影響較小;其中存在于火車站主站房東側縱、橫方向上的大跨度開洞均會產生氣流的“匯集”等風場特性。王瑩等[10]通過依托CFX數值計算分析平臺分別對扁平屋蓋、球形屋蓋結構和馬鞍形屋蓋等三種結構形式的大跨結構表面風場特性開展了三維數值模擬計算研究與作用機理研究,探究出風向角、地表粗糙度差異和矢跨比對表面風壓分布特性及影響規律;結合上述三種大跨結構屋蓋類型,提出了在數值模擬研究中使用的計算域的幾何尺寸、網格結構的網格劃分的方法、選擇湍流模型的參考依據和收斂性分析等應用建議。張虎躍[11]利用ANSYS流體和靜力計算模塊,開展大跨結構的流體數值模擬與靜力分析,數值模擬結果與現場模擬的風荷載試驗結果吻合度較好。

與風洞試驗及數值模擬研究手段相比,風場現場實測由于操作性難度大使得相關研究成果較少。王煜成[12]開展了現場實測的方法研究,開展了包括風場測試設備的研發標定、現場實測方法的改進等工作,與不同荷載規范進行實測的結果對比來驗證測試方法的準確性和可靠性。研究結果表明,現場在40 m高度處實測的風速湍流度值要高于國內規范針對B類地貌下0.113的湍流度值,研究建議可參考歐洲規范計算陣風系數的方法來計算坡度較為平坦雙坡屋面的局部風壓系數,且應適當提高背風側的陣風系數的值。實測數據中的脈動風速及風壓值在進行相關性特征分析處理時,按平均風速方向遷移的現象會出現在屋蓋表面,但事實上此類相關性特征通常會隨著旋渦運動的推進發生一定的改變。

2 結構溫度場的研究現狀

在開展的建設中,對溫度場的研究主要包括混凝土橋梁、鋼結構橋梁、組合結構橋梁、大型體育場館鋼結構體系等大型建筑中。目前針對鋼結構主要開展火災下和太陽輻射下的溫度場研究。建筑結構受到溫度的影響主要是由于建筑材料在周圍環境溫度的影響下會發生熱脹冷縮變形。但同時對于內部存在多余約束的超靜定結構體系而言,結構體系自身的自由溫度變形會受到制約,導致結構內部會在溫度荷載作用下產生了一定的溫度應力和變形。

2.1 日照溫差作用下的溫度場研究現狀

金曉飛等[13]總結了日照溫差作用對大跨度網架結構溫度效應的數值分析方法,主要包括:應用ANSYS軟件進行的熱分析有限元法,利用熱電比擬法的熱網絡法和流體熱分析法三種。

其中,對于熱分析有限元法,國內范重等[14]對國家體育館工程的各部位結構構件在太陽輻射下的溫度上升下降的各類影響因素進行了分析,通過實地實驗和監測的分析資料數據確定了結構構件溫度場計算采用的各種關鍵物理參數及室內外風速及相應構件材料的熱傳導計算邊界條件。研究采用有限元數值模擬方法計算了箱形構件各表面的輻射溫度與構件的平均輻射溫升,進而分析出結構在各區域內構件的輻射溫度,研究計算結果后得到符合大跨度屋蓋結構的合攏溫度要求,包括在設計時合攏溫度與最大正、負溫差。劉紅波等[15]開展了包括各種結構材料太陽輻射吸收系數、鋼管溫度場的簡化數值計算新方法,以及在太陽輻射影響下對實際工程進行數值模擬分析空間鋼結構中的溫度效應等問題研究。王化杰[16]開展了空間網架結構非均勻溫度場的變化對比研究,結果進一步說明了在太陽輻射影響下空間網架結構內部各受力桿件表面的溫度場變化是不同的,但需要考慮建筑自身對溫度場的影響?？偟膩碚f,采用熱分析法直接分析建筑結構及構件的日照溫度場,優勢在于可將所求的溫差直接作為荷載加載,進而能直接用來分析建筑結構或構件的溫度效應,不足之處是未考慮實際的風向及風速對溫差取值可能造成偏差。

對于運用CFD流體熱分析法,裴永忠等[17]通過建立AMECO-A380大跨度機庫數值分析模型,開展了考慮天氣條件、太陽輻射等因素影響下的網架結構屋蓋的上、下弦平面溫度效應及分布規律。甘明等[18]利用CFD流體熱分析法對空間結構開展不均勻溫度場計算,結果表明空間結構的組合荷載工況需要包含溫度作用,進行設計優化時還要考慮空間鋼結構溫度作用的取值范圍、分項系數取值以及和其他工況中的組合分項系數取值。劉樹堂[19]基于晴空模型分析可得出日照強度下的鋼構件溫度場變化會受到風速變化的影響,這是由于風速會改變鋼構件表面換熱系數。陳濱濱[20]研究輻射-熱-流耦合場,通過試驗獲得在金屬材料表面涂上不同顏色的材料時太陽輻射下金屬的吸收系數,以及進一步探究了面漆材質、顏色變化等特性對太陽輻射吸收系數變化規律。研究也發現在考慮流體時太陽輻射影響下大跨度結構數值法模擬計算出的非均勻溫度場分布和非均勻溫度效應的分布會更加穩定準確。Hongbo Liu等[21]通過對太陽輻射作用下溫度的非均勻分布和變化及其對鋁穹頂結構受力影響規律的研究,發現了溫度荷載仍是鋁穹頂結構承受的關鍵荷載。通過對太陽輻射作用下溫度的非均勻分布和變化對鋁穹頂結構影響的研究,發現溫度荷載是鋁穹頂結構的關鍵荷載,且主要受太陽輻射的影響。李博[22]基于CFD理論,開展完成了太陽輻射下膜屋面下大跨鋼結構太陽輻射非均勻溫度效應數值模擬方法研究,通過試驗得到不同膜材料太陽輻射系數,開展帶有不同膜材下鋼材溫度場試驗研究和有限元模擬研究,形成了一種基于CFD理論對輻射-熱-流耦合作用的膜下鋼結構非均勻溫度場的數值模擬方法。

2.2 年溫差作用與環境驟然降溫作用下的溫度場研究現狀

邊廣生[23]開展了南京奧體中心體育場鋼屋蓋結構在溫度作用下的模型試驗和理論計算研究,并且分析了屋蓋日照溫差值、屋蓋下部混凝土結構剛度及拱腳支座剛度等和不同參數變化對鋼結構屋蓋溫度效應的影響。肖星星[24]開展了年溫差作用下多跨長聯橋的溫度效應研究,并提出支座位移量、梁端伸縮量的計算方法。劉堅等[25]對廣州某中心體育館大跨度鋼結構屋蓋在不同工況下溫度效應特性開展了研究。結果表明,在溫度工況作用下鋼屋蓋支座及其支承附近部位的桿件以及下弦桿應力變化的影響最大;對于鋼屋蓋支座處節點的水平位移影響較大,溫差為負數作用時會導致桁架跨中豎向撓度增大,而溫差為正數作用時對于桁架跨中豎向撓度的變化影響則有所減小。王昌彤等[26]利用MIDAS/GEN軟件分別對江蘇大劇院屋蓋鋼結構溫度效應和合攏溫度工況進行有限元數值模擬計算,分析不同結構溫度工況狀態下對鋼結構支座以及桿件變形及應力的影響。上述相關研究表明,年溫差作用對大跨度空間網架結構的應力及變形有著非常大的影響。

王昌衡[27]基于傳熱學理論,在路面驟然降溫10 ℃/h條件下利用ANSYS有限元軟件對瀝青路面結構溫度場進行瞬態熱分析,結果也表明,隨著道路驟然大幅降溫,瀝青路面溫度會發生大幅度降低。王仁振[28]通過對各種混凝土構件在各種不同的降溫速率環境下的溫度場變形進行有限元分析。研究表明,結構溫度自約束應力會隨著降溫速率的持續加快而急劇變大。由此可見,需要充分重視在驟然降溫時對建筑結構的各種結構性能產生的巨大影響,尤其對溫度極其敏感的鋼結構建筑。

3 大跨度鋼結構屋蓋風-溫耦合效應研究現狀

關于大跨度鋼結構屋蓋風-溫耦合效應的現有研究較少,目前只有部分學者在利用CFD流體熱分析法分析溫度場時考慮不同環境風速對溫度場的影響。其中肖曉[28]同時考慮到太陽輻射、結構表面溫度與內部及其周圍環境輻射換熱、內外部環境空氣的對流換熱等影響因素,對建筑整體結構和建筑物局部構件在多物理場耦合作用影響下溫度場變化特性和分布規律進行了數值模擬。先通過對封閉方鋼管構件的溫度場進行數值模擬并得到關鍵數據,再將有限元模擬數據與現場試驗實測數據進行對比驗證方法的準確性和有效性。再利用該方法對大跨度空間結構的溫度場進行數值模擬,獲取不同設置風速下結構在各時刻的溫度場分布情況。劉軒[30]在利用FLUENT軟件模擬焊接不銹鋼金屬屋面系統中,在太陽輻射-自然對流換熱系統作用條件下金屬屋面材料的非均勻溫度場分布狀況及其力學性能。研究表明,屋面在太陽輻射作用下的溫度場受風速影響很大,風速越大屋面的均值溫度則越小,面板的溫度波動幅值隨著風速變大而變小且離散程度也較低。清華大學公共研究院[31]提出新的基于溫度場相似的輻照-高溫-強風耦合分部實驗分析方法理論與流程,可以突破環境模擬設備在耦合作用下的極限測試工況限制,將輻照、溫度場和風速場解耦,減小變量個數,在低測試工況下得到較高的真實測試工況下的測試值,為實現此方面的實驗研究提供了理論基礎。

現有研究中主要是基于溫度場分析的時候引入風速作為影響因子,但缺乏其中對大跨度鋼結構屋蓋風場和溫度場耦合作用機制研究,缺乏考慮風和溫度耦合作用下大跨度鋼結構風振響應分析,缺乏考慮風和溫度耦合作用的大跨度鋼結構損傷評估方法。

為推動大跨度鋼結構屋蓋風-溫耦合效應的研究,需要在總結已有研究的基礎上,圍繞關鍵的科學問題,結合理論推導、模型實驗和現場實測,推動研究建立精細化風-溫耦合模型及優化有限元模型的建立方法,探究溫度場、風場兩者結合的雙場耦合模型作用機制的研究。研究建立風溫耦合效應模型和結構模型的數據交換方式,實現多物理場的數據計算,進行結構的風振響應分析?；谘芯康臄祿?對荷載耦合作用下的大跨度鋼結構進行易損性分析,引入隨機概率論使得分析因素更全面,建立風險評估和評價準則,針對結構薄弱區域提出合理設計建議和構造措施。

4 結束語

實際工程環境是非常復雜的,影響建筑結構安全的因素也是多方面的。因此,隨著工程建設的發展,多領域的交叉研究是未來研究的重要課題之一。建立大跨度鋼結構屋蓋風-溫耦合效應的分析和評定方法是一種全新的結構防災減災手段,目前國內外關于此方面的研究并不完善,積極開展這方面研究的理論和工程應用價值非常明顯。