薄膜结构风荷载数值模拟的新方法和应用.pdfVIP

第十四届全国结构风工程学术会议论文集 薄膜结构风荷载数值模拟的新方法和应用 杨易金新阳 杨立国 (中国建筑科学研究院风工程研究中心，北京100013) 摘要轻质薄膜结构是一类特殊的风敏感结构，其内外表面同时承受风荷栽的作用，厚度相对其他2个方向 的维度小得多，这给风荷栽的试验模拟或数值模拟的准确建模增加难度．通常膜结构数值模拟建模过程中，需要用 空间膜曲面切割整个流域，以使得膜面成为流域内边界组成部分，建模过程复杂；或者，为避免薄面建模和划分网 格的困难，在建几何模型时放宽厚度方向的尺度模拟，放大厚度尺度，将薄膜模拟为实体，这种简化将不可避免带 Subdomain 来计算误差．本文针对这一问题，提出了一种新的通用的“子流域叠加(Computational 方法以克服复杂薄膜结构教值风洞建模的困难．该方法的主要思想是将有厚度的薄膜结构自身占据的空间模拟为“附 加予流域”，叠加到主结构绕流场计算模型上，通过适当的边界条件定义，可将薄膜结构准确模拟为“薄面”；再采 用网格插值，获得内外表面的风荷裁合力．以一复杂的薄膜结构工程为例，介绍了这种方法的步骤和应用．结合作 者提出的模拟平衡边界层的新的边界条件数学模型【¨】，以准确模拟薄膜结构风荷栽效应．研究表明，本文提出的新 方法，在土木工程薄膜结构风效应的数值模拟研究中，具有一般通用性和推广应用价值． 关键词CFD、膜结构、风荷裁、平衡边界层，SSTk-‘o模型 1．引 言 在建筑结构风荷载的研究中，薄膜结构是一类特殊的风敏感结构，质量轻、阻尼小，风荷载是 结构设计的控制性荷载。对于薄膜结构，其内外表面同时承受风荷载的作用，厚度相对其他2个方 向的维度小得多，这给风荷载的试验研究或数值模拟的准确建模增加难度。在风洞试验制作缩尺试 验模型时，由于试验测试方法和仪器的限制，通常只能放宽厚度方向的尺度模拟，加大厚度。在数 值模拟研究中，通常需要将薄膜结构模拟为无厚度的“薄面”。一般做法是用膜结构空间曲面去“切 割”整个流域，使得膜面成为边界一部分。但这种建模方式，对于复杂的空间曲面膜结构加实体建 筑的组合结构，操作复杂，效率不高；有的CFD求解器还不支持这种建模方式。由于复杂薄膜结构 数值风洞建模和网格离散的困难，有的直接将薄膜结构模拟成具有一定厚度的“体”；为满足网格划 分的要求，厚度尺度又通常需要比实际结构大。这种简化的建模方法将不可避免带来计算结果的误 差，计算结果的处理中，内、外表面非匹配网格风荷载的合成也颇为麻烦。 针对复杂薄膜结构风荷载数值模拟的建模难题，作者进行了仔细的研究，提出了一种新的、可 通用的“子流域叠加(css)”数值模拟建模方法，以适用于复杂膜结构的风效应模拟：首先，建立 模拟薄膜结构整体的数值风洞模型，其中薄膜模拟为具有适当厚度的“体”，方便几何建模；其次， 将有厚度的薄膜结构自身占据的空间作为“附加子流域”，叠加到主流域中，通过边界条件的适当定 义，将薄膜结构准确模拟为“薄面”。通过数值模拟计算，分别得到内、外表面的风荷载。然后，采 用编制的网格插值程序，将内、外表面的风荷载进行合成，从而获得内外表面的风荷载合力。 下文对这种新方法进行详细介绍。 2．薄膜结构“子流域叠加(css)数值建模方法 为方便说明，以一复杂薄膜结构工程作为示范，结合实例，介绍这种新方法的步骤及其应用。 2．1计算模型示例 896 第十目届空目结构且I程学术会H论x集 作为示范的工程案例，为建在临海地区的一通风塔(国】所示)结构。该工程以一栋通风塔为 核心，塔身包裹两片帆型钢结构，外层以薄板(膜)结构覆面。从结构抗风的々业角度，轻型膜结 构本身是风敏感结构，风荷载是结构设计的控制性荷载。本项目中，荫片复杂空间曲线构成的弧形 膜结构，组台形成半围合环形包裹塔身。膜结构的设计组合形态，“厦膜与塔身之间形成的相对狭 小的空隙，将可能形成不利的“兜风效应”，增大结构承受的风荷载。风荷载的设计取值直接芙系到 结构的安全性，从{!|}障这一再要项目结构抗风安全性的角度考虑，准确模拟其风荷载体型系数对结 构抗风设计关系重大。 2．2数值风洞建模 (I)几何建横