复杂形体大跨叉筒网壳结构的风场风载模拟吴卫中.pdf

振 　动 　与 　冲 　击 第 26 卷第 10 期 JOURNAL OF V IBRA TION AND SHOCK Vol. 26 No. 10 2007　 复杂形体大跨叉筒网壳结构的风场风载模拟 吴卫中 , 　周 　岱 , 　赵尧军 , 　马 　骏 (上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 ,上海 　200240) 　　摘 　要 : 风荷载是大跨度网壳结构设计的控制荷载 。但网壳结构造型日趋复杂 ,致使结构表面的风压和风载体形 系数的确定愈加困难 。本文针对典型的复杂体型多向叉筒网壳结构 ,采用数值风洞技术研究结构表面的风压分布和风载 体型系数 ,分析交叉柱筒的数量 、交叉柱筒曲率 、矢高比、下部开敞或封闭等不同工况对风压分布和风载体型系数的影响 。 根据节点风载体型系数划分子区域 ,利用加权平均法计算各子区域的平均风载体型系数 ,进而为大跨度复杂体型网壳结 构的抗风设计提供依据 。 关键词 : 结构工程 ;风场 ;风压 ;叉筒网壳 中图分类号 : 3 12. 1　　　文献标识码 : A 　　造型美观的空间曲面网壳结构是建筑师和结构工 12　标准计算模型及其数值计算 程师的追求 [ 1 ] 。网壳结构基本形式有圆柱面 、球面 、锥 　　以 12 个交叉单层网壳柱筒组成的大跨度单层叉 面 、双曲抛物面 、椭圆抛物面等 。把基本 曲面有机组 筒网壳结构为标准计 算模 型 , 见 图 1 示 。柱 筒 曲 合 、切割可创造出生动流畅的曲面形式 。例如圆柱面 率为 [ 12 ] ( 相交而成的大跨度空间叉筒网壳结构 简称 : 叉筒网 x 2 y z = a 1 - + 2 xy - (2) ) co l co l co l 壳 是曲面造型的常用形式 。而不同交叉形式可变换 出多种富有表现力的空间造型 [ 2 ] 。 式中: a代表网壳的矢高, col为结构跨度 。 叉筒网壳形状复杂 , 我国现有 《建筑结构荷载规 范 》未提供相应风荷载体型系数 ,结构表面风压值及其 分布亦无现成数据可资借鉴 [ 3 - 5 ] 。目前 ,对大型复杂 形体空间结构风载取值多采用风洞试验方法 [ 6, 7 ] ,这种 方法虽然有效但耗资巨大 。数值模拟方法是一种定性 和定量确定结构周围风场风载分布的有效方法 。 1　理论基础和计算模型 11　理论依据 　　在结构风工程中 ,结构物处于各类梯度低速风场 中 ,因此可采用不可压缩的粘性流体模型 [ 8 - 10 ] 。若不 考虑流场中温度变化 ,则可认为流体的动力学黏度 μ ρ 和密度 为常数 。在连续介质假设下, 流场可描述为 方程 N avier - Stoke s方程 [ 11 ] : 2 ν ν ν i i 1 p i + ν = f - ν ( 1) j i 图 1　标准算计算模型及其风场模型示意