2022年风荷载下某高层建筑模型变形的数值分析-科技创新论文.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 风荷载下某高层建筑模型变形的数值分析 风荷载下某高层建筑模型变形的数值分析刘亚娟-科技创新论文（北京建工建筑设计讨论院,中国 北京 100044 ）【摘 要】近年来,随着我国城市人口数量的增长,对建筑的需求量不断增 大,从而高层建筑也就不断地涌现出来；建筑不停的向高度更高、结构形式更 多样、体型更复杂进展,并且由于各式各样的新材料使用让结构变得更加轻 柔,建筑的风荷载成为掌握高层结构的安全性和舒服性的主要因素之一；本文 ANSYS Workbench15.0 平台,联合使用 ANSYS 采纳数值模拟方法,基于 Static Structural

2、 和 FLUENT 来搭建单向流固耦合平台,建立矩形截面建筑的 弹性结构模型,模拟并分析在不同来流速度下矩形截面高层建筑模型的变形情 况；高层建筑；风荷载；变形 关键词 作者简介：刘亚娟（ 1984 ）,女,内蒙赤峰人,从事结构设计工作； 0 引言 自古以来,人们对风的利用和风的皮坏作用就有了熟悉；远在一千八百年 前,中国就已利用风帆进行航运,有文字记载“ 随风张幔为帆” ；后来又创造 了帆式风车,在天工开物一书中有“ 杨郡以风帆数页俣风转车,风息就 止” 的论述；中国唐代诗人杜甫写的“ 茅屋为秋风所破歌” 描述了风对建筑破 坏的作用；进入 19 世纪以来,随着空气动力学的进展,人们开头把空气

3、动力学和工程技术问题结合起来对风效应进行讨论；1940 年秋,美国塔科马悬索桥在风俗不名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 到 20m/s 的作用下,发生振动而毁坏；德国闻名的空气动力学家冯卡门亲自参加了塔科马大桥风毁缘由的分析讨论工作；这一大事对后来风工程的讨论起了很大的推动作用,人们常把它作为风工程历史进展阶段的一个起点；20 世纪50 岁月,丹麦 M.Jaesen 认为必需模拟大气边界层气流特性；20 世纪 60 岁月初,美国 R.Scanlan 提出了钝体断面的分别自激颤振理论,充分揭示了塔科马大桥被风吹毁的机理

4、；加拿大的 A.G.Davebpot 在建筑物的风压风振讨论中引进统计学理论的概念,促进了风效应的讨论并且利用随机振动理论,开创了一套桥梁抖振分析方法； 20 世纪 70 岁月,在建筑物风振试验讨论中引入了高频底 座 天 平 技 术 , 使 风 响 应 的 研 究 得 到 长 足 的 进 步 2 ； 1970 年 , 美 国J.E.Germakz 在美国结构风载会议上第一次正式定义了“ 风工程” （Wind Engineering）3 一词,它是讨论大气边界层内的风与人类在地球表面的活动以及人所制造物体之间的相互作用；讨论者们采纳理论分析、数值运算或风洞试验三种讨论方法对风荷载作用下的建筑受力

5、进行了大量的讨论 1 ,4-7 ；本文主要采纳数值模拟方法对矩形截面建筑简化结构模型在匀称来流的流场中进行动力响应分析,采纳FLUNENT 对流场进行模拟,采纳ANSYS 对弹性结构模型的响应就进行模拟,考察不同匀称来流风速作用下矩形截面高层建筑模型的受力和变形情形；名师归纳总结 1 模型与数值方法第 2 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 考虑一矩形截面高层建筑,长宽高比值为1:1:10 ,为便利分析,对运算模型缩小 4000 倍,及长宽高分别为 0.01m 、0.01m 和 0.1m ；几何模型在 ANSYS Workbench 中的

6、Design Modeler 中建立,流体运算域为六面体区域；结构模型为参照某实际矩形截面建筑来建立；结构模型底部形心距离风入口面0.105m ,距离风出口面为 0.405m ,距离两侧均为 0.105m ,运算域高度为0.3m ；流场几何模型在 ANSYS Workbench 中的 Meshing 模块中划分,采纳Automatic 的自动化划分网格,最大的网格最大的大小为 0.008m ,全部为四面体网格,网格总数为 555086 个,网格节点总数为 98061 个；建筑物几何模型在 ANSYS Workbench 中的 Meshing 中划分,采纳 Automatic 的自动化划分网格,

7、最大的网格最大的大小为0.001m ,全部为六面体网格,网格总数为 10000个,网格结点数为46541个；流场运算域的边界条件的设置如表1所示,建筑为弹性材料（钢结构）；数值模拟方法采纳单向耦合方法,即先计算出流场稳态压力分布,然后将压力作为荷载加载到固体结构的耦合面上,固体域为静力学运算； 2 结果分析 2.1 建筑物气动力的特点分析在矩形截面建筑进行单向流固耦合时,监视了建筑物在风作用下的受力,受名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 力采纳无量纲的系数形式给出；图1 给出了不同来流速度下建筑的阻力系数和倾覆力矩系数

8、对比图；可以看出,随着来流速度的增大,矩形截面建筑的阻力 系数是不断增加的,且增加的幅度随着来流速度的增大也增加；随着来流速度 的增大,矩形截面建筑在倾覆力矩系数是不断增加的； 2.2 建筑物位移的特点分析 以来流速度为 4m/s 为例,矩形截面建筑物的总位移如图 2 所示,通过结果可以看出,矩形截面建筑的底部位移为0,位移值随着矩形截面建筑物高度的增大而增大,最大位移发生在矩形截面顶部；矩形截面建筑在 X 方向上的位移较为明显,在 Y 方向上的位移主要集中在迎风面受压弯曲部分,而在 Z 方向上的位移就集中在矩形截面建筑侧下端部分；随着来流速度的不断增加,矩形截面建筑在三个方向上位移最大值的对

9、比如图 3 所示,随着来流的增加,结构无论是从X、Y、Z 各方向的位移,仍是总体名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 位移随之增加；顺风向位移（X 方向）较为明显,横风向（Z 方向）和竖直（ Y方向）位移很小；由于竖直方向位移往往是由于结构弯曲导致的,而且竖向振 动一般对于结构振动以及安全影响不大,设计中一般不做考虑； 总结 本文主要采纳 ANSYS Workbench15.0 中 Fluid FlowFLUENT 和 Static Structural 联合求解的方法,对矩形截面高层建筑简化弹性模型在不同速度来 流风速

10、作用下进行单向的流固耦合数值模拟；从流场的压力、速度分布以及矩 形截面建筑简化弹性模型的各表面风压分析流场规律,仍有对矩形截面建筑的 气动力特性以及 x、y 各个方向上的位移等方面来分析矩形截面建筑风致振动 的特性,得到以下结论：（1）稳态运算时,流场的压力、速度分布基本成对称分布；矩形截面建筑 迎风面总体为正压区,数值由结构向入口风向递减；侧面和背风面总体为负压名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 区,肯定值由结构向出口和流场两侧方向递减；在迎风面的侧边缘有负压区,这是来流分别的结果；（2）在考虑单向流固耦合下建筑所受

11、的侧力基本为0,所受阻力随着来流速度不断增加而增大 ,并且所受倾覆力矩也随来流速度不断增大而增大；矩形截 面建筑最大位移在矩形截面顶部,矩形截面建筑的底部位移为 0,且位移值随 着矩形截面建筑物高度的增大而增大；矩形截面建筑在顺风向（x 方向）上的 位移较为明显,位移随着来流速度的不断增大也有相应的增加；（3）在考虑单向流固耦合下矩形截面建筑所受的侧力基本为 0,所受阻力随着来流速度不断增加而增大 大；参考文献,并且所受倾覆力矩也随来流速度不断增大而增伊廷华 ,李宏男 ,顾明 .典型体育馆屋盖表面平均风压特性及干扰效应风 洞试验讨论 J.振动与冲击 ,20221:177-181. 张 愉 ,

12、史 庆 轩 . 结 构 风 工 程 与 抗 风 研 究 的 现 状 与 展 望 J. 山 西 建 筑,200725:23-24. 刘天成 ,刘高,葛耀君 ,吴宏波 ,曹丰产 .基于拓展 LB 方法的桥梁结构数值 风洞软件研发及应用 C.2022. 17. 项海帆 .结构风工程讨论的现状和展望 J.振动工程学报 ,19973:12-武岳 ,沈世钊 .索膜结构风振响应中的气弹耦合效应讨论 J.建筑钢结构进展 ,20062:30-36. 名师归纳总结 顾明 ,叶丰 ,张建国 .典型超高层建筑风荷载幅值特性讨论J.建筑结构学第 6 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 报, 20061:24-29. 周岱 ,马骏 ,李华峰 ,朱忠义 .大跨柔性空间结构风压和耦合风效应分析 J.振动与冲击 ,2022,28006:17-22. 责任编辑：杨玉洁名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页