戴卓見，馬石城， 印長俊

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湘潭 411105)

參 考 文 獻(xiàn)

?

基于CFD結(jié)果的廣告牌結(jié)構(gòu)計算與風(fēng)損評估

戴卓見，馬石城， 印長俊

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湘潭 411105)

為了探討戶外廣告牌的結(jié)構(gòu)安全評估方法，以高速公路兩側(cè)典型的非平行雙面單立柱廣告牌為例，利用CFD軟件計算得到廣告牌各部位在不同工況下的風(fēng)壓力，然后憑借有限元軟件對公路廣告牌進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，獲得廣告牌結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力和位移，并對各工況條件下廣告牌結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行了評估.結(jié)果表明，風(fēng)向角為30°時對公路廣告牌結(jié)構(gòu)的安全最為不利，同時發(fā)現(xiàn)，與面板相連的廣告牌支架的應(yīng)力和位移始終較大，在風(fēng)荷載下容易屈服或因變形過大而導(dǎo)致面板脫落，在設(shè)計中應(yīng)予以重視.該研究方法可用于高速公路廣告牌結(jié)構(gòu)的精細(xì)計算和損傷評估.

公路廣告牌；CFD模擬；結(jié)構(gòu)分析；風(fēng)損評估；風(fēng)荷載

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，廣告業(yè)日益興旺，大型戶外廣告牌如春筍般在城市繁華地帶、交通主干道及高速公路沿線涌現(xiàn).然而，戶外廣告牌作為一種風(fēng)災(zāi)易損結(jié)構(gòu)物，是抗風(fēng)防御中的薄弱環(huán)節(jié)，其在強(qiáng)風(fēng)作用下的損毀事故經(jīng)常發(fā)生，輕則幕布或鐵皮被撕裂，隨風(fēng)飛舞，重則整個廣告牌骨架倒塌，對行人行車的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1].

針對戶外廣告牌結(jié)構(gòu)，學(xué)者們主要從風(fēng)荷載計算、廣告牌結(jié)構(gòu)分析和風(fēng)災(zāi)損傷評估三個方面展開研究[2-6].如：金新陽等[3]采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對雙面和三面獨(dú)立柱廣告牌的風(fēng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了風(fēng)壓系數(shù)和偏心距系數(shù)，為廣告牌結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了依據(jù).劉明暉和王琳[5]利用有限元分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對戶外廣告牌在水平風(fēng)荷載下的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)落地式三面廣告牌結(jié)構(gòu)受扭矩影響較大，廣告牌振動形式與結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布相關(guān)，主要以立柱扭轉(zhuǎn)和面板水平振動加轉(zhuǎn)動為主.艾曉秋等[6]以典型的平行雙面廣告牌為研究對象，提出了基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的風(fēng)易損分析方法，通過建立模型來定量研究其風(fēng)災(zāi)易損性，為城市防災(zāi)減災(zāi)提供支持.分析以上文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)盡管能用CFD方法計算得到較細(xì)致的廣告牌表面風(fēng)壓力，但研究者在對廣告牌進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，多采用的是通過規(guī)范簡化法計算得到的風(fēng)荷載，而由此獲得的計算結(jié)果顯然不能精確地反映廣告牌結(jié)構(gòu)局部的受力和變形情況.因此，有必要將風(fēng)荷載計算、結(jié)構(gòu)分析和風(fēng)損評估三方面進(jìn)行連續(xù)性研究.

本文以高速公路非平行雙面單立柱廣告牌為例，利用CFD軟件計算得到廣告牌各部位在不同工況下的風(fēng)壓力，并對所得風(fēng)荷載進(jìn)行分析.然后利用有限元軟件建立廣告牌結(jié)構(gòu)模型，將用CFD方法得到的風(fēng)壓力作為外荷載進(jìn)行計算，得到廣告牌結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力和位移.最后基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的風(fēng)易損分析方法對不同工況下廣告牌結(jié)構(gòu)各部位的損傷情況進(jìn)行了評估.

1 戶外廣告牌風(fēng)荷載特性研究

1.1 廣告牌基本情況

所研究對象為高速公路兩側(cè)典型的非平行單立柱落地式鋼結(jié)構(gòu)廣告牌，該戶外廣告牌單面面積為6 m×18 m，總高18 m，為鋼管、H型鋼、角鋼和槽鋼構(gòu)成的組合桁架，立柱為直徑1.35 m的鋼管.廣告牌結(jié)構(gòu)用鋼量約為26 T，其中立柱部分重約14 T，牌面桁架重約 12 T.廣告牌面板表面包2 mm鋁板，折彎焊接，表面烤漆.廣告位面層為5 mm透明耐力板，內(nèi)置3 mm乳白耐力板中間夾燈箱片，外框不銹鋼扣邊，可以更換畫面，內(nèi)置日光燈.基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ).非平行雙面廣告牌結(jié)構(gòu)的立面圖和剖面圖如圖1所示.

圖1 廣告牌立面和剖面圖

考慮不同風(fēng)速和不同風(fēng)向角對廣告牌所受荷載特性的影響.風(fēng)速采用15 m/s、20 m/s、25 m/s和30 m/s四種大小，分別對應(yīng)于蒲福風(fēng)力等級的7級勁風(fēng)、8級大風(fēng)、10級狂風(fēng)和11級暴風(fēng)，事實(shí)上11級風(fēng)在陸地上是很少見的，其破壞程度僅次于臺風(fēng).風(fēng)向角考慮0°、30°、60°和90°四種情況，其示意圖如圖2所示.

圖2 風(fēng)向角示意圖

1.2 廣告牌CFD數(shù)值模擬

建立僅包含立柱、橫梁和面板的簡化實(shí)體模型，為了便于建模和網(wǎng)格劃分，面板厚度取10 cm，其他尺寸均采用實(shí)際值.廣告牌置于計算域長度方向的1/3位置處，計算域尺寸為200 m×100 m×100 m (長×寬×高)，通過布爾運(yùn)算得到廣告牌的外部流場.計算域外輪廓網(wǎng)格大小為2 m，廣告牌附近區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，板面網(wǎng)格大小為0.25 m，橫梁與立柱的交界細(xì)部網(wǎng)格尺寸為0.1 m，整個模型采用具有良好適應(yīng)性的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成后，最終體網(wǎng)格單元總數(shù)在36萬左右.廣告牌的計算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示.

圖3 廣告牌CFD模型及網(wǎng)格劃分

流體分析時湍流模型采用RNGk-ε模型，該模型基于Boussinesq渦粘性假定，由湍動能k和耗散率ε構(gòu)造湍動粘性來計算雷諾應(yīng)力，修正了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在流場滯點(diǎn)附近產(chǎn)生過高湍動能的缺陷.由于所研究的風(fēng)速較低，可認(rèn)為空氣是不可壓縮流體，故計算域入口面采用速度進(jìn)口邊界條件，給定來流的平均速度與湍流參數(shù).來流平均風(fēng)速采用滿足指數(shù)關(guān)系的風(fēng)剖面表達(dá)式[7]：

v(z)=v10(z/10)α

(1)

式中，v10為參考高度10 m處的風(fēng)速，m/s；z為高度，m；α為地面粗糙度指數(shù).

假設(shè)廣告牌所在場地為B類，即位于田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[8]，B類地面粗糙度指數(shù)取0.16，風(fēng)速沿高度的變化通過UDF編程實(shí)現(xiàn).流域出口面采用完全發(fā)展出流邊界條件；流域頂部和兩側(cè)采用自由滑移的壁面；結(jié)構(gòu)表面和地面采用無滑移的壁面條件.求解時選擇適用于低速不可壓縮流動的壓力基求解器，采用二階迎風(fēng)格式，以提高計算精度；迭代計算的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定無量綱均方根殘差降至10[-4]以下[9].

1.3 廣告牌風(fēng)荷載特性

1.3.1 不同工況下風(fēng)荷載分布

圖4為雙面廣告牌在各種不同風(fēng)速和風(fēng)向角工況下的整體風(fēng)壓分布圖.從圖4可以看出，在風(fēng)向角均為0°的條件下，除了廣告牌迎風(fēng)向面板的外側(cè)面受到風(fēng)壓力外，其他各面的風(fēng)荷載都表現(xiàn)為吸力，且風(fēng)荷載大小均隨著風(fēng)速的增加而非線性增大；迎風(fēng)向面板兩側(cè)面及背風(fēng)向面板內(nèi)側(cè)面的風(fēng)荷載分布比較均勻，只在面板邊緣附近存在一定的變化外，而背風(fēng)向面板外側(cè)面的風(fēng)吸力表現(xiàn)為四周小，中心大的不均勻分布.

圖4 不同工況下廣告牌風(fēng)壓等值線圖

在風(fēng)速均為20 m/s的條件下，風(fēng)向角從0°增加的30°，迎風(fēng)向面板外側(cè)面的風(fēng)壓力迅速減小，迎風(fēng)向面板內(nèi)側(cè)面及背風(fēng)向面板兩側(cè)面的風(fēng)吸力均有所增大；風(fēng)向角從30°增加到90°的過程中，迎風(fēng)向面板外側(cè)面風(fēng)壓力略有增大，而其他各面的風(fēng)吸力均顯著減小至0并于風(fēng)向角為60°前后轉(zhuǎn)為風(fēng)壓力，并隨風(fēng)向角的增加而進(jìn)一步增大.在風(fēng)向角從0°變化到90°的整個過程中，迎風(fēng)向面板所受風(fēng)荷載合力和背風(fēng)向面板所受風(fēng)荷載合力的方向始終相異，且荷載大小均顯著減小.

立柱被面板遮蔽的部分受到的風(fēng)荷載較小，立柱位于面板以下的部分受到的風(fēng)荷載較大，除了迎風(fēng)面小范圍內(nèi)受到正壓力外，絕大多數(shù)部位均承受吸力；立柱所受到的風(fēng)荷載隨風(fēng)速的增加而顯著增大，但其所受風(fēng)荷載占廣告牌全部風(fēng)荷載的比例受風(fēng)速影響較?。涣⒅巷L(fēng)荷載的大小受風(fēng)向角的影響較小，但其所受風(fēng)荷載占廣告牌全部風(fēng)荷載的比例受風(fēng)向角的影響較大(從7.1%到86.6%變化).橫梁由于被兩面板所遮擋，所受到的風(fēng)荷載非常小，在各種工況下均不足總風(fēng)荷載的1%.

獲得各工況下廣告牌的風(fēng)壓等值線圖后，即可提取廣告牌各部位表面的風(fēng)壓值，以用于結(jié)構(gòu)計算.圖5給出了提取得到的20 m/s風(fēng)速和0°風(fēng)向角時廣告牌迎風(fēng)向面板外側(cè)面的風(fēng)壓力三維曲面圖.

圖5 廣告牌面風(fēng)壓值的提取

1.3.2 風(fēng)壓系數(shù)和偏心距系數(shù)

廣告牌表面的風(fēng)荷載壓力系數(shù)定義為廣告牌表面平均風(fēng)壓與廣告牌中心高度來流動壓的比值.風(fēng)壓系數(shù)可以用來反映因風(fēng)場繞流在廣告牌表面所產(chǎn)生的實(shí)際風(fēng)荷載的情況，壓力系數(shù)的正、負(fù)分別表示垂直于廣告牌表面的風(fēng)荷載為壓力或吸力.壓力系數(shù)Cp可按下式計算[2]：

(2)

式中，p為數(shù)值計算所得廣告牌面的平均風(fēng)壓力，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；vh為板面中心高度處的來流風(fēng)速，m/s.

廣告牌表面的風(fēng)荷載偏心距系數(shù)定義為風(fēng)荷載對廣告牌中心軸產(chǎn)生的扭矩與風(fēng)荷載合力和板寬乘積的比值.偏心距系數(shù)可以用來反映因空氣繞流引起的廣告牌實(shí)際所受的扭矩大小，偏心距系數(shù)的正負(fù)代表右手螺旋法則的正反方向.偏心距系數(shù)Ce的計算式如下[2]：

(3)

式中，Mz為風(fēng)荷載對廣告牌中心軸的扭矩，N·m；A為廣告牌面板的面積，m2；L為廣告牌面板的寬度，m.

在平坦場地，風(fēng)速為20 m/s時，雙面板廣告牌各面板表面的風(fēng)壓力系數(shù)和偏心距系數(shù)受風(fēng)向角的影響較大(見表1).廣告牌面板的最大風(fēng)荷載合力出現(xiàn)在0°風(fēng)向角的情況下，同時，當(dāng)風(fēng)向角在0°～30°范圍變化時其合力減小較少，但隨著風(fēng)向角的繼續(xù)增大，風(fēng)荷載合力顯著減小.廣告牌扭矩隨風(fēng)向角的增加逐漸增大，在60°風(fēng)向角時達(dá)到最大，然后風(fēng)向角繼續(xù)增加扭矩反而減小，當(dāng)風(fēng)向角為90°時，扭矩減小至0.

表1 廣告牌風(fēng)壓系數(shù)和偏心系數(shù)

2 戶外廣告牌結(jié)構(gòu)計算與損傷評估

2.1 廣告牌有限元模型

利用有限元軟件對廣告牌結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計算和分析.立柱、橫梁、支架等構(gòu)成主體骨架的全部構(gòu)件均用殼單元模擬，并采用實(shí)際尺寸；構(gòu)成面板結(jié)構(gòu)的龍骨、鋁板和面板等效為10 mm厚薄板，并用殼單元模擬；其他附屬設(shè)施如檢修道、燈具等不予考慮，廣告牌的有限元模型如圖6所示.

圖6 廣告牌有限元模型

廣告牌主體骨架通過布爾運(yùn)算融合成整體，即不論焊接或螺栓連接均按全焊處理；而面板與廣告牌支架之間采用全約束連接.計算荷載僅考慮廣告牌自重與風(fēng)荷載，自重通過定義密度和重力加速由軟件自動計算和施加；忽略橫梁和其他構(gòu)件上的風(fēng)荷載，只考慮廣告牌面板四個面和立柱上的風(fēng)荷載，風(fēng)荷載大小采用前節(jié)用CFD軟件計算的到的風(fēng)壓力(吸力).在立柱底面施加約束全部自由度的位移邊界.除10 mm厚面板采用耐力板外，廣告牌其他構(gòu)件均采用Q235鋼材，所有材料均采用理想彈性模型，材料的物理力學(xué)特性如表2所示.

表2 材料物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果及損傷評估

2.2.1 廣告牌應(yīng)力和位移結(jié)果分析

表3給出了不同工況下雙面廣告牌的最大應(yīng)力和最大位移結(jié)果.從表3可以看出，廣告牌各部位的等效應(yīng)力和位移均隨風(fēng)速的增大而呈非線性增加；當(dāng)風(fēng)速小于等于15 m/s時等效應(yīng)力最大部位位于鋼管橫梁，而當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大后用于支撐面板的槽鋼支架逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中，其應(yīng)力顯著大于其他部位；廣告牌骨架的最大位移始終位于槽鋼支架端部.隨著風(fēng)向角的增大，廣告牌骨架各部位的應(yīng)力和位移除了個別情況外都表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢，可知30°風(fēng)向角對廣告牌結(jié)構(gòu)最為不利；隨著風(fēng)向角的增大，鋼管橫梁所受應(yīng)力比重增大，但位移最大部位仍位于槽鋼支架.

表3 不同工況下廣告牌的最大應(yīng)力和最大位移

2.2.2 廣告牌結(jié)構(gòu)損傷評估

在廣告牌結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的風(fēng)損評估方法，可對廣告牌結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)致?lián)p失分析.根據(jù)材料力學(xué)知識，廣告牌各構(gòu)件保持安全使用的強(qiáng)度條件為[6]：

σ≤[σ]

(4)

式中，σ為各構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力，MPa；[σ]為材料的許用應(yīng)力，MPa.

當(dāng)[σ]采用不同的強(qiáng)度限值時，可以將結(jié)構(gòu)分為4個破壞等級：第一級，結(jié)構(gòu)基本完好，σ≤σe；第二級，結(jié)構(gòu)輕微破壞，σe<σ≤σs；第三級，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，σs<σ≤σb；第四級，結(jié)構(gòu)完全破壞，σ>σb(σe、σs、σb分別為鋼材的彈性極限、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度).

戶外廣告牌的主體結(jié)構(gòu)均為Q235鋼材，其彈性極限、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度見表2.根據(jù)結(jié)構(gòu)計算得到的廣告牌應(yīng)力及材料強(qiáng)度，根據(jù)式(4)即可對廣告牌在不同工況下的風(fēng)致?lián)p傷進(jìn)行評估，見表4.

表4 廣告牌結(jié)構(gòu)風(fēng)損評價

3 結(jié) 論

本文基于CFD結(jié)果對公路廣告牌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和損傷評估，得到以下結(jié)論：

(1) 隨著風(fēng)速的增加廣告牌各部位受到的風(fēng)荷載顯著增大；隨著風(fēng)向角的增大，迎風(fēng)向面板外側(cè)面的風(fēng)壓力先迅速減小后略微增大，而其他各面的風(fēng)吸力表現(xiàn)出先增大后減小至0并轉(zhuǎn)為風(fēng)壓力的變化.立柱所受風(fēng)荷載不容忽視，但其大小受風(fēng)向角的影響較小，而橫梁所受風(fēng)荷載可以忽略.

(2)當(dāng)風(fēng)速小于等于15 m/s時，廣告牌結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力的最大值位于橫梁，而隨著風(fēng)速繼續(xù)增大與面板相連的支架逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中，且數(shù)值顯著大于其他部位；隨著風(fēng)向角的增大，廣告牌骨架各部位的應(yīng)力和位移大多表現(xiàn)為先增大后減小的變化，可知30°風(fēng)向角對廣告牌結(jié)構(gòu)最為不利.

(3) 根據(jù)風(fēng)損評估方法，雙面廣告牌在文中8種工況下，除了當(dāng)風(fēng)速達(dá)到30 m/s時，局部構(gòu)件的應(yīng)力超過材料彈性極限而可能出現(xiàn)輕微破損外，在其他工況下均評定為基本完整.本文研究方法可用于戶外廣告牌結(jié)構(gòu)的精細(xì)計算和損傷評估，對廣告牌的設(shè)計有著較好的參考價值.

參 考 文 獻(xiàn)

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Structural Calculation and Wind Damage Assessment of Highway Billboard Based on CFD Results

DAI Zhuo-jian, MA Shi-cheng, YIN Chang-jun

( College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China )

To investigate the structural safety assessment method of outdoor billboards, the wind pressures on the single column billboard with two non-parallel panels are calculated by using CFD software under different working conditions. Then by means of finite element software, the stresses and displacements are obtained, and wind damage assessments of the billboard are made. The results show that the safety of the billboard is at risk when the wind blows from the 30° angle. It is also found that the stress and displacement of the billboard bracket that is connected with the panels is always great, which makes the structure easier yield or lead to the falloff of billboard panel due to excessive deformation under wind loads, and this should be paid careful attention when designing. The research methods in this paper can be used for elaborate calculation and wind damage assessment of highway billboard structure.

highway billboard; CFD simulation; structural analysis; wind damage assessment; wind load

2015-03-06

戴卓見(1990-),男,碩士研究生,研究方向:結(jié)構(gòu)工程.

馬石城(1963-),男, 博士,教授,研究方向:結(jié)構(gòu)工程.

TU973

A

1671-119X(2015)03-0070-05