劉亞娟

（北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院，中國(guó) 北京100044）

0 引言

自古以來(lái)，人們對(duì)風(fēng)的利用和風(fēng)的皮壞作用就有了認(rèn)識(shí)。遠(yuǎn)在一千八百年前，中國(guó)就已利用風(fēng)帆進(jìn)行航運(yùn)，有文字記載“隨風(fēng)張幔為帆”。后來(lái)又發(fā)明了帆式風(fēng)車，在《天工開(kāi)物》一書(shū)中有“楊郡以風(fēng)帆數(shù)頁(yè)俁風(fēng)轉(zhuǎn)車，風(fēng)息則止”的論述。中國(guó)唐代詩(shī)人杜甫寫(xiě)的“茅屋為秋風(fēng)所破歌”描述了風(fēng)對(duì)建筑破壞的作用。

進(jìn)入19世紀(jì)以來(lái)，隨著空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人們開(kāi)始把空氣動(dòng)力學(xué)和工程技術(shù)問(wèn)題結(jié)合起來(lái)對(duì)風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行研究。1940年秋，美國(guó)塔科馬懸索橋在風(fēng)俗不到20m/s的作用下，發(fā)生振動(dòng)而毀壞。德國(guó)著名的空氣動(dòng)力學(xué)家馮卡門親自參加了塔科馬大橋風(fēng)毀原因的分析研究工作。這一事件對(duì)后來(lái)風(fēng)工程的研究起了很大的推動(dòng)作用，人們常把它作為風(fēng)工程歷史發(fā)展階段的一個(gè)起點(diǎn)。20世紀(jì)50年代，丹麥M.Jaesen認(rèn)為必須模擬大氣邊界層氣流特性。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)R.Scanlan提出了鈍體斷面的分離自激顫振理論，充分揭示了塔科馬大橋被風(fēng)吹毀的機(jī)理。加拿大的A.G.Davebpot在建筑物的風(fēng)壓風(fēng)振研究中引進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的概念，促進(jìn)了風(fēng)效應(yīng)的研究并且利用隨機(jī)振動(dòng)理論，開(kāi)創(chuàng)了一套橋梁抖振分析方法。20世紀(jì)70年代，在建筑物風(fēng)振實(shí)驗(yàn)研究中引入了高頻底座天平技術(shù)，使風(fēng)響應(yīng)的研究得到長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]。1970年，美國(guó)J.E.Germakz在美國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)載會(huì)議上第一次正式定義了“風(fēng)工程”（Wind Engineering）[3]一詞，它是研究大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)與人類在地球表面的活動(dòng)以及人所創(chuàng)造物體之間的相互作用。研究者們采用理論分析、數(shù)值計(jì)算或風(fēng)洞試驗(yàn)三種研究方法對(duì)風(fēng)荷載作用下的建筑受力進(jìn)行了大量的研究[1，4-7]。本文主要采用數(shù)值模擬方法對(duì)矩形截面建筑簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型在均勻來(lái)流的流場(chǎng)中進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，采用FLUNENT對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，采用ANSYS對(duì)彈性結(jié)構(gòu)模型的響應(yīng)則進(jìn)行模擬，考察不同均勻來(lái)流風(fēng)速作用下矩形截面高層建筑模型的受力和變形情況。

1 模型與數(shù)值方法

邊界條件 邊界條件類型 設(shè)置入口 速度入口(velocity-inlet)湍流強(qiáng)度為10%，水力直徑為0.2m，速度為對(duì)應(yīng)來(lái)流速度出口 壓力出口(pressure-outlet) 湍流強(qiáng)度為10%，水力直徑為0.2m，表壓為0建筑物的表面及地面 壁面（wall） 默認(rèn)流場(chǎng)上側(cè)、前側(cè)、后側(cè) 對(duì)稱面（symmetry） 默認(rèn)

考慮一矩形截面高層建筑，長(zhǎng)寬高比值為1：1：10，為方便分析，對(duì)計(jì)算模型縮小4000倍，及長(zhǎng)寬高分別為0.01m、0.01m和0.1m。幾何模型在ANSYS Workbench中的Design Modeler中建立，流體計(jì)算域?yàn)榱骟w區(qū)域。結(jié)構(gòu)模型為參照某實(shí)際矩形截面建筑來(lái)建立。結(jié)構(gòu)模型底部形心距離風(fēng)入口面0.105m，距離風(fēng)出口面為0.405m，距離兩側(cè)均為0.105m，計(jì)算域高度為0.3m。流場(chǎng)幾何模型在ANSYS Workbench中的Meshing模塊中劃分，采用Automatic的自動(dòng)化劃分網(wǎng)格，最大的網(wǎng)格最大的大小為0.008m，全部為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為555086個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為98061個(gè)。建筑物幾何模型在ANSYS Workbench中的Meshing中劃分，采用Automatic的自動(dòng)化劃分網(wǎng)格，最大的網(wǎng)格最大的大小為0.001m，全部為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為10000個(gè)，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)為46541個(gè)。流場(chǎng)計(jì)算域的邊界條件的設(shè)置如表1所示，建筑為彈性材料（鋼結(jié)構(gòu)）。數(shù)值模擬方法采用單向耦合方法，即先計(jì)算出流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)壓力分布，然后將壓力作為荷載加載到固體結(jié)構(gòu)的耦合面上，固體域?yàn)殪o力學(xué)計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 建筑物氣動(dòng)力的特征分析

在矩形截面建筑進(jìn)行單向流固耦合時(shí)，監(jiān)視了建筑物在風(fēng)作用下的受力，受力采用無(wú)量綱的系數(shù)形式給出。圖1給出了不同來(lái)流速度下建筑的阻力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)對(duì)比圖。可以看出，隨著來(lái)流速度的增大，矩形截面建筑的阻力系數(shù)是不斷增加的，且增加的幅度隨著來(lái)流速度的增大也增加。隨著來(lái)流速度的增大，矩形截面建筑在傾覆力矩系數(shù)是不斷增加的。

圖1 不同來(lái)流風(fēng)速下建筑的受力系數(shù)圖（左：阻力；右：傾覆力矩）

2.2 建筑物位移的特征分析

以來(lái)流速度為4m/s為例，矩形截面建筑物的總位移如圖2所示，通過(guò)結(jié)果可以看出，矩形截面建筑的底部位移為0，位移值隨著矩形截面建筑物高度的增大而增大，最大位移發(fā)生在矩形截面頂部。矩形截面建筑在X方向上的位移較為明顯，在Y方向上的位移主要集中在迎風(fēng)面受壓彎曲部分，而在Z方向上的位移則集中在矩形截面建筑側(cè)下端部分。

圖2 4m/s來(lái)流速度，矩形截面建筑物總位移圖

隨著來(lái)流速度的不斷增加，矩形截面建筑在三個(gè)方向上位移最大值的對(duì)比如圖3所示，隨著來(lái)流的增加，結(jié)構(gòu)無(wú)論是從X、Y、Z各方向的位移，還是總體位移隨之增加。順風(fēng)向位移（X方向）較為明顯，橫風(fēng)向（Z方向）和豎直（Y方向）位移很小。由于豎直方向位移往往是由于結(jié)構(gòu)彎曲導(dǎo)致的，而且豎向振動(dòng)一般對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及安全影響不大，設(shè)計(jì)中一般不做考慮。

3 總結(jié)

本文主要采用ANSYS Workbench15.0中Fluid Flow(FLUENT)和Static Structural聯(lián)合求解的方法，對(duì)矩形截面高層建筑簡(jiǎn)化彈性模型在不同速度來(lái)流風(fēng)速作用下進(jìn)行單向的流固耦合數(shù)值模擬。從流場(chǎng)的壓力、速度分布以及矩形截面建筑簡(jiǎn)化彈性模型的各表面風(fēng)壓分析流場(chǎng)規(guī)律，還有對(duì)矩形截面建筑的氣動(dòng)力特性以及x、y各個(gè)方向上的位移等方面來(lái)分析矩形截面建筑風(fēng)致振動(dòng)的特性，得到以下結(jié)論：

（1）穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，流場(chǎng)的壓力、速度分布基本成對(duì)稱分布。矩形截面建筑迎風(fēng)面總體為正壓區(qū)，數(shù)值由結(jié)構(gòu)向入口風(fēng)向遞減；側(cè)面和背風(fēng)面總體為負(fù)壓區(qū)，絕對(duì)值由結(jié)構(gòu)向出口和流場(chǎng)兩側(cè)方向遞減。在迎風(fēng)面的側(cè)邊緣有負(fù)壓區(qū)，這是來(lái)流分離的結(jié)果。

（2）在考慮單向流固耦合下建筑所受的側(cè)力基本為0，所受阻力隨著來(lái)流速度不斷增加而增大,并且所受傾覆力矩也隨來(lái)流速度不斷增大而增大。矩形截面建筑最大位移在矩形截面頂部，矩形截面建筑的底部位移為0，且位移值隨著矩形截面建筑物高度的增大而增大。矩形截面建筑在順風(fēng)向（x方向）上的位移較為明顯，位移隨著來(lái)流速度的不斷增大也有相應(yīng)的增加。

（3）在考慮單向流固耦合下矩形截面建筑所受的側(cè)力基本為0，所受阻力隨著來(lái)流速度不斷增加而增大,并且所受傾覆力矩也隨來(lái)流速度不斷增大而增大。

［1］伊廷華,李宏男,顧明.典型體育館屋蓋表面平均風(fēng)壓特性及干擾效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2009(1)：177-181.

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