張俊杰，　袁文濤

（黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋風(fēng)荷載模擬分析

張俊杰，袁文濤

（黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

為研究V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋的風(fēng)壓分布規(guī)律，應(yīng)用ANSYS-CFX軟件對該結(jié)構(gòu)進行風(fēng)荷載數(shù)值模擬。對V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋進行實體建模，選取計算流域，進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定邊界條件，并選取SST湍流模型對該結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬計算，分析V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋分別在0°、45°和90°風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布規(guī)律。結(jié)果表明：45°為該結(jié)構(gòu)最不利風(fēng)向角；由于45°和90°風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)表面整體負壓值較大，所以應(yīng)著重驗算45°和90°風(fēng)向角的局部負壓和整體負壓；不論風(fēng)向角怎樣變化，風(fēng)吸力是此屋蓋結(jié)構(gòu)的主要荷載，其最大值一般出現(xiàn)在迎風(fēng)結(jié)構(gòu)面的邊緣，結(jié)構(gòu)邊緣處風(fēng)壓梯度變化較大，屋蓋V形折點區(qū)域局部風(fēng)壓較緩端局部風(fēng)壓大。

V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；屋蓋風(fēng)壓分布規(guī)律；風(fēng)荷載；網(wǎng)格劃分；湍流模型；數(shù)值模擬

0　引　言

隨著社會的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的屋蓋形式已不能滿足人們對建筑結(jié)構(gòu)功能的使用要求，因此，出現(xiàn)了許多新型的屋頂結(jié)構(gòu)形式［1］。風(fēng)荷載是屋頂結(jié)構(gòu)的控制荷載，我國現(xiàn)行的GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［2］中，只列出了一些常見結(jié)構(gòu)形式屋蓋的風(fēng)荷載體型系數(shù)，對于一般性的復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)還需要做深入分析。風(fēng)洞實驗是研究結(jié)構(gòu)風(fēng)載的重要手段，它能夠在一定程度上還原真實環(huán)境中風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)物的影響。但風(fēng)洞實驗持續(xù)時間較長、資金消耗較大，并且無法提供相應(yīng)的流場信息。隨著計算機技術(shù)和流體力學(xué)的迅速發(fā)展，以流體動力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬方法克服了風(fēng)洞實驗的不足。數(shù)值模擬方法［3］是利用計算機技術(shù)模擬建筑物周圍風(fēng)場，計算結(jié)構(gòu)風(fēng)壓的一種方法。計算風(fēng)工程也被稱為數(shù)值風(fēng)洞［4］，其研究成果需要在一些假設(shè)的基礎(chǔ)上完成。湍流模型用來模擬風(fēng)繞建筑物的流動形式，其具體形式是流體在流域內(nèi)隨時間與空間的不斷波動，目前，常用的幾種湍流模型在風(fēng)荷載模擬中都存在一些缺陷，可以說計算風(fēng)工程技術(shù)的水平高低與湍流模型技術(shù)的水平密不可分［5］。同時，在數(shù)值模擬過程中，模擬方法、網(wǎng)格劃分及計算流域等也對模擬結(jié)果有直接的影響［6］?？傮w來說，利用數(shù)值模擬方法研究風(fēng)載荷對屋頂結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義。

1　模型建立與計算流域選取

數(shù)值模擬第一步建立建筑模型和流體域模型。首先，采用Design Modeler軟件進行實體建模，模型為V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋形式，模型長60 m，寬56 m，高15 m。接著，進行計算流域的選取，計算流域的尺寸與數(shù)值模擬精度關(guān)系密切，計算流域的尺寸太小，會影響結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布；尺寸選取過大，則會增加計算網(wǎng)格數(shù)量，從而導(dǎo)致資源的浪費，并且影響計算精度的提升［7］。一般的計算流域選取原則［8］如下：設(shè)模擬實體對象的高度為h，對于高度較低的建筑物，風(fēng)場流動的主要形式為頂面繞流，流域的入口一般設(shè)定在離結(jié)構(gòu)物4h～5h的位置。流域的出口邊界，需要保證尾流充分發(fā)展，否則會有回流，計算不收斂。但是由于結(jié)構(gòu)體遠端網(wǎng)格體積大，湍流能耗散較快且對入口端影響較小，因此，在進行建筑物風(fēng)荷載模擬時，可以將出口與結(jié)構(gòu)體之間距離適當(dāng)縮短，綜合以上兩點出口邊界一般設(shè)定在離建筑物背風(fēng)面2h～3h的位置。計算流域側(cè)邊緣與結(jié)構(gòu)物之間的距離應(yīng)為3h～4h，阻塞率應(yīng)小于3%。文中模擬對象為低矮建筑結(jié)構(gòu)，流域大小選取按上述原則進行。此外，模型和流域均為對稱結(jié)構(gòu)，在建模時只建立了幾何模型的一半?yún)^(qū)域，具體尺寸，L=210 m，H=68 m，W=94 m，所建模型及流域選取如圖1所示。

圖1　屋蓋幾何模型與計算流域Fig.1　Roof geometry model and calculation of basin

2　計算網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬第二步進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格是應(yīng)用有限元的思想來離散連續(xù)的計算區(qū)域，并將連續(xù)的計算區(qū)域劃分為若干個子區(qū)域進行計算，同時確定子區(qū)域中的節(jié)點［9］。網(wǎng)格一般從其大小和質(zhì)量兩方面判斷其優(yōu)劣程度。較差的網(wǎng)格劃分會導(dǎo)致模擬計算無法進行或中止模擬計算，而較好的網(wǎng)格劃分可以使計算結(jié)果的正確性和精確性得到有效提高。

文中采用 ANSYS12.0中的網(wǎng)格劃分軟件ICEM進行劃分，軟件中網(wǎng)格有四面體和六面體兩種形式，如圖2所示。

圖2　ICEM中的網(wǎng)格形式Fig.2　Grid form in ICEM

計算精度的控制因素之一是網(wǎng)格的質(zhì)量，網(wǎng)格的質(zhì)量主要是網(wǎng)格類型的選取。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩種，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［10］是指每個網(wǎng)格區(qū)域中的節(jié)點有相同的毗鄰單元。與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的定義相比，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［11］是指每個網(wǎng)格區(qū)域中的節(jié)點不具有相同的毗鄰單元，并且采用隨機數(shù)據(jù)生成網(wǎng)格節(jié)點，即不同的網(wǎng)格劃分區(qū)域中的節(jié)點相連的網(wǎng)格數(shù)目也不同。一般體型的建筑結(jié)構(gòu)常采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分建筑物，而體型復(fù)雜的常采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計算，網(wǎng)格生成的速度快、質(zhì)量好，但適用的范圍比較窄，對求解復(fù)雜區(qū)域適應(yīng)性差。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成過程中采用一定的準(zhǔn)則進行優(yōu)化判斷，因而能生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，容易控制網(wǎng)格大小和節(jié)點密度，采用隨機的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于進行網(wǎng)格自適應(yīng)。但在滿足同樣流場計算條件下，它產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)量要比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大得多。

此外，網(wǎng)格的數(shù)量在劃分網(wǎng)格中是另一個重要的控制因素，網(wǎng)格數(shù)量過多會導(dǎo)致模擬計算時間過長，造成不必要的浪費；數(shù)量少則會使計算結(jié)果不夠精確。因此，對遠離建筑物的流體計算區(qū)域可以適當(dāng)減少網(wǎng)格的數(shù)量，對于建筑結(jié)構(gòu)表面區(qū)域及其相鄰近的計算流域需要進行網(wǎng)格的加密。

針對模擬實體結(jié)構(gòu)，綜合考慮以上因素，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋進行網(wǎng)格劃分。結(jié)構(gòu)體及計算域采用四面體網(wǎng)格（個別位置采用楔形體或錐體），面網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，運用ICEM網(wǎng)格編輯中的adjust mesh density對V形網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)進行加密處理，從而得到10 486個節(jié)點和66 954個體單元。具體劃分情況如圖3所示。

圖3　V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋網(wǎng)格劃分Fig.3　Mesh structure of V-shaped dome

3　邊界條件與湍流模型

將已劃分好網(wǎng)格的流體模型在CFX前處理中定義為流體域。流體域設(shè)定完成后，設(shè)定邊界條件，邊界類型包括入口邊界、出口邊界、無滑移壁面邊界和自由滑移壁面邊界。

3.1入口邊界

入口邊界條件的設(shè)定是在流域的入口處指定模擬所需的各類參數(shù)，設(shè)定入口面邊界類型為inlet，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。入口邊界為設(shè)定風(fēng)場的平均速度和用于模擬的湍流模型。在設(shè)定邊界信息時，空氣模型選用理想不可壓縮氣體模型，質(zhì)量與動量選定Normal Speed，速度值設(shè)定為15 m/s。

3.2出口邊界

出口邊界條件的設(shè)定是在流域的出口處指定模擬所需的各類參數(shù)，設(shè)定出口面邊界類型為outlet，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。使用outlet出口邊界是認為流體在出口處的流動情況由流域內(nèi)部向外部發(fā)展得到，即認為流體完全發(fā)展，對上游流體流動沒有影響。考慮到風(fēng)場在出口邊界需要充分發(fā)展，設(shè)置在垂直于出口面方向上的變量梯度值為零。設(shè)定出口邊界處質(zhì)量與動量為Static Pressure，相對壓強值為0 Pa。

3.3壁面邊界條件

壁面邊界條件的設(shè)定是在流域的各側(cè)面（非入口面與出口面）指定模擬各面的邊界類型并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，壁面邊界條件類型為wall，其類型劃分為無滑移的壁面條件 （No slip wall）和自由滑移壁面條件（Free slip）。計算模型為對稱結(jié)構(gòu)，建模時只需建立其對稱的一半?yún)^(qū)域；將結(jié)構(gòu)模型的表面和計算域底面設(shè)定為無滑移的壁面條件，即認為流體在近壁面處的速度為零；為了模擬大氣邊界層條件，將計算域頂部和一側(cè)設(shè)定為自由滑移的壁面條件，即認為近壁面處的流體流動不受壁面邊界的影響。

3.4湍流模型

湍流模型用來模擬風(fēng)繞建筑物的流動形式，其具體過程是流體在流域內(nèi)隨時間與空間的不斷波動［12］。湍流形式往往取決于流體本身的性質(zhì)，如果流體本身的慣性力大于黏性力，湍流就會發(fā)生，常用雷諾數(shù)［13］來表明湍流的狀態(tài)，具體表達為

式中：ρ——流體的密度；

μ——流體的黏度；

v——流體表征速度；

L——流體表征長度。

雷諾數(shù)較小，表明流體的黏性力大于慣性力時，流體內(nèi)各質(zhì)點平行于流域內(nèi)壁進行規(guī)則的流動，此時流體為層流狀態(tài)；雷諾數(shù)較大，表明流體的慣性力大于黏性力，流體內(nèi)各質(zhì)點的流動狀態(tài)為雜亂的無規(guī)則流動，此時流體為紊流狀態(tài)。湍流模型的發(fā)展是以確定影響湍流運動規(guī)律的因素以及根據(jù)湍流運動規(guī)律尋找附加條件和關(guān)系式為基礎(chǔ)的。由于在模擬過程中很多風(fēng)場環(huán)境不能表述清晰，所以，為了還原真實的風(fēng)場環(huán)境，對湍流模型的運用顯得尤為重要。

常用的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和SST（Shear Stress Transport）兩種。在計算復(fù)雜湍流場時，標(biāo)準(zhǔn)kε模型不能模擬出風(fēng)場的真實環(huán)境，風(fēng)繞建筑物流動為復(fù)雜的繞流場，因此，建筑計算風(fēng)工程中不宜采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。SST模型能較好地模擬復(fù)雜湍流場，并且適用于復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)的模擬。根據(jù)模擬環(huán)境，采用SST模型進行計算。

4　結(jié)果與分析

由于氣流繞流特性的不同會造成屋蓋表面風(fēng)壓分布的差異，所以在此類結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計過程中，需要分析不同來流方向?qū)ξ萆w風(fēng)荷載分布的影響。模型為對稱結(jié)構(gòu)，只選取具有代表性的0°，45°和90°三種風(fēng)向角，對V形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋進行風(fēng)荷載數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布Fig.4　Pressure distribution under different wind angles

由圖4可知，0°風(fēng)向角為風(fēng)的流向垂直于屋蓋前緣，風(fēng)流在屋蓋前緣分離，此時，屋蓋表面整體負壓值偏小，最大風(fēng)吸值出現(xiàn)在迎風(fēng)屋面邊緣的V形最低折點處，而隨屋蓋坡度上升風(fēng)吸值逐漸減小，屋蓋前緣的風(fēng)壓梯度變化較大。45°風(fēng)向角時，與0°風(fēng)向角不同的是最大風(fēng)吸值出現(xiàn)在迎風(fēng)屋面邊緣的V形最高折點附近，在遠離屋蓋前緣的中部，風(fēng)壓出現(xiàn)正值。90°風(fēng)向角時，與上兩種風(fēng)向角不同的是V形屋蓋后邊緣出現(xiàn)了最大風(fēng)吸值。

5　結(jié)　論

（1）根據(jù)三種風(fēng)向角下風(fēng)壓分布對比，45°風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大負壓值，并且結(jié)構(gòu)邊緣風(fēng)壓梯度變化最大，因此45°為最不利風(fēng)向角。

（2）45°和90°風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)表面整體負壓值較大，因此，應(yīng)著重驗算45°和90°風(fēng)向角的局部負壓和整體負壓。

（3）不論風(fēng)向角怎樣變化，風(fēng)吸力是該屋蓋結(jié)構(gòu)的主要荷載，其最大值一般出現(xiàn)在迎風(fēng)結(jié)構(gòu)面的邊緣，各風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面周邊區(qū)域的局部風(fēng)壓較其他區(qū)域大，屋蓋V形折點區(qū)域局部風(fēng)壓較緩端局部風(fēng)壓大。在實際工程的設(shè)計中，V形折點處風(fēng)荷載的驗算應(yīng)重點考慮。

（4）所建模型未考慮其自身變形，視為剛性模型。該研究避免了風(fēng)洞實驗的不足，具備模擬真實環(huán)境的能力，具有周期短、費用低的特點。

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（編輯徐巖）

Numerical simulation analysis of wind load on V reticulated shell structure

ZHANG Junjie，YUAN Wentao
（School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

Thi s paper is directed at investigating the law underlying the distribution of wind pressure acting on roof with V-shaped reticulated shell by a numerical simulation of the wind load on this structure using ANSYS-CFX software.The numerical simulation is performed by selecting the grid and calculating the boundary conditions；using the SST turbulence model to provide the numerical simulation of the structure in study；and using the SST model to analyze the law behind the distribution of wind pressure on the shell roof，as in the case of various wind direction from 0-degree to 45-degree and 90-degree.The study shows that 45 degrees is the most unfavorable wind direction for the structure；the greater overall negative pressure value of the structural surface under 45-degree and 90-degree wind direction dictates a focus on the checking calculation of the local negative pressure and negative pressure of the 45-and 90-degree wind direction；and despite any change in wind direction，the wind suction remains a main load acting on the roof structure，a load whose maximum value typically occurs in the windward structure edge subjected to a greater gradient change in wind pressure；produces a greater local wind pressure in V-shaped folded point area than in the gentler slope of roof structure.

V reticulated structure wind pressure distribution law；wind load；grid division；turbulence model；numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.017

TU339

2095-7262（2015）06-0660-04

A

2015－10－09

張俊杰（1965-），女，黑龍江省哈爾濱人，副教授，碩士，研究方向:土木工程，E-mail:120611966@qq.com。