羅永坤 游 瑤

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610000)

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“花”形鋼結(jié)構(gòu)裝飾的風(fēng)荷載特性研究

羅永坤 游 瑤*

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610000)

結(jié)合工程實例，分別考慮有無周圍建筑物的情況，對12個風(fēng)向角做了CFD穩(wěn)態(tài)分析與有限元動力分析，并對其順風(fēng)、橫風(fēng)，以及豎向力和各級模態(tài)的周期與振型做了對比，得出了周圍建筑物對異形鋼結(jié)構(gòu)裝飾風(fēng)致響應(yīng)的影響特征。

鋼結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬，體形系數(shù)，風(fēng)場

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，許多造型新穎、極具現(xiàn)代感的空間結(jié)構(gòu)不斷的涌現(xiàn)，如國家體育館、國家游泳中心“水立方”、上海世博軸“陽光谷”等。這類結(jié)構(gòu)一般跨度大、阻尼小、柔性大，是典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是其設(shè)計的主要控制荷載之一，加之其風(fēng)荷載的特殊性，在相關(guān)設(shè)計規(guī)范[1]中亦難以找到相關(guān)的參考意見或規(guī)定，因此一般需要進行專門的抗風(fēng)設(shè)計研究。如顧志清，王曙光，杜東升等[2]對常州東經(jīng)120主題公園景觀塔進行了順風(fēng)向風(fēng)振分析；盧占斌，魏慶鼎，王安武等[3]對天津港保的標(biāo)志建筑物龍脊風(fēng)帆模型做了氣動特性風(fēng)洞實驗，這些研究均各有特點，而本文的“花”形鋼結(jié)構(gòu)其風(fēng)荷載特性亦別具一格。如圖1所示結(jié)構(gòu)，宛如一朵美麗的喇叭花優(yōu)雅地盛開在城市廣場的夜空，而它是否能禁得住大風(fēng)的侵襲，則有待于以下的研究分析。

該“花”形雕塑高31 m，由28根“腳”柱與地面固結(jié)，柱間距0.28 m左右；內(nèi)部分為5層，每層高約4 m～5 m，每層有17個～18個約束與建筑物鉸接；頂部花瓣直徑可達(dá)41 m，邊緣由9根鋼絞線拉鎖拉結(jié)，使其固接在建筑物頂部的混凝土柱頂部；其結(jié)構(gòu)骨架僅由厚度在8 mm～10 mm的鋼管組成?？梢娖浼婢吒呗柦Y(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)的特點：針對高聳結(jié)構(gòu)因高、輕、柔而使其具有風(fēng)敏感的特性，張相庭、蔣洪平等[4,5]做了在脈動風(fēng)壓下高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)的探討，提出了用振型分解法求解順風(fēng)風(fēng)振系數(shù)的理論，指出橫風(fēng)向振動不容忽視；針對大跨空間結(jié)構(gòu)輕、柔、小阻尼且多是超靜定結(jié)構(gòu)，風(fēng)振響應(yīng)時常常有多階振型參與，可能存在高階振型成為主導(dǎo)振型的特點，樓文娟、孫炳楠等[6-8]采用氣彈模型試驗對大跨越輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)進行了研究；但難以在前述文獻(xiàn)中找到具有與“花”形鋼相似風(fēng)荷載特性的結(jié)構(gòu)，所以本文對這種特殊結(jié)構(gòu)的安全性進行了研究。

1 數(shù)值風(fēng)洞模擬

1.1 風(fēng)向角分布和選定計算域

分別考慮有、無周圍建筑物影響的整體結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，風(fēng)向角和建筑物的相對位置見圖2。計算域見圖3，對周圍有建筑物對流干擾時取2 346 m×1 432 m×350 m(長×寬×高)；對周圍無建筑物對流場干擾時，取1 200 m×800 m×200 m(長×寬×高)。

1.2 網(wǎng)格劃分以及參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過對12個不同風(fēng)向角的模型統(tǒng)計，科技館網(wǎng)格數(shù)量大約為142 萬/個，最小網(wǎng)格尺度1 m，位于大傘裝飾結(jié)構(gòu)表面，周圍建筑表面網(wǎng)格尺度取為3.5 m，靠近大傘結(jié)構(gòu)的部分建筑表面，考慮到網(wǎng)格過渡，網(wǎng)格尺度取為2.5 m，計算流域最大網(wǎng)格尺度約69 m，位于流場出口位置附近(見圖4，圖5)。

1.3 流場分析

由圖2預(yù)測：在風(fēng)向角度270°～345°時對于周圍有建筑的情況，由于周圍空氣受到建筑物的阻擋只能從“花”形鋼結(jié)構(gòu)的周圍通過，因此對其作用有增大的趨勢。通過對流線分布圖的分析，此處僅分析315°風(fēng)向下有、無建筑物時的流線分布，可知周圍有建筑物時，周圍空氣受到建筑物的阻擋，以至其在空隙處有流線明顯加密的趨勢；對比有、無建筑物時的流線分布可見繞過“花”形鋼結(jié)構(gòu)的流體在被下部建筑遮擋時有明顯上涌的趨勢，并因此預(yù)測其有建筑物時會對“花”形結(jié)構(gòu)在順風(fēng)向和豎直方向有著不利的影響。

1.4 穩(wěn)態(tài)結(jié)果對比分析

對12個風(fēng)向角下，有、無周圍建筑物的情況，在CFX里做了穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算，得到其各個風(fēng)向角下的合力值，并做出如圖6～圖8所示的對比。

由圖6～圖8穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果可知，順風(fēng)向、橫風(fēng)向、豎直方向其周圍建筑物都會對風(fēng)場有所干擾，從而體現(xiàn)出風(fēng)對結(jié)構(gòu)物的各個方向的合力也大有不同，尤其在順風(fēng)向和豎直方向，在270°～345°風(fēng)向角度之間時，周圍有建筑物時的合力明顯高于周圍沒有建筑物時的合力，在這與上述風(fēng)場表現(xiàn)一致。

2 模態(tài)分析

分別對有建筑物和無建筑物的兩種情況下建立有限元模型，通過對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到了兩種情況下結(jié)構(gòu)的前300階振型的變化規(guī)律，圖9將第1階、第11階振型作為對比，其中A，B分別代表為周圍有、無建筑物時“花”形鋼結(jié)構(gòu)的自振模態(tài)，此處由于篇幅有限就不一一圖例。

從自振模態(tài)來看，無論有無周圍建筑物時，“花”形鋼結(jié)構(gòu)其上部懸挑邊緣都是振動活躍的位置，因此應(yīng)該重點考慮其風(fēng)荷載作用下可能會發(fā)生比較強烈的風(fēng)致振動；而改變結(jié)構(gòu)的下部構(gòu)造也有改變結(jié)構(gòu)的振型，使得參與質(zhì)量大的振型提前出現(xiàn)。

3 平均風(fēng)壓系數(shù)計算

由于此結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出典型的空間結(jié)構(gòu)特點，逐一精確統(tǒng)計每一個受風(fēng)面積的風(fēng)壓是十分困難耗時的過程，工程中常采用把某個方向的總受風(fēng)荷載均攤到建筑物總表面積的方法求出建筑物的平均風(fēng)壓系數(shù)，見表1。由于上數(shù)值風(fēng)洞計算結(jié)構(gòu)沒有考慮風(fēng)振系數(shù)的影響，所以由繞鈍體建筑物流動規(guī)律和建筑物表面風(fēng)荷載與風(fēng)壓系數(shù)的關(guān)系得[9]：

(1)

其中，Pi為i風(fēng)向角的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；μis為i風(fēng)向角的平均風(fēng)壓系數(shù)；ρ為空氣密度，這里取1.225 kg/m3；v為10 m處的平均風(fēng)速，這里取22.1 m/s；A為結(jié)構(gòu)的總表面積，這里由Rhino統(tǒng)計得有建筑物時為1 859.38 m2，無建筑物時為1 935.63 m2，上部懸挑結(jié)構(gòu)的面積為1 068.75 m2。

表1 各個風(fēng)向角下平均風(fēng)壓系數(shù)

由圖10可知，周圍建筑物的存在對結(jié)構(gòu)在270°～345°風(fēng)向角度之間的風(fēng)壓系數(shù)有很大的影響，特別是對豎直風(fēng)向的影響更大；而在周圍無建筑物時，結(jié)構(gòu)各個風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數(shù)相差不大，這與上述風(fēng)場表現(xiàn)及合力影響均一致。

4 風(fēng)振系數(shù)研究

4.1 脈動風(fēng)速時程模擬

采用譜密度不隨高度變化的Davenport譜對順風(fēng)向風(fēng)速時程進行模擬，它是Davenport根據(jù)世界上不同地點、不同高度測得的90多次強風(fēng)記錄提出的經(jīng)驗公式：

(2)

(3)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)模擬了該“花”形結(jié)構(gòu)處200 s內(nèi)的水平風(fēng)速時程，如圖11所示。

4.2 動力時程分析

建立有限元模型如圖12所示(315°風(fēng)向角)。

利用表1中各個風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)結(jié)合式(1)以及脈動風(fēng)速時程數(shù)據(jù)可以得到各個風(fēng)向角下的風(fēng)荷載時程，再把此風(fēng)荷載均攤到有限元模型的節(jié)點上，即可得到各個風(fēng)向角的節(jié)點的風(fēng)荷載時程。然后進行動力分析，并輸出響應(yīng)結(jié)果。如圖13所示，是315°風(fēng)向角，水平方向(x向)的位移時程。

4.3 風(fēng)振系數(shù)分析

對該結(jié)構(gòu)的某些比較典型的風(fēng)向角進行動力時程分析，結(jié)合式(4)和式(5)即可得到對應(yīng)風(fēng)向角的風(fēng)振系數(shù)：

(4)

(5)

由圖14可知周圍有建筑物時，在風(fēng)向角100°～200°之間有比較明顯的降低脈動風(fēng)的作用，降低風(fēng)振響應(yīng)的功能。

5 結(jié)語

1)周圍有建筑物時，在個別風(fēng)向角度會對風(fēng)場產(chǎn)生干擾：在270°～345°時干擾風(fēng)場對順風(fēng)向和豎直風(fēng)向的均勻風(fēng)壓有著明顯的加強作用，在100°～200°時對其脈動風(fēng)起到減弱的作用。

2)周圍有建筑物時，風(fēng)場受到周圍建筑的干擾，使得繞“花”形鋼結(jié)構(gòu)的渦旋脫落受到周圍建筑的控制，降低了其發(fā)生渦激共振的可能。

[1]GB50009—2012，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 顧志清，王曙光，杜東升.常州東經(jīng)120主題公園景觀塔風(fēng)場模擬及風(fēng)振分析[J].建筑科學(xué)，2011(S2):1-5.

[3] 盧占斌，魏慶鼎，王安武.龍脊風(fēng)帆模型氣動特性風(fēng)洞實驗[J].流體力學(xué)實驗與測量，2001(12):1007-3124.

[4] 蔣洪平，張相庭.變截面高聳結(jié)構(gòu)的橫向風(fēng)振研究[J].振動與沖擊，1994(5):1-9.

[5] 張相庭.在脈動風(fēng)壓下結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)的探討[J].同濟大學(xué)學(xué)報，1978(8):1-12.

[6] 樓文娟，孫炳楠，唐錦春.高聳格構(gòu)式結(jié)構(gòu)風(fēng)振數(shù)值分析及風(fēng)洞試驗[J].振動工程學(xué)報，1996，9(3):318-322.

[7] 樓文娟，孫炳楠，葉 尹.高聳塔架橫風(fēng)向動力風(fēng)效應(yīng)[J].土木工程學(xué)報，1999，32(6):61-71.

[8] 程志軍，付國宏，樓文娟,等.高聳格構(gòu)式塔架風(fēng)荷載試驗研究[J].實驗力學(xué)，2000，15(1):51-55.

[9] 黃本才，汪從軍.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M].第2版.上海:同濟大學(xué)出版社，2008:1-437.

[10] 王修瓊，崔劍鋒.Davenport譜中系數(shù)k的計算公式及其工程應(yīng)用[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2002(7):253-374.

[11]Davenport.A.G.Noteonthedistributionofthelargestvalueofarandomfunctionwithapplicationtogustloading[J].ProceedingoftheInstitutionCivilEngineers,1961,28(2):187-196.

Windloadcharacteristicsof“flower”-shapedsteeldecoration

LuoYongkunYouYao*

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610000,China)

The CFD steady state analyses of 12 wind direction angles were carried out both with the existence and absence of the surrounding buildings in a practical engineering. The comparison of the response of special-shaped spatial structure under the situation of downwind force， crosswind force， lift force， the period and vibration mode of each mode were made in this paper, obtained the influence of the surrounding buildings on the wind-induced response of the special-shaped spatial structure.

steel structure, numerical simulation, shape coefficient, wind field

1009-6825(2016)34-0042-03

2016-09-25

羅永坤(1965- )，男，碩士，副教授

游 瑤(1992- )，女，在讀碩士

TU391

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