張建勝，陶　瑾，王建東，李偉杭，吳力平

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310014；2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，浙江 杭州 310012)

多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的數(shù)值模擬研究

張建勝1，陶瑾1，王建東1，李偉杭1，吳力平2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州310014；2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，浙江 杭州 310012)

摘要：多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)是工程中常用的一種大跨空間結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素.采用CFD數(shù)值模擬方法研究其平均風(fēng)荷載特性，分析膜面初始預(yù)張力、來流風(fēng)向角和矢跨比對(duì)多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布特性的影響規(guī)律.結(jié)果表明：膜面初始預(yù)張力的大小主要影響膜面所受正風(fēng)壓區(qū)域的大小，膜面初始預(yù)張力越大，受正壓區(qū)域越大.來流風(fēng)向角會(huì)改變膜面正負(fù)極值風(fēng)壓的分布，正負(fù)極值一般出現(xiàn)在與風(fēng)向角垂直的邊緣處.不同的矢跨比會(huì)產(chǎn)生不同大小的膜面風(fēng)壓系數(shù)，但是從總體上看風(fēng)壓的分布形式是相同的.

關(guān)鍵詞：多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)；CFD數(shù)值模擬；風(fēng)壓分布；影響規(guī)律

膜結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，膜結(jié)構(gòu)建筑是21世紀(jì)最具代表性與充滿前途的建筑形式，從其產(chǎn)生至今已經(jīng)應(yīng)用到我國(guó)的許多建筑中[1].膜結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)[2]，又稱為柔性結(jié)構(gòu)[3]，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土等剛性結(jié)構(gòu)相比，兩者最大區(qū)別在于設(shè)計(jì)建造結(jié)構(gòu)時(shí)風(fēng)荷載是否作為重要的影響因素來考慮.因此對(duì)于膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布特點(diǎn)和影響因素的研究很有必要.

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，即CFD(Computational fluid dynamics)數(shù)值模擬，是在風(fēng)工程中應(yīng)用越來越多的一種利用計(jì)算機(jī)來模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)各項(xiàng)特征的方法[4].CFD數(shù)值模擬還廣泛的應(yīng)用在其他許多領(lǐng)域中，張兆鑫等[5]利用CFD數(shù)值模擬方法研究了小型風(fēng)機(jī)非扭曲葉片的氣動(dòng)性能，認(rèn)為可通過設(shè)計(jì)變量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和安裝角提高其氣動(dòng)性能；馬劍等[6]采用RNGk—ε湍流模型對(duì)建筑群周邊的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為CFD數(shù)值模擬方法能夠較好的預(yù)測(cè)建筑群周圍的風(fēng)環(huán)境狀況；譚堂州[7]對(duì)鞍形和傘形的膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)為數(shù)值模擬方法能夠較好的取代風(fēng)洞試驗(yàn).上述案例都很好地證明了CFD數(shù)值模擬的可行性.多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)作為工程中常用的一種結(jié)構(gòu)形式，其周圍的流場(chǎng)及表面的風(fēng)壓分布將更為復(fù)雜.采用基于FLUENT軟件的CFD數(shù)值模擬方法對(duì)其表面的風(fēng)壓分布規(guī)律和影響因素進(jìn)行研究，可為此種類型的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考.

1計(jì)算模型

1.1建模方法

鞍形膜結(jié)構(gòu)為曲面結(jié)構(gòu)，首先需要利用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行找形，將得出的膜結(jié)構(gòu)形狀的幾何外形提取出來，導(dǎo)入ICEM CFD中，創(chuàng)建外流場(chǎng)域，對(duì)外流域進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，對(duì)膜結(jié)構(gòu)近壁面的網(wǎng)格適當(dāng)加密，再將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件中并采用RNGk—ε湍流模型和SIMPLE分離算法完成對(duì)膜面風(fēng)壓特性的分析.

1.2模型參數(shù)

選取膜面初始預(yù)張力、風(fēng)向角和矢跨比三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析.膜面初始預(yù)張力T0分別為2，3，4 kN/m；風(fēng)向角α分別為0°，45°，90°；矢跨比f/L分別為1/4，1/8，1/12.

多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)的原型為浙江工業(yè)大學(xué)朝暉校區(qū)新教學(xué)樓西側(cè)的多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示.該膜結(jié)構(gòu)由8跨馬鞍形膜面連成一體組成，長(zhǎng)32 m，寬4 m，膜高點(diǎn)距離地面3.6 m，低點(diǎn)距離地面2.2 m(即f/L=1/8).膜面初始預(yù)張力T0=3 kN/m，張拉剛度Et=255 kN/m，泊松比γ=0.3，膜厚度t=1 mm.結(jié)構(gòu)的角點(diǎn)均固定，所有邊均為柔性索邊界.邊索的初始預(yù)張力為40 kN，索的彈性模量為150 GPa.在創(chuàng)建外流場(chǎng)域時(shí)，還需注意盡量小的影響計(jì)算模型周圍空氣的流動(dòng)狀態(tài)，故根據(jù)膜結(jié)構(gòu)的尺寸大小，計(jì)算流域尺寸取為280 m×200 m×100 m，并且膜結(jié)構(gòu)置于距離入口1/3處[8].流場(chǎng)網(wǎng)格劃分如圖3所示.

圖1　膜結(jié)構(gòu)原型Fig.1　The prototype of membrance structure

圖2　結(jié)構(gòu)原型計(jì)算模型Fig.2　The calculating model of structure

圖3　非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖Fig.3　Schematic plot of unstructured grid

1.3計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

入口邊界的風(fēng)速、湍動(dòng)能、湍流耗散率和比耗散率等條件采用自定義程序UDF進(jìn)行對(duì)接，取值與計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[9]中的算法設(shè)置.采用RNGk—ε湍流模型，使用SIMPLE分離算法，并用二階迎風(fēng)離散格式計(jì)算平均風(fēng)壓.風(fēng)壓系數(shù)的定義[10]為

(1)

2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1膜面初始預(yù)張力影響分析

在以浙江工業(yè)大學(xué)內(nèi)多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)為原型的基礎(chǔ)上，改變膜面的初始預(yù)張力，分別取為2，3，4 kN/m，0°風(fēng)向角工況下不同膜面初始預(yù)張力時(shí)多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面平均風(fēng)壓系數(shù)的模擬結(jié)果如圖4所示.

從圖4可以看出：在相同的0°風(fēng)向角下，隨著膜面初始預(yù)張力的增大，膜面受到正壓的區(qū)域逐漸增加，負(fù)壓區(qū)減小，正壓區(qū)由原來約20%增加到約80%.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)在極值正負(fù)壓處格外注意.當(dāng)膜面初始預(yù)張力由2 kN/m增加到4 kN/m時(shí)，除了在膜面高點(diǎn)處由于曲率過大而仍受負(fù)壓外，在其后曲率減緩處，由于初始預(yù)張力的增大，膜表面結(jié)構(gòu)分子間作用力加強(qiáng)，雙向受拉的膜所受到的正壓區(qū)域增多.

單跨鞍形膜結(jié)構(gòu)在T0=4 kN/m，f/L=1/8，UDF中定義參考高度為10 m處的膜結(jié)構(gòu)上下表面的風(fēng)壓系數(shù)圖[4]如圖5所示.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多跨和單跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的極值正壓和極值負(fù)壓均出現(xiàn)在膜面最高點(diǎn)及最低點(diǎn)的角點(diǎn)處，區(qū)別在于單跨鞍形膜結(jié)構(gòu)的極值風(fēng)壓的正負(fù)值均出現(xiàn)在同一邊的角點(diǎn)處，而多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)的極值風(fēng)壓正負(fù)值出現(xiàn)在對(duì)邊的角點(diǎn)處.原因可能是單跨鞍形膜結(jié)構(gòu)少了相鄰跨的影響，隨著曲率的變小又變大，風(fēng)的碰撞分離作用由強(qiáng)變?nèi)跤肿兊纳晕?qiáng)一點(diǎn)，但都在同一側(cè)，膜面風(fēng)壓的正負(fù)值不改變，僅改變大小.

2.2來流風(fēng)向角影響分析

以浙江工業(yè)大學(xué)內(nèi)多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)為模型，分別設(shè)置風(fēng)向角為0°，45°，90°，模擬結(jié)果如圖6所示.

圖6　不同風(fēng)向角多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)分布圖Fig.6　Wind pressure coefficient distribution graph of multi-span saddle membrane in different wind angle

由圖6可知：在大部分膜結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)處，上表面受負(fù)壓，下表面總是受正壓；在大部分膜結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)處，上表面受正壓，下表面受負(fù)壓.

當(dāng)風(fēng)向角為0°時(shí)，圖6(a，b)中這種差異尤其明顯.此時(shí)多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面在膜結(jié)構(gòu)的側(cè)邊，即只有結(jié)構(gòu)的最高角點(diǎn)和最低角點(diǎn)那條邊，在這條邊上，膜表面的曲率的變化相對(duì)比較大，而曲率的變化與風(fēng)向的流向既不平行也不垂直，成一定的角度，使得風(fēng)的流動(dòng)更加復(fù)雜.所以在這條短短的迎風(fēng)邊上的高低角點(diǎn)處均出現(xiàn)了極值風(fēng)壓.由圖可見上表面中結(jié)構(gòu)較高區(qū)域表現(xiàn)為負(fù)壓，低點(diǎn)附近區(qū)域?yàn)檎龎?，而下表面與上表面正好相反.在膜面的遠(yuǎn)離角點(diǎn)及邊界的地方，即膜面的相對(duì)中心處，由于膜表面曲率變化減小，風(fēng)的氣流的碰撞分離效果減小，風(fēng)壓也逐漸減小趨于穩(wěn)定和平緩.同時(shí)發(fā)現(xiàn)多跨鞍形膜面每一跨風(fēng)壓系數(shù)分布基本相同.

圖6(c，d)中，當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，此時(shí)多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面在膜結(jié)構(gòu)邊緣的角點(diǎn)，風(fēng)流動(dòng)以及碰撞分離均發(fā)生在角點(diǎn)附近.在第一跨最左邊此迎風(fēng)角點(diǎn)為最高點(diǎn)，故在其附近區(qū)域中上表面形成負(fù)壓，下表面受正壓，至于其附近的風(fēng)壓系數(shù)變化數(shù)值較大的原因，則是由于角點(diǎn)附近的膜面曲率較大，導(dǎo)致氣流間的碰撞作用強(qiáng)烈.由于是多跨，受到相鄰跨膜面的影響，在第一跨由于受到風(fēng)的正面影響形成正壓區(qū)后，在相鄰的第二跨中心處形成了負(fù)壓區(qū).而此后每?jī)煽缒っ娴娘L(fēng)壓系數(shù)分布相同.

圖6(e，f)中，當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，靠近風(fēng)一側(cè)的膜面情況和風(fēng)向角為0°時(shí)相同，隨著氣流的遠(yuǎn)離，氣流作用減弱，膜上表面的極值負(fù)壓和下表面的極值正壓也迅速減小，但是減小的幅度先快后慢，最后趨于平緩接近0.圖6(e)中，在每一跨的膜面高點(diǎn)處后方形成一片偏負(fù)壓區(qū)，而低點(diǎn)處的后方形成一片偏正壓區(qū).

綜上可以看出：風(fēng)向角主要是通過改變膜面風(fēng)壓系數(shù)的極值分布狀況進(jìn)而改變控制整個(gè)膜面的風(fēng)壓系數(shù)分布情況.膜面風(fēng)壓系數(shù)極值一般存在于與風(fēng)向角垂直接觸處的曲率大的膜面處，其后方區(qū)域風(fēng)壓系數(shù)隨著曲率的減小而減小，設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意出現(xiàn)極值風(fēng)壓的位置.

2.3矢跨比影響分析

在0°風(fēng)向角，膜面初始預(yù)張力T0=3 kN/m情況下，對(duì)矢跨比f/L=1/4，f/L=1/8，f/L=1/12工況下的多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，獲得的多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)膜面風(fēng)壓系數(shù)分布情況如圖7所示.

由圖7可知：矢跨比不改變鞍形膜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布形式，即膜面風(fēng)壓的極值風(fēng)壓均出現(xiàn)在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的角點(diǎn)處，在最高點(diǎn)的上表面出現(xiàn)極值負(fù)壓，最低點(diǎn)的上表面出現(xiàn)極值正壓，下表面正好相反，隨著曲率的減小，風(fēng)壓系數(shù)的絕對(duì)值逐漸減小.但不同矢跨比下膜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓系數(shù)大小不同.

圖7　多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)分布圖Fig.7　Wind pressure coefficient distribution graph of multi-span saddle membrane

當(dāng)矢跨比為1/4時(shí)，由于整體膜面較大的曲率，風(fēng)的碰撞分離作用強(qiáng)烈，膜表面出現(xiàn)極值風(fēng)壓的范圍較大，膜表面的風(fēng)壓系數(shù)變化梯度也較大.隨著矢跨比的減小，膜表面曲率隨之減小，多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面越來越平緩，膜面風(fēng)壓系數(shù)變化梯度遂逐漸減小，分布趨于均勻，膜表面受正壓區(qū)域變小，迎風(fēng)面邊緣的高點(diǎn)所受負(fù)壓即風(fēng)的吸力也在變小.隨著矢跨比的改變，多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)膜面迎風(fēng)面前緣處受影響較大，其余地方受影響較小，因此要特別注意迎風(fēng)面前緣的設(shè)計(jì).

3結(jié)論

數(shù)值模擬計(jì)算可以較好的反映出膜面風(fēng)壓的分布特點(diǎn)，也可以很清楚的看到在各個(gè)參數(shù)條件下膜結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律.通過改變和調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，如在軟件中模擬并改變所設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)的膜面初始預(yù)張力和矢跨比等參數(shù)，使膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定安全.膜面初始預(yù)張力主要改變多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面所受風(fēng)壓的正負(fù)，膜面初始預(yù)張力越大，膜面所受正壓區(qū)域越大.風(fēng)向角對(duì)于膜面風(fēng)壓分布的影響主要是通過改變與之垂直接觸處的迎風(fēng)面前緣角點(diǎn)處的極值風(fēng)壓，隨著曲率的減小，角點(diǎn)后方的風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值逐漸減小.矢跨比對(duì)多跨鞍形膜結(jié)構(gòu)表面迎風(fēng)面前緣處影響較大，對(duì)其余部分影響較小.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

Numerical simulation study of the wind load on multi-span saddle membrane structures

ZHANG Jiansheng1, TAO Jin1, WANG Jiandong1, LI Weihang1, WU Liping2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2. Department of Urban Construction, Hangzhou Radio & TV University, Hangzhou 310012, China)

Abstract:The multi-span saddle membrane structure is a commonly used large-span spatial structure form in engineering. The wind load is a controllable fator in the structural design. The method of CFD numerical simulation is used to study the average wind pressure characteristics and to analyze the effects of the initial pretension on the membrane surface, the wind angle, and the rise-span ratio on the wind pressure distribution characteristics of multi-span saddle membrane structures. The results show that the initial pretension on the membrane surface mainly affects the size of the positive wind pressure area on the membrane surface. The larger the initial pretension on the membrane surface is, the larger the size of the positive wind pressure area is. The wind angle will change the positive or negative extremum of the wind pressure distribution and the positive or negative extremum generally appears at the edge perpendicular to the wind angle. The wind pressure coefficient of the membrane surface is influenced by the rise-span ratio but the wind pressure distribution is, on the whole, the same.

Keywords:multi-span saddle membrane structure; CFD numerical simulation; wind pressure distribution; effect

收稿日期：2015-11-11

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2014C33031)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2014R403077)

作者簡(jiǎn)介：張建勝(1981—)，男，浙江樂清人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究，E-mail:jszhang@zjut.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TU312.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)04-0446-05