張華彤

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院 河北邯鄲 056038）

0 前言

由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)能夠在不增加墻柱的情況下提供大跨度空間，為公共建筑提供了更加廣闊的公共區(qū)域，因此，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在體育館等大型公共建筑中頗受青睞。近年來，CFD數(shù)值模擬在抗風(fēng)研究中逐漸推廣，CFD數(shù)值模擬中利用流體計算軟件模擬風(fēng)場中的實際情況，節(jié)約了風(fēng)洞試驗產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本和時間成本，便于對多個結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)場模擬。

1 常用參數(shù)及分析方法

1.1 常用參數(shù)

風(fēng)壓分布模擬中通常通過風(fēng)壓系數(shù)表示網(wǎng)殼表面風(fēng)壓分布情況，計算公式如下：

其中：Cpi-平均風(fēng)壓系數(shù)；pi-表面測點風(fēng)壓；p∞-結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)前方上游參考點風(fēng)壓；ρ-空氣密度；v-參考高度處平均風(fēng)速。

1.2 分析方法與流程

CFD模擬分析的基本流程主要包括確定計算域及建立模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件、計算求解。本文CFD模擬中設(shè)流場中結(jié)果為剛性模型，分析中有以下幾點需要注意：

（1）為保證結(jié)構(gòu)周圍空氣流動的需要，流場計算域中阻塞率小于3%。由于建筑背風(fēng)面空氣會產(chǎn)生較長的尾流，通常將模型置于流場前部1/3處。

（2）化分網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)應(yīng)介于0～1之間，越接近1質(zhì)量越好，不允許出現(xiàn)負(fù)值。

（3）流場中邊界條件的設(shè)定，本文設(shè)流場入口邊界條件為風(fēng)速入口，利用UDF文件根據(jù)隨高度變化的指數(shù)風(fēng)剖面設(shè)置風(fēng)速條件，取天津塘沽地區(qū)10m高處平均風(fēng)速v=30m/s，地面粗糙度為C類，地面粗糙度指數(shù) α=0.22。

2 單層球面網(wǎng)殼表面風(fēng)壓分布

2.1 網(wǎng)殼表面風(fēng)壓分布模擬

對三個不同尺寸網(wǎng)殼進(jìn)行模擬，得到網(wǎng)殼表面風(fēng)壓并計算表面平均風(fēng)壓系數(shù)。跨度90m，矢跨比1/3的網(wǎng)殼計算結(jié)果如圖1所示?？缍?0m，矢跨比1/6網(wǎng)殼計算結(jié)果如圖2所示?？缍?0m，矢跨比1/6網(wǎng)殼的計算結(jié)果如圖3所示。

2.2 風(fēng)壓模擬結(jié)果分析

由圖1～圖3數(shù)據(jù)可知，網(wǎng)殼在風(fēng)荷載作用下受力最大的不利區(qū)域位于網(wǎng)殼頂部。在網(wǎng)殼矢跨比及網(wǎng)殼跨度變化的情況下，網(wǎng)殼表面風(fēng)壓分布發(fā)生改變。

圖1 跨度90m矢跨比1/3網(wǎng)殼

圖2 跨度90m矢跨比1/6網(wǎng)殼

圖3 跨度30m矢跨比1/6網(wǎng)殼

對比跨度為90m，矢跨比分別為1/3和1/6的單層球面網(wǎng)殼的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，跨度相同矢跨比減小時，作用在網(wǎng)殼表面的風(fēng)吸力和風(fēng)壓力同時減小，網(wǎng)殼頂部危險區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)由-1.2變?yōu)?0.9，但網(wǎng)殼表面負(fù)風(fēng)壓分布區(qū)域增大，當(dāng)網(wǎng)殼矢跨比較小時網(wǎng)殼表面以負(fù)壓區(qū)為主。對比矢跨比同樣為1/6，跨度分別為90m和30m的單層球面網(wǎng)殼計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)殼表面基本為負(fù)壓區(qū)，可見矢跨比相同的情況下網(wǎng)殼表面風(fēng)壓變化規(guī)律基本相同。當(dāng)網(wǎng)殼跨度減小時，網(wǎng)殼表面風(fēng)壓略有減小。

3 結(jié)論

本文通過分析主要得出以下幾點結(jié)論：

（1）風(fēng)荷載作用下，單層球面網(wǎng)殼受力最大的最不利區(qū)域位于網(wǎng)殼頂部，在實際工程中對網(wǎng)殼進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)重視網(wǎng)殼頂部的受力情況。

（2）改變網(wǎng)殼跨度、矢跨比時網(wǎng)殼風(fēng)壓分布發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)網(wǎng)殼具體跨度和矢跨比進(jìn)行受力分析。