屋盖静力风荷载的数值模拟研究

屋盖静力风荷载的数值模拟研究

1大跨度复合屋盖结构风荷载模拟研究上海旗忠森林体育城的网球场中心是一个旋转的开放钢屋顶。屋顶由八瓣大型开组合屋顶（或叶片）组成，像上海花和白玉兰。屋盖向内悬挑长度61.5m,屋盖最大平面直径123m,水平投影38000m2,檐口高度34.8m。“花瓣”单片结构自重200多吨,外形长71m,宽46m,高7m,坐落在重1800多吨的环梁上。环梁与每单片屋面之间设置三条导轨和机械传动装置来完成开合。此种“花瓣”旋转的开合屋盖形式国际上也不多见。开合形式的屋盖是一种新型的建筑结构形式,近几年得到了很大的发展,现已成为现代体育建筑的主要发展趋势之一。对于大跨度开合屋盖,其最不利状态可能是完全开启或完全闭合状态,也有可能是中间的某个状态,所以工况较多,风荷载分析显得更为重要且比较复杂,我国对此类结构的风荷载研究较少,国内外相关的参考资料也很少。到目前为止,国内外对大跨度屋盖的抗风研究,大多基于风洞试验结果的分析与研究,也有一些通过数值模拟的手段。Borri通过风洞试验研究了罗马奥林匹克体育场环状屋盖上不同测点的功率谱;JimingXie进行了一座大悬挑体育场的气动弹性模型风洞试验,通过测得的加速度响应获得了各个模态的惯性力;在开合屋盖研究方面,Irwin和Wardlaw对蒙特利尔奥林匹克运动场进行了弹性模型风洞试验,得到了平均风速、湍流密度以及功率谱,并对附加质量影响进行了研究;在数值风洞模拟方面,齐辉等对益阳体育场大悬挑屋盖平均风压风布进行了数值模拟,同时给出了附近风流场的规律性。本文首先对上海旗忠体育城网球中心开合屋盖结构进行了平均风压的数值模拟,得到了屋盖上平均风压的数值模拟结果,并与风洞试验结果进行了比较。本文还在数值风洞模拟以及计算出静力风荷载和动力风荷载基础上,运用ANSYS有限元平台,重点分析了屋盖一个叶片导轨支撑点处在不同开合状态、不同风向下支反力变化的规律性,具有参考价值;所给出导轨上四个支撑点处在不同状态下的支反力和最不利工况,可为导轨抗风设计提供依据。2打开地板的平均风压和动力风负荷2.1湍流物理模型及数值模型由于屋盖的开合过程有许多状态,经与设计单位商定,建模时考虑有代表性的全闭合(0°)、半开启(15°、30°)和完全开启(45°)共四种状态或工况。数值风洞模拟模型由国际领先的计算流体动力学软件CFX5完成,选用两阶的SST剪切应力输运湍流物理模型,按原型尺度建模,数值模型见图1(开启15°状态)。数值风洞入口按B类地面粗糙度类别设置风剖面,平均风速10m以下为v0=29.67m/s,10m以上为v(z)=v0×(z/10)0.16;湍流强度参考国外有关资料输入,即5m以下为I0=0.23,5m以上为I(z)=0.094×(z/350)-0.21,这里z为离地高度;入口处的平均风剖面与风洞试验一致。出口设置相对静止压力为0.0(Pa)。建筑物壁面以及地面设置为无滑移的光滑壁面,数值风洞的侧面和顶面设置为自由滑移壁面。2.2风压值的平均模拟与风洞试验结果的比较2.2.1表吸力试验由于篇幅的原因,本文仅给出屋盖在15°开启状态、0°风向时的结果,其上表面整体平均风压的等高线分布如图3所示,其中正号代表压力(指向表面),负号代表吸力(离开表面),单位为Pa,风向规定如图2所示。从图3中的结果可以看出:(1)屋盖绝大部分区域为负压,少数部位出现正压。由于每一个屋盖叶片由六个小面组成,叶片大体中部高,周边界低,因此明显迎着风向的小面为正压。(2)平均风压等高线比较密集的地方位于六个小面交界线附近,其压力最大值和最小值都在这些区域。其中正压(压力)最大值为981Pa,负压(吸力)的最小值达到了-1856Pa,但分布的区域很小,一般分布在屋盖叶片两顶点的脊背交接线附近。2.2.2叶片升力值对比本开合屋盖结构的各个叶片是通过沿轨道滑行进行开合状态的变化,屋盖叶片在各个开合状态下的升力值是结构设计者关心的一个重要参数。通过数值风洞模拟,我们得到了屋盖在不同开合状态下叶片各个区以及整个叶片的总升力值,并将叶片总升力值与风洞试验相应结果进行比较。下面给出图2中布置有风洞试验测点的一个叶片在0°风向时的升力值,见表1。升力值为负号表示向上的吸力,叶片上表面A、B、C、D、E、F六个区的位置及编号亦见图2。从表1中可以看出,叶片A区、B区、F区的升力值在全闭合状态下最大,E区的升力值在屋盖开启15°的状态下最大,C区、D区和屋盖下表面的最大升力值为完全开启(45°)状态。就整个叶片来讲,在0°风向下、屋盖完全开启(45°)时的升力值最大。由表1中的数值模拟与风洞试验升力值比较看出,除屋盖开启45°(数值模拟方法大21%)外,其余三种状态的差别不超过10%,数值模拟与风洞试验结果基本一致。2.3脉动风压自谱按屋盖风激随机振动方法,对屋盖四种开合状态进行了风激动力响应分析,屋盖风激动力响应和各点等效静力风荷载的计算原理和方法见文献。该文屋盖的风激动力响应方法在频域中进行,屋盖面上的脉动风压自谱按文献刚性模型风洞试验时间历程结果分析归纳得到,而得到相干函数则比较困难,选用文献建议的屋盖经验公式,本处过程略。对于图4中八个节点0°风向时的风振系数(结果未列出),z方向上最小值为1.01,最大值为1.87;x、y方向的最小与最大值分别为1.19、2.99和1.21、2.99。说明动力风占有相当比例,动力风的影响不可忽视。3列车原料的安装上海旗忠体育城网球中心控制开合屋盖的系统由我国第一次独立设计,难度较大,其中设计承受开合屋盖的导轨很关键。这里主要给出屋盖静、动风载共同作用下导轨支撑点的支反力。下面同样取图2中布置有风洞实验测点一个叶片中的导轨进行说明,其导轨图和支撑点见图5。屋盖一个叶片主要是通过三条导轨进行开合的,其中固定在屋盖叶片上有两条导轨,第三条导轨固定在环梁上,叶片上的两条导轨通过支撑点3和支撑点4与下面的环梁接触,随着机车的运动,支撑点3和支撑点4的位置也在变化。由于导轨机车有可能有水平方向的松动,所以考虑这两支撑点仅在z方向上有约束。固定在环梁上的导轨,通过支撑点2与叶片连接,支撑点2的位置是固定的,为x、y、z三个方向的约束。支撑1点为转轴点,为x、y两个方向的水平约束。由于屋盖的整个开启过程历时1～5分钟,在轨道抗风设计方面,不仅仅只是静力荷载作用,还有动力荷载的作用,即要求轨道在静力风荷载和动力风荷载共同作用下要具有足够高的安全可靠性。这里屋盖静、动力风荷载取第2节所述方法的结果,在得到屋盖叶片各节点静、动力风荷载基础上,本文将静动总荷载施加到叶片各节点上,运用ANSYS有限元平台,可获得叶片四个支撑点处在不同的风向和不同的屋盖开合状态下的支撑反力(随后简称为支反力),同时还可得出叶片支撑点处的支反力随不同开合状态、不同风向的变化规律以及支反力的最不利工况。3.1各支点支反力对比在开合的过程中,由于支撑点3和4的位置是变化的,在屋盖表面风力作用下,各支撑点处的支反力会发生很大的变化;虽然支撑点1和2的位置是固定的,但在不同开合状态下,屋盖表面的风力是不同的,各支撑点处的支反力也不一样。静、动力总风荷载作用下各支撑点处支反力结果见图6～图8。图中考虑了有代表性的0°、15°、90°、180°和270°五个风向,图中横坐标轴上的1、2、3、4分别代表屋盖闭合、屋盖开启15°、30°、45°四种开合状态(注:支反力规定与坐标轴方向一致时为正值,不一致时为负值)。从图6～图8可以得到:(1)各个支撑点支反力的最大值分别为:支撑点1处x、y两方向的最大支反力为-88897N和74483N,分别在屋盖开启45°状态180°风向和屋盖全闭合、270°风向;支撑点2处x、y、z三个方向的最大支反力为251400N、177600N和445853N,分别在屋盖开启45°、180°风向及0°风向和屋盖全闭合、90°风向;支撑点3、4处z方向的支反力最大值为546374N、516542N,分别在屋盖开启45°、90°风向和屋盖开启15°、90°风向。这些结果可作为轨道结构抗风设计的依据。(2)从上述支反力最大值看出,除支撑点4处z方向支反力外,其最大值都出现在屋盖全闭合和全开启这两种状态,说明轨道结构抗风设计主要由屋盖全闭合和全开启这两种状态控制。(3)支撑点1支反力,0°和15°风向下随屋盖开启角度的增大变化不是很明显,其它一般的趋势是减小的,其中180°风向下的x向支反力由正向负值几乎呈直线急剧减少。(4)支撑点2处的x、y方向上的支反力值随屋盖开启角度增大而增加,z方向上的支反力则随开启角度的增大而减小较快,其中90°风向下由正向负值变化。(5)支撑点3处z方向上的支反力随开启角度的加大而增加,且由负值向正值变化;支撑点4处z方向支反力随开启角度的加大规律性不明显,有的减少(0°、15°风向)、有的增大再减少(90°风向)、有的变化平缓(180°、270°风向)。3.2支撑部分支反力下面我们换一种方式,给出在同一开合状态下不同风向对支反力的影响。其静动总风荷载下各支撑点的支反力随不同风向的变化曲线见图9～图11。图中横坐标轴上1、2、3、4、5分别代表0°、15°、90°、180°和270°五个风向。由图9～图11可以看出:(1)不同支撑点处的支反力一般随风向的变化具有不同值,尤其是随风向角度变化而部分支反力的正、负值发生了变化,例如支撑点1屋盖开启15°y向的支反力、开启30°x、y向支反力、开启45°x向支反力;支撑点2屋盖开启45°z向支反力;支撑点3屋盖开启15°和开启30°的z向支反力。(2)最大支反力值一般出现在90°、270°和180°风向。4静力风载试验结果(1)本文在分析上海旗忠体育城网球中心开合屋盖静动力风荷载的基础上,重点研究了屋盖导轨在风载下的支反力,给出了支反力的大小和变化规律;(2)用数值风洞方法模拟了屋盖静力风载,将屋盖叶片平均风升力值与风洞试验方法结果进行了比较,两者