结构风荷载数值模拟研究
膜结构风荷载的数值模拟研究
膜结构风荷载的数值模拟研究一、本文概述本文旨在探讨膜结构风荷载的数值模拟研究，深入解析膜结构在风作用下的动态响应及其优化设计。
风荷载作为影响膜结构性能的关键因素之一，对其进行精确模拟和预测对于确保膜结构的安全性和稳定性具有重要意义。
本文首先将对膜结构风荷载的基本理论进行阐述，包括风荷载的形成机制、影响因素及其计算方法。
随后，将详细介绍数值模拟技术在膜结构风荷载研究中的应用，包括常用的数值模拟方法、模型建立与验证等方面。
在此基础上，本文将深入探讨膜结构风荷载数值模拟的关键技术和挑战，如流动模型的选取、边界条件的设定、湍流模拟的准确性等。
本文还将对膜结构风荷载数值模拟研究的未来发展趋势进行展望，以期为膜结构的设计、施工和维护提供理论支持和实践指导。
二、膜结构风荷载理论基础膜结构作为一种轻质、柔性的建筑结构，其风荷载特性与传统的刚性结构有很大的不同。
膜结构在风荷载作用下的响应是一个复杂的流固耦合问题，涉及空气动力学、结构力学、材料力学等多个学科领域。
因此，研究膜结构风荷载的理论基础，对于准确预测膜结构的风致响应和保证结构的安全性具有重要意义。
风荷载是指作用在建筑物或其他结构上的由风引起的力。
根据风荷载的作用方式和特性，可以将其分为静力风荷载和动力风荷载两类。
静力风荷载是指风对结构产生的平均压力或吸力，而动力风荷载则是由风的脉动性引起的结构上的周期性或非周期性变化的力。
由于膜结构具有轻质、柔性、大跨度等特点，其风荷载特性也表现出一些特殊性。
膜结构对风的敏感性较高，即使是较小的风速变化也可能引起结构的显著响应。
膜结构的风荷载分布不均，不同位置的风压差异较大，这可能导致结构的局部破坏。
膜结构的动力特性使其在风荷载作用下易产生共振现象，从而加剧结构的振动和破坏。
膜结构风荷载的计算方法主要包括经验公式法、风洞试验法和数值模拟法。
经验公式法是基于大量的风洞试验数据和现场观测数据建立的简化计算公式，适用于一般工程应用。
建筑物风荷载的数值模拟与结构响应评估
建筑物风荷载的数值模拟与结构响应评估建筑物风荷载是指建筑结构所受到的由风引起的压力和力矩。
风荷载是设计建筑物的重要参数之一，对于确保建筑结构的安全性、稳定性和耐久性具有重要意义。
为了评估建筑物的结构响应，需要进行风荷载的数值模拟和力学分析。
一、建筑物风荷载的数值模拟建筑物风荷载的数值模拟是基于风工程学原理和计算方法进行的。
主要包括以下几个步骤：1. 风速和风向场的描述：通过气象数据和数学模型，描述建筑物所在地点的风速和风向场。
常用的风速和风向模型包括Kaimal模型、Julian-Smith模型等。
2. 风荷载的计算：根据风速和风向场，采用压力系数法或力矩系数法计算建筑物所受到的风荷载。
通过与试验数据的对比和修正，获得较准确的风荷载数值。
3. 建筑物模型的建立：将建筑物划分为离散的风受体，建立建筑物的数值模型。
常用的建模方法包括网格法、面元法和质点法等。
4. 风荷载分布的计算：将风荷载作用于建筑物模型上，计算每个风受体所受到的风荷载。
可以通过有限元法或离散元法进行计算。
5. 风荷载时程的模拟：考虑风场随时间变化的特点，进行风荷载时程的模拟。
常用的方法包括随机模拟法、非平稳风场变化模拟等。
二、建筑物结构响应的评估1. 结构的动力响应：根据建筑物的动力特性，采用结构动力学原理，计算建筑物在风荷载作用下的动态响应。
常用的方法包括质点法、有限元法和离散元法等。
2. 结构的位移与应力评估：根据动力响应结果，评估结构的位移和应力状况，判断结构的安全性和稳定性。
可以采用应力-应变关系曲线和弹性正应力理论对结构进行评估。
3. 结构的破坏和损伤评估：对于承受较大风荷载的建筑物，需要评估结构的破坏和损伤情况。
通过损伤模型和破坏准则，分析结构的破坏模式和损伤程度，为结构的修复和加固提供依据。
建筑物风荷载的数值模拟与结构响应评估是建筑结构设计的关键环节之一。
通过精确的风荷载数值模拟和结构响应评估，可以为建筑物的设计与施工提供科学依据，确保建筑结构的安全可靠性。
高耸结构随机风荷载的数值模拟
安全性和可靠性 ， 因而高耸结构的风荷 栽数 值模拟 是非 常重要 的．针 对脉动风 风速 的频谱特性 和 高耸结构风 荷载的空间相关性 ， 文章提 出了一种新 的高耸结 构脉 动风荷 栽的数值 模拟 方法．脉动风 速的频谱 特性 用线性
滤波 器逼近 ， 首先通过 求解脉 动风速 自相关 系数 的 Ｔｅ ｌｚ方程得 出该滤波 器的控制参数 初步近 似值 ， ｏｐｉ ｔ 再通过
关 键 词 ：随机 风荷 载 ； 谱 特 性 ；数值 模 拟 ；高耸 结 构 频 中 图分 类 号 ： ｕ ２ １３ Ｔ １ ． 文献 标 识 码 ： Ａ
风 荷 载是 高 耸 结 构 设 计 和 计 算 中 的重 要 荷 载 ， 有 重现 概 率 大 ， 用 时 间 长 等 特 点 ， 此 结 具 作 因 构在 随 机风荷 载作 用下 的动 力 响应 分 析对 结 构 的 安 全性 、 可靠 性 、 适性 有 着 重 要 的 意 义．对 于 重 舒 要 的高 耸结 构 ， 须要 进 行 结构 模 型 的 风洞 试 验 ， 必
型 （ ｕｏＲ ｇｅｓ ｅＭ ｖ ｖｒｇ ｄ ｌ，Ａ ＭＡ） Ａ ｔ ｅｒｓｉ ｏ ｅＡ ｅａｅＭｏ ｅｓ Ｒ ｖ
风 场 的频谱 特 性 输 入 人 上 模 拟 风 荷 载 ， 行 实 验 进 和测 试．结 构模 型 的 风 洞实 验 结 果 对 于 了解 结 构
的风荷 载特 性及 结构 动力 响应 特性 具 有 可替 代 的意 义 ， 结 构 的 风 荷 载 体 型 系 数 只 能 通 过 实 验 如
关心区问内的所有频率 ， 若要提高精度 ， 就要增多
离 散点 数 ， 又 导致计 算 时间 和成本 激增 ．相 比之 这 下 ， 性滤 波器方 法具 有 计 算效 率 高 ， 可 以模 拟 线 又 所 关 心频率 区 间 的所 有 频 率 的 特 点 ， 因此 更 适 用 于随 机荷 载 的数 值 模 拟 ， 中 自 回归 滑 动 平 均 模 其
基于风洞实验和数值模拟的大跨度桥梁风荷载研究
基于风洞实验和数值模拟的大跨度桥梁风荷载研究大跨度桥梁的风荷载研究在工程领域具有重要的意义。
风荷载是指桥梁在风场中所受到的气动作用力，对桥梁的结构稳定性和安全性有着直接的影响。
为了准确评估大跨度桥梁的风荷载，通常使用风洞实验和数值模拟两种方法进行研究。
风洞实验是一种基于模型的实验方法，它可以在实验室中模拟真实的风场环境，通过测量模型所受到的风压力来评估风荷载。
风洞实验具有直观、准确的优点，可以提供大量的实验数据用于分析和研究。
然而，由于受到实验条件的限制，风洞实验往往只能对狭窄的风荷载范围进行研究，并不能完全覆盖大跨度桥梁的实际情况。
数值模拟是利用计算机模拟方法对大跨度桥梁的风荷载进行研究。
数值模拟通过对流体力学原理和计算流体力学方法的应用，可以对复杂的风场环境进行模拟，并计算桥梁结构所承受的风压力。
数值模拟不受实验条件的限制，可以对大跨度桥梁的各种风荷载情况进行研究和分析。
然而，数值模拟需要建立准确的数学模型，对边界条件和参数的选取有一定的要求，并且需要耗费大量的计算资源。
风洞实验和数值模拟相辅相成，可以互相验证和补充。
风洞实验可以提供实验数据用于数值模拟的验证和校正，同时数值模拟可以对风洞实验中无法测量到的细节进行预测和分析。
通过综合利用这两种方法，可以得到更准确、可靠的大跨度桥梁风荷载数据。
在大跨度桥梁风荷载研究中，还需要考虑桥梁的结构形式和空气动力学特性对风荷载的影响。
大跨度桥梁通常包括悬索桥、斜拉桥和梁-吊杆桥等结构形式，每种结构形式在风场中所受到的风荷载特性也有所不同。
此外，桥梁的气动特性如激振频率、气动阻尼等也会对风荷载产生影响。
因此，在进行大跨度桥梁风荷载研究时，需要综合考虑这些因素，以得到最准确的结果。
总之，大跨度桥梁风荷载的研究是一个复杂而重要的课题。
通过风洞实验和数值模拟相结合的方法，可以对大跨度桥梁的风荷载进行全面而准确的评估，为桥梁的设计和施工提供科学依据。
高墩桥梁施工期风荷载数值模拟计算
/THESIS论文100责任编辑/曹晶磊 美术编辑/王德本高墩桥梁施工期风荷载数值模拟计算刘梦捷 蒋明敏（中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050001）摘要：风荷载是桥梁设计与建造过程中的重要影响因素。
一直以来，桥梁风荷载的研究多以风洞试验为主，但是风洞试验周期长且费用高。
本文基于CFD理论，利用Gambit对胭脂河峡谷地形建模，模拟了桥址附近的风场环境，研究了主梁在不同风攻角下的风场分布规律，并计算了主梁断面静力三分力系数，为桥梁抗风分析做了参考。
关键词：高墩；风攻角；数值模拟；静力三分力系数 图1 体轴坐标系下三分力胭脂河大桥位于河北省阜平县胭脂河河谷上，地形的起伏容易使某个区域的风速增大，胭脂河桥址地区为峡谷地形，地形起伏，风环境复杂，风场受地形影响较大。
有必要模拟桥址地区的风场并分析。
桥梁在施工期，最大悬臂状态下的刚度最小，风对桥梁影响最大，故本文选取研究了桥梁施工期的最大悬臂状态。
运用Fluent软件计算胭脂河桥址地区的风场环境数值。
通过改变风攻角和得到胭脂河桥梁周围的风场特性，并计算胭脂河桥主梁断面静力三分力系数。
一、数值模拟（一）静力三分力系数三分力无量纲化就是三分力系数。
静力三分力分为阻力、升力和静力矩。
体轴坐标系下的三分力形式，如图1所示。
图1是以桥梁主梁截断面建立坐标系来定义风荷载三分力，但是在桥梁节段风洞试验时，是按照风的来流方向建立坐标系。
为了方便，需要将体轴下的静力三分力系数转换到风轴之下，如图2所示。
对比发现静力矩在两个坐标系下相同，将风轴坐标系下的三分力表示为升力、阻力和静力矩。
那么两个坐标系下的转换关系如式1所示，式中α为瞬时风攻角。
（1）三分力系数转换为单位长度的静力风荷载计算方法如下。
（1）体轴坐标系： （2a）（2b）（2c）（2）风轴坐标系： （3a） （3b）（3c）式中U为平均风速；D为主梁断面高；B为主梁断面宽；ρ为空气密度；C H 、C V 、C M 为体轴坐标系下对应的三分力系数；C D 、C L 、C M 为风轴坐标下对应的三分力系数。
高层建筑风荷载吸吹气控制的数值模拟研究
在位置方面，当吸吹气口设置在建筑物的顶部时，对风荷载的控制效果最为显 著。这主要是因为吸吹气口在顶部可以吸引来流，减少建筑物迎风面的风压， 从而降低风荷载。在尺寸方面，吸吹气口的宽度对风荷载的控制效果较为显著。 当吸吹气口宽度较小时，对风流的扰动作用较强，可以更有效地降低风荷载。 但是，当吸吹气口宽度过大时，会导致风流在建筑物表面的绕流加剧，反而增 加风荷载。因此，需要合理选择吸吹气口的宽度。
结论
本次演示基于CFD技术对建筑结构风荷载进行了数值模拟研究，探讨了不同建 筑结构和不同风速下的应力、变形、能量耗散等现象。通过与传统设计方法进 行比较，表明CFD技术在提高计算精度、优化设计方案、降低结构风险等方面 具有显著优势。然而，仍存在一定的局限性，如风场模拟的准确性、计算成本 等问题需要进一步解决。
二、高层建筑风荷载
1、风荷载定义：风荷载是空气流动对建筑物产生的压力和剪力。这种压力和 剪力的大小取决于建筑物的形状、高度、风速、风向以及与风向的相对位置。
2、风荷载类型：根据风对建筑结构的作用方式，风荷载可分为基本风压、脉 动风压和湍流风压。基本风压是指在平均风速下，垂直作用于建筑物表面的静 压力；脉动风压则是由于风速的随机变化产生的动压力；湍流风压则是由于建 筑物表面附近气流的不规则流动产生的动压力。
文献综述
高层建筑风荷载吸吹气控制的研究始于20世纪90年代，其目的是通过在建筑物 表面设置可调节的吸吹气口，控制风流的流动，以降低风荷载对建筑的影响。 根据文献综述，现有的研究主要集中在数值模拟和实验研究两个方面。
在数值模拟方面，研究者们利用计算流体动力学（CFD）方法，对高层建筑风 荷载吸吹气控制进行了大量的模拟研究。其中，Kim等（2015）通过数值模拟 方法，研究了吸吹气口的位置和尺寸对高层建筑风荷载的影响，并提出了优化 控制策略。实验研究方面，研究者们通过风洞实验和实地测试等方法，验证了 吸吹气控制在降低高层建筑风荷载方面的有效性（Wang et al., 2018）。
规则巨型框架表面风压分布数值模拟分析
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ：ｍｅ ａｆａ ｔｕ ｔ ｒ ｗｉ ｄ ｔ ｎｎ ｌｔ ｓ； ｎ ｒ ｓ ｒ ； ｍｅ ｉ ａ ｎ ｌ ｓｓ ｄｓ ｇ ｍｅｓｒ ｃ ｕ ｅ； ｎ ｕ ｅ ｅ ｔ ｗｉ ｄ ｐ ｅｓｕ ｅ ｎｕ ｒｃ ｌ ａ ｙ ｉ ｌ ａ
．
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｏｎ ｆｔ ｅ ｃ ｉ ｃ ｌｌ ａ ｎ ｅ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｉ ｓｗｉ ｄ ｌ ａ ，ｅ ｐｅ ｉ ｌｙ ｆ ｒｈ ｇ —ｉｅ ｓｒ ｔ ｒ ｔａ ｔ ｅ ｏ ｈ ｒｔ ａ ｏ ｄｓｉ ｎｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｄ ｓｇｎ ｉ ｎ ｏ ｄ ｓ ｃ ａ ｌ ｏ ｉ ｈ ｒｓ ｔｕｃｕ ｅ ｉ ｏ ｌｉｌ ｙ ｒｓｒ ｔ ｅ ｆｉ ｓ ｃ ｅ ｄ ｉ ｓｉ ｔｎｇ ｔ ｘ ｃ ｉｔｉ ｕｔｏ ｆｗｉ ｄ ｐ ｅ ｓ ｅ ｏｎ ｔ ｕ ｆ ｃ ｆ ｒ ｍｕ ｔ—ａ ｅ ｔｕｃｕｒ ．Ｉ ｔ ｕ ｃ ｅ ｎ ｅ ｔｍａｉ ｈｅ ｅ ａ ｔｄ ｓｒｂ ｉ ｎ ｏ ｎ ｒ ｓ ｕｒ ｈｅ ｓ ｒａ ｅ ｏ
第 １卷 第 ２ ９ 期
２ １ 年６ ００ 月
湖 南 城 市 学 院 学 报 ． １
Ｊ ｒ ａ ｏ Ｈｕｎ ｎ ｏｕ ｎ ｌ ｆ ａ Ｃｉｙ ｔ Ｕｎｉ ｅ ｓｔ （Ｎａ ｕ ａ Ｓ ｉ ｎｃ ｖ ｒ ｉｙ ｔ ｒ ｌ ｃ ｅ ｅ）
ＸＩ ＮＧ ｎ ＣＨＥＮ ． ｏ Ｙ ０Ｌ ． Ｂｏ ｗａｎ Ｌ Ｈ Ｕ ｉｂ ｎ ’ ｇ． Ｘ — ｉ ｇ
（１ Ｃｏ ｌｇ ｆ ｖ ｌＥ ｇｉ ｅ ｒｎ ｎ ｅ ｈ ｎ ｃ ， ｎ ｒ ｌＳ ｕ ｈ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｆＦ ｒ ｓｒ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ， ． ｌｅ ｅ ｏ ｉ ｎ ｎ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ Ｍ ｃ ａ ｉ ｓ Ｃｅ ｔａ ｏ ｔ ｉ ｅ ｓｔ ｏ ｏ ｅ ｔ ｙ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇｙ Ｃｈａ ｇ ｈ １ ０ ２ ２ Ｃｏ ｌ ｇ ｖ ｌ Ｃｉ ｙ ｎ ｓ ａ ４ ０ ８ ； ． ｌｅ ｅｏｆ Ｃｉ ｉ Ｅ ｉ ｅ ｒｎ ， ｎａ ｔ ｉ ｅ ｓｔ ， ｙ ｎ ， ｎ ｎ ４１ ０ ０， ｉ ａ） ｎｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｈｕ ｎ Ｃｉ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ Ｙｉ ａ ｇ Ｈｕ ａ ３ ０ Ｃｈ ｎ ｙ
大跨网壳屋盖风荷载的数值仿真研究
水 工 程丝
（ １ ）
流域 人 口边 界条 件 ： 选用 速度 入 口 ， 人 流 面 的法 向 风速 按式 （ ６ ） 取值 ， 切 向速 度取 零 ； 流 域 出 口边 界条 件： 选 用压 力 出 口 ， 压力 取 为 １ ． ０ １ ３ ×１ ０ Ｐ ａ； 建 筑物
表面及 地 面采用无 滑移 壁面 。
方程 。其表 达式 如下 ：
Ｏ ｐ ｋ
采 用 数 值 仿 真 方 法模 拟屋 盖结 构
＋ —
： ＝ ｌ 五
ｌ 十 【 Ｊ 十 Ｉ Ｄ ｅ
ｋ … ３ ）
周 围风场 ， 图２ 给 出 图２ 建筑物周 围风场速度矢量图
（ 下转 第 ４ ０页 ）
一
一
一
２６ 一
动量 方程 ：
Ｐ 一ｐ
确 定 地 面粗 糙 度 指 数 ＝０ ． １ ２， 离 地 面不 同高 度 处
的平 均风 速用 指数规 律描 述 ：
ｆ ３ ６ ． ４
５ ４． ７
≤ｌ ｏ ｅ ｒ
＞３ ０ ０ ｍ
（ ） 一 ｛ ［ ３ ６ ． ４ ｆ ／ １ ０ ） ｌ Ｏ ｅ ｒ ＜ ≤ ３ ０ ０ ｍ （ ６ ）
０ 前言
ａ ｐ ｅ
十
十
一
Ｏ （ ｐ ￣ ｕ ｉ ）
：
杀
Ｉ ＋ 十 譬 Ｔ Ｇ 一 ｃ 。 ２ ｓ Ｐ ｌ Ｄ （ ４ ）
网壳 屋盖属 于 薄壳结构 ， 振 型复 杂 ， 对 风荷 载作
用极 为敏 感 。考 虑 网壳屋 盖表 面 的风 荷载 直接 影响
（ ３ ） （ ４ ）网壳屋盖结构直径为 １ ２ ５ ｒ ｆ ｌ ， 高６ ３ ｎ ｌ 。计算区域
土木工程随机风场数值模拟研究的进展
土木工程随机风场数值模拟研究的进展前言土木工程是应用力学原理和材料力学理论等基础理论，通过工程技术手段，设计、建造、改造和维护各种土木工程，包括建筑物、桥梁、隧道、码头等。
而在土木工程领域中，风荷载是一种重要的载荷形式，对于工程的安全性和稳定性有着重要的影响。
因此，研究土木工程中的风荷载，尤其是随机风荷载，具有重要意义。
一、土木工程中随机风荷载的定义广义上，随机风荷载可以定义为风速在短时间内发生随机波动，所引起的土木工程物体的风力系数和风荷载系数所对应的随机振动。
这种荷载属于非定常荷载，具有随机性、不可预测性、不确定性等特点。
在土木工程设计中，准确描述和考虑这种荷载对工程的影响是至关重要的。
二、随机风荷载的数值模拟研究为研究土木工程中的随机风荷载，数值模拟研究是一种常用的手段。
数值模拟可以通过计算机模拟大气流场和风荷载，分析研究风荷载的统计特性、随机特性以及对土木工程结构的影响等。
这种研究方法具有较高的可重复性、可靠性以及工程实践意义。
1、数值模拟方法目前，常用的数值模拟方法主要有三种：直接数值模拟方法、随机对流体模拟方法和地表风场数值模拟方法。
（1）直接数值模拟方法（DNS）直接数值模拟方法是通过计算大气流场的Navier-Stokes方程，求解其粘性层和惯性层的一系列参数，着重考虑了大气流场的各种细节。
这种方法可以提供精细的风荷载和风速分布信息，但由于计算规模的限制，只适用于小范围内模拟。
（2）随机对流体模拟方法（LES）随机对流体模拟方法将大气分为小的空气单元，通过对单元的运动和相互作用进行数值模拟，可以求解出空气流场的参数，从而计算出风荷载和风速分布。
该方法既考虑了大气流场的基本特性，又考虑了流场的波动特性，适用于模拟中等尺度的大气流场。
（3）地表风场数值模拟方法（RANS）地表风场数值模拟方法是对大气流场进行平均化，将其分为两个区域：动底层和稳定层，运用现有的流动模型进行数值模拟。
该方法时间效率高，适用范围广，是工程设计中最常使用的方法之一。
数值模拟法在索膜结构风振响应研究中的应用
１ 方 法的提 出
所带来 的相似 比问题 ； 它可 以完全 控制 流体 的性 质 ， 且对 于流动 参数 的选择具有 巨大的灵 活性 ， 因而便于进行各种 方案分析 。有
Ｎ ｍｅｃ ｎ ｉｌ ｄ 大跨度空间结构 屋盖多 呈复 杂 曲面造型 ， 形式多 样 ， 且 表面 些文献 形象 地 把 这 种方 法 称 为数 值 风洞 方 法 （ ｕ ｒａ Ｗｉ Ｔ ｒ ｅ） ｕｍ １。 风荷载往往无法根据 已有资料确定 ， 现行 的荷 载规范提 供的数据
的全 过 程 信 息 。 关键词 ： 数值模 拟方法， 索膜结构 ， 风振 响应 中图 分 类 号 ： Ｕ３ １３ Ｔ １ ． 文献标识码 ： Ａ
大跨度柔性屋盖结构 的风振 响应 特点 及其分 析方 法迥 异于 以往多采用 风洞实验 的方法 ， 这种方法所需 的时间长 、 费用高 ， 通
数较少 ， 在各种冻融循 环次数 下 的螺纹 钢筋试 件 ， 与未 经受冻 融 参 考文献： 循环的情形 相 比， 载一滑移 曲线 没有 明显 的区别 ， 明钢筋 与 荷 说 【 ］ Ｂ ５ １２９ ， １ Ｇ ０ ５ —２ 混凝土结构试验方 法标 准［ ］ ｓ． 混凝土的粘结破坏过程 相似 ； 于光 圆钢筋 试件 ， 对 当冻 融循 环次 ［］ Ｂ ２５普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方 法［ ］ ２Ｇ Ｊ —， ８ Ｓ． 数超过 １ ５次时 ， 荷载一滑移曲线有明显 的变 化 ， 明钢筋 与混凝 说
维普资讯
・
７ ・ ４
第３ ３卷 第 ３ １期 ２００７年 １１月
山 西 建 筑
ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣｎ 琅 Ｅ
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ． １ １３ ３
Ｎｏ ｖ． ２ ｏ７ ｏ
高耸结构风振响应和振动控制的数值模拟
高耸结构风振响应和振动控制的数值模拟摘要：由于高耸结构高度大，刚性柔，阻尼小等特点，使得风荷载成为其控制荷载。
为了满足高耸结构的观光，通信和电力传输等需要，有必要对结构的风致振动进行控制。
以某电视塔为例，建立其三维有限元几何模型，并计算其动力特性。
基于谐波叠加法模拟的脉动风速时程样本，在时域内计算了结构顺风向的动力响应。
根据结构自身特点布置了多个调频质量阻尼器(MTMD)控制装置并进行了参数优化，同时计算了考虑结构在MTMD控制下的动力响应，最后对控制效果进行评估。
数值计算表明，采用MTMD装置可有效降低结构的动力响应。
关键词：高耸结构；风振响应；振动控制；数值模拟中图分类号：文献标识码：The Numerical Simulation of Wind-induced Vibration and The Vibration Control ofThe High-rise StructureAbstract:Because high-rise structures are commonly high and comparatively flexible with low damping,wind load is the dominant load on these structures.In order to satisfy the requirements of sightseeing, communications and power transmission,it is necessary to control the wind-induced vibration. Three-dimensional finite element model of a TV tower is established and its dynamic characteristic is calculated.Dynamic response is then computed in the time domain based on the simulated wind load time series by the harmonic superposition method.A layout of multiple tuned mass dampers(MTMD) is designed according to the feature of the structure and a parameter optimization of MTMD is performed. Then wind-induced response of the structure is studied under the control of MTMD and the control efficiency is evaluated. The results show that the response of structure is decreased under the control of MTMD.Keywords:High-rise structure; Wind-induced response; Vibration control; Numerical Simulation高耸结构是一种特殊的结构形式，具有高度高，刚度柔，阻尼小，外形细长等特点，广泛应用于广播电视、电力和通信等领域。
高层建筑风荷载的数值模拟计算
高层建筑风荷载的数值模拟计算一、高层建筑风荷载概述高层建筑由于其高度和结构特点，在设计和施工过程中，必须考虑风荷载的影响。
风荷载是指风对建筑物产生的压力和吸力，它对建筑物的稳定性和安全性具有重要影响。
随着城市化进程的加快，高层建筑日益增多，对高层建筑风荷载的研究也日益深入。
1.1 高层建筑风荷载的特点高层建筑风荷载具有以下特点：- 动态性：风荷载随时间变化，具有不确定性。
- 非线性：风荷载与风速、建筑物形状和尺寸等因素的关系复杂。
- 空间分布性：风荷载在建筑物表面的空间分布不均匀。
1.2 高层建筑风荷载的影响因素影响高层建筑风荷载的因素主要包括：- 风速：风速的高低直接影响风荷载的大小。
- 风向：不同风向对建筑物的风荷载有不同的影响。
- 建筑物形状：建筑物的形状和尺寸会影响风荷载的分布。
- 周围环境：建筑物周围的地形、建筑物等环境因素也会对风荷载产生影响。
二、高层建筑风荷载的数值模拟计算方法数值模拟计算是研究高层建筑风荷载的重要手段。
通过数值模拟，可以更准确地预测和分析风荷载对高层建筑的影响。
2.1 数值模拟计算的理论基础数值模拟计算的理论基础主要包括：- 流体力学：研究风荷载的产生机理和传播过程。
- 结构力学：分析风荷载对建筑物结构的影响。
- 概率论与数理统计：分析风荷载的不确定性和随机性。
2.2 数值模拟计算的方法常用的数值模拟计算方法有：- 有限元方法：通过离散化手段，将连续的流体域和结构域转化为有限元模型，进行数值计算。
- 计算流体动力学(CFD)：采用数值方法求解流体力学的控制方程，模拟风荷载的产生和传播过程。
- 蒙特卡洛模拟：利用随机抽样技术，模拟风荷载的不确定性和随机性。
2.3 数值模拟计算的步骤数值模拟计算的一般步骤包括：- 建立模型：根据建筑物的实际情况，建立风荷载作用下的流体域和结构域模型。
- 确定参数：确定风速、风向、建筑物形状等参数。
- 进行计算：采用数值方法进行计算，得到风荷载的分布和大小。
建筑物风荷载体型系数的数值模拟
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Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ｍｅ ｒｃ ｌｗｉ ｄ ｔ ｎ ｌ ｃ ｍ ｐ ｔ ｔ ｎ ｌｆｕ ｄ ｄ ｎ ｙｗ ｒ ｎｕ ｒｉａ ｎ ｕ ｎｅ ； ｏ ｕ ａｉ ａ ｉ ｙ ａ ｉｓ； ｅ ｓ ｒ ｓｒｂｕ ｉｎ； ｈ ｐ ｏ ｆ ｏ ｌ ｍ ｃ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｄｉｔｉ ｔｏ ｓ ａ ｅ ｃ ｅ －
结构抗风性能的数值模拟研究
结构抗风性能的数值模拟研究风是自然界中常见的一种现象，对于建筑物、桥梁、高塔等结构来说，风的作用可能会带来严重的影响。
为了确保这些结构在风荷载作用下的安全性和稳定性，对其抗风性能的研究至关重要。
数值模拟作为一种有效的研究手段，在结构抗风性能研究中发挥着重要作用。
数值模拟是基于数学模型和计算方法，通过计算机来模拟结构在风场中的响应。
与传统的风洞试验相比，数值模拟具有成本低、效率高、可重复性好等优点。
它可以在设计阶段就对结构的抗风性能进行评估和优化，为工程设计提供重要的参考依据。
在进行结构抗风性能的数值模拟时，首先需要建立合理的数学模型。
这包括对风场的模拟和对结构的建模。
风场的模拟通常采用湍流模型，如 kepsilon 模型、雷诺应力模型等，来描述风的湍流特性。
对于结构的建模，则需要根据其几何形状、材料特性和边界条件等进行精确的描述。
常见的结构有限元模型包括梁单元、壳单元和实体单元等。
数值模拟中的关键步骤之一是网格划分。
网格的质量和密度直接影响模拟结果的准确性和计算效率。
一般来说，在结构的关键部位和风场变化剧烈的区域需要采用较密的网格，而在其他区域可以适当采用较稀疏的网格。
同时，还需要选择合适的求解算法和计算参数，以保证模拟的收敛性和稳定性。
在模拟结构的风致响应时，需要考虑多种因素。
例如，风对结构的作用不仅包括平均风荷载，还包括脉动风荷载。
脉动风荷载会引起结构的振动，甚至可能导致共振现象。
因此，需要准确模拟脉动风的特性，并考虑结构的动力响应。
此外，结构的几何形状、表面粗糙度、周围环境等因素也会对风荷载产生影响，在数值模拟中都需要予以考虑。
以高层建筑为例，数值模拟可以帮助我们研究其在风荷载作用下的表面风压分布、位移响应和加速度响应等。
通过模拟不同风向角下的风荷载，可以确定结构的最不利风荷载工况，为结构设计提供依据。
同时，还可以通过模拟不同的建筑外形和结构布置，来优化结构的抗风性能，如减小风阻、降低风振响应等。
数值仿真技术在结构风工程中的应用综述
数值仿真技术在结构风工程中的应用综述【摘要】：结合结构抗风设计的任务及方法，对计算流体力学用于现代结构设计的意义及研究现状进行系统的论述，为工程技术人员熟悉了解数值仿真技术在结构抗风设计中的应用提供完整的线索。
【关键词】：数值风洞，流固耦合，湍流模型，自适应网格划分【 abstract 】 : combined with the wind-resistant design of structures task and method, the computational fluid dynamics for modern structure design of the significance and the present research situation of system, this paper for engineering and technical personnel to be familiar with numerical simulation technology in structural design of the application of the wind resistance to provide a complete clues.【 keywords 】 : numerical wind tunnel, fluid-solid coupling, turbulence model, adaptive grid partition 中图分类号：k826.16文献标识码：a 文章编号：一、前言在高层及超高层建筑的设计过程中，风荷载通常会取代地震荷载成为结构设计的主要控制荷载，这一特点在我国沿海城市的结构设计工作中尤其明显：经济发达，高层及超高层建筑林立，抗震设防烈度普遍不高，但风荷载较大，甚至需要应对台风等极端天气的影响。
因此，在高层建筑设计过程中，风荷载取值的准确性不仅关系到结构安全，同时对工程经济性指标发挥着举足轻重的控制作用。
膜结构风荷载
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架空钢结构连廊风荷载体型系数数值模拟研究
架空钢结构连廊风荷载体型系数数值模拟研究郑建建【期刊名称】《《特种结构》》【年(卷),期】2019(036)005【总页数】6页(P9-14)【关键词】连廊; 风荷栽; 体型系数; 数值模拟【作者】郑建建【作者单位】上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092; 上海水业设计工程有限公司 200092【正文语种】中文引言国内外统计资料表明，在所有自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之首[1]。
结构风荷载特性常用的研究方法有足尺模型的现场实测、风洞试验及数值模拟三种。
同济大学黄鹏等[2，3]在上海浦东实测基地建立了可调节屋面坡度的足尺实测模型对屋面风荷载进行实测研究，取得了一系列成果。
目前风洞试验是结构抗风研究的主要方法[4]。
但随着计算机技术和数值方法的迅速发展，数值模拟方法由于其周期短、费用低、参数易于设置、仪器误差和采样误差小、可以较方便地全面考虑各种因素的影响的优点，已成为测定建筑物风荷载及风环境的有效方法。
本文用Fluent数值模拟方法对钢结构连廊表面风荷载体型系数进行研究。
连廊风荷载体型系数与所连主体结构的体型、尺寸、高度及产生的遮挡效应等因素有关，其涉及固体与流体相互作用的流体动力学问题，对于形状不规则的结构，无法给出理论结果[5]。
1 工程概况市民服务中心总建筑面积约25 万m2，其中地上建筑面积16 万 m2，地下建筑面积9 万 m2，本工程地上共计8 个单体建筑，地下室为两层。
地上8个单体建筑由四个连廊相连。
在5#、6#单体左右两侧各有一个钢结构连廊与1#、2#、3#、4#单体相连，连廊与单体建筑相对位置关系如图1 所示。
图1 架空钢结构连廊位置示意Fig.1 Location diagram of steel gallery2 模型及数据处理方法数值模拟的一个主要工作是在假设流体为不可压缩粘性流体的基础上对流体连续性方程和动量方程进行离散，根据离散方式的不同主要有以下几种模拟方式：理论分析方法、直接数值解、平均N -S 方程和湍流模型方法、亚格子模型的大涡模拟方法等。
地面电站光伏组件风荷载体型系数的数值模拟研究
南省 屯昌县的数据 ，参照其邻近城 市琼中的数据 ，其重现 期
Ｒ 为 １０年的风压值 Ｗ仰－０．５５ ｋＮ／ｍ ，重现期 Ｒ 为 １００
年 的风压 值 。由于光 伏组件 的使用 寿命是 ２５年 ，根据 规
范式 Ｅ．３．４ ＝ ０＋ 。０ １０）（Ｉｎ尺／ｌｎ１Ｏ一１），换算成重现期
Ｒ＝２５年的风压值为 ｗｏ＝０．４０ ｋＮ／ｍ 。
摘 要 ：采用 ＣＦＤ数值模拟方法 ，对 地面电站光伏组件 ０。 ～１８０。共计 １３个工 况进行数值模拟 。分析光伏 组件 上下表面的风压分布 ，进而 分析 光伏组件的风荷载 体型系数 ，为光伏组件 的风荷载取值提供依 据 。通过对海南省 屯昌县 某地面电站的光伏 阵风 列风荷载体型系数的数值 模拟研 究 ，希冀为新能源建设做出一定贡献 。 关键词 ：地 面电站 ；风 荷载体 型系数 ；ＣＦＤ模拟 中 圈分类号 ：ＴＫ５１９ 文献 标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１６７４—８１４Ｘ（２０１８）０４—００３５—０４
（１）根据风 压和 风速的关系 ，按式（２）计算 ：
＝１／２ｐ Ｖｏ
（２）
式 中 ： —— 基本风速 ；
ｐ——空气密度 ， ｍ。。
根据 ＧＢ ５ＯＯＯ９—２０１ ２ Ｌ３ 第 Ｅ＿２．４条 ，可根据 所在地
的海拔高度按式 （３）近似估算 。
Ｐ ＝０．００１ ２５ ｅ一。。。。’
拟的方法是一种可靠且可行的结构风荷载数值模拟方法 。 本文将从计算流体 力学 的角度 ，以 ＣＦＤ 模拟计算软件
为研究手段 ，对海 南省 屯昌县某地面电站的光伏阵列风荷载 体型系数进行数值模拟研究 。
１ 项 目背 景
本文 选取 的项 目为海 南省 屯 昌县某 地面 电站 ，所 在地 位于海 南省 中北部 ，距 离海 口市 区约 ８５ ｋｍ ，交通 便利 ， 通信发达 。本地面 电站 光伏组件 采用 １ ５。倾角斜放方 式 ， 其最低点 到地面距 离为 ５ ３９２ ｍｍ，最高 点到地面距 离为
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实体模式）广告牌表面风压力系数 （顺风向垂直于面板观看，θ=450）
面板半高处局部流速矢量图
实体模式
组合模式
组合模式表面风压分布示例
表面A
表面B
表面C
表面D
图3.5 组合模式广告牌表面风压力系数 （顺风向垂至于面板表面观看, θ=450）
组合模式控制面板设计的风压分布
表面A
表面B
结构风荷载数值模拟研 究
2020年4月30日星期四
目录
1. CFD的应用范围 2. 计算流体动力学基本原理 3. Fluent6.0用于结构静力风荷载计算
的可行性研究 4. 独柱支承广告牌的风荷载 5. 高层开洞建筑测压风洞试验及CFD数值模拟 6. 高层开洞建筑静力风荷载的影响参数分析 7. 两高层建筑间静力风致干扰效应研究
N-S方程：
雷诺时均运动方程
将湍流场看成是平均运动场和脉动运动场的叠加 ： 雷诺平均运动的连续性方程和运动方程：
雷诺应力输运方程及其模式化
完整的雷诺应力输运方程
上述各项依次为：对流、湍流扩散、分子扩散、压力 产生、浮力产生、压力应变、粘性耗散和系统旋转产生项
近 壁 面 分 区
壁面函数法(左)和近壁面模式化法(右)
CFD数值模拟的特点
1. CFD所依赖的控制方程在数学上为一组偏微分方 程；几乎只能通过数值方法得到工程实际问题的 解答。
2. 计算一般必须湍流模型。 1. 3. 数值计算特点： （1）计算节点和单元数量巨大。 （2）必须采用迭代算法求解。 （3）求解方法与问题的具体特点密切相关。 4. CFD的应用还仅限于对流场平均特性的描述。
来流湍流特性通过直接给定湍动能和湍流耗散率值的方式给出 ：
风场模拟中，我国现行规范还没有明确的湍流度要求 ，B、C和D类地貌的湍流强度分别采用澳大利亚规范中第2 、3和4类地貌的。
第三章 Fluent6.0计算静力风荷载的可行性
3.1 Fluent6.0简介
Fluent6.0是美国Fluent.Inc公司推出的大型计算流体动力 学(CFD)商业软件,是全球市场份额最大的CFD商业软件 。
CFD应用举例
1. 1997年Selvam等采用LES对得克萨斯科学研究建筑进 行了数值分析研究，分析采用了三种不同的来流条件 ，结果表明对平均值的预测与实测结果均吻合较好， 但对峰值压力，只有根据实测数据生成脉动来流条件 的数值模拟结果与实测吻合较好。
2. 1999年吴江航等采用CFX5.3(RSM模型)模拟了厦门国 际银行大厦有相邻高层建筑物影响情况下的风压，得 到了与实测在一定程度上较为相符的数值结果。
澳大利亚规范各类地貌下的湍流度近似曲线
根据相关资料给出的湍流度数据表对第1、2、3和 4类地貌数据回归，分别得到了下述表达式：
Z为所论点距底面的高度。 上述回归中的R2 依次为0.9655、0.9784、0.9953和0.9946 。
来流边界条件
入口来流条件：以具有代表性的地貌类别对应的大气 边界层流为来流条件进行计算。模型化后风剖面(模型比 1:S)的表达式为：
3.3立方体和柱体CFD计算
大气边界层流条件下，柱体正面压力系数沿高度变化明显 ；而侧面和背面变化相对比较缓慢，压力分布比较均匀。在数 值上，两者在正面和背面上吻合较好；在顶面上，Baines的结 果未能反映出屋面前缘因漩涡生成和脱落引起的较大风吸力现 象，Fluent则捕捉到了这一现象；对于侧面，试验值大于计算 值。
采用有限体积法，为保证计算过程的数值稳定性，离散化 处理控制方程时采用一阶迎风格式。考虑壁面存在对流场的影 响，对于所研究的具有逆压梯度和回流现象的流场问题，利用 非平衡壁面函数来修正RSM，以使RSM适用于近壁面区域 。
监测12个RSM下的控制方程迭代残余量和广告牌多个表面 的压力系数变化，当所有控制方程的相对迭代残余量均小于 5x10-4且同时监测得到的表面压力系数基本不发生变化时，认为 所得流场进入了稳态。
第一章 CFD的应用范围
计算流体动力学在建筑工程中的应用主要涉及以下几个方面：
1、建筑防火： 规范依据：标准火条件，结构的真实耐火极限与约束条件、
荷载、空间位置及实际火灾特性等有关。火场模拟、大跨结构）
2、建筑灭火： 涉及热、烟的输运和扩散，燃烧化学反应过程等，多相流问
题；工程中用于优化灭火喷头的设计，以便产生灭火效果较好的 水雾。
开洞建筑工程实例
日本NEC大厦
台湾高雄银行
新加坡IBM大厦
南斯拉夫贝尔格莱德 Genex Tower
风工程简史
1. 1889年Gustafu Eiffel是将假设的风荷载作用于结构上。 2. 二十世纪初，空气动力学得以创立。 3. 1940年塔科马窄桥(Tacoma Narrow Bridge) 事件。 4. 六十年代中期，出现了模拟大气边界层气流的结构风工
非平衡壁面函数
壁面函数法中，粘性影响内区不采用网格进行分辨、而 是在壁面和充分发展湍流区之间引入半经验的壁面函数来建 立联系。
非平衡壁面函数的主要出发点是：(1)采用Launder和 Spalding提出的平均速度对数律强烈依赖于压力梯度；(2)双 层模式思想被用于近壁面湍流动能相关量的计算。
在平均流场和湍流具有较大梯度和变化的复杂流场(包含 分离、再附和冲击等现象)中，非平衡壁面函数可以给出更好 的数值模拟结果。
独立墙体的风压系数取值，各国规范建议值不尽相同 ，在一些情况下存在较大的差异。早期根据均匀流场情况 下的试验结果给出的CP如表3-2所示
对于b/c=∞的平板，CP计算平均值为与表3-2吻合较好的 2.02。文献93针对两个实际墙体(b/h分别为10和18)进行 了实测研究，测点沿竖向分别布置在距墙体端部5h和9h 处，实测得到的CP平均值为1.581。文献93采用Phoenix 软件(κ－ε模型)计算得到的CP为1.59；本文Fluent6.0 (κ－ε和RSM模型)得到的结果分别为1.57和1.612。
壁面和出口边界条件及网格划分示意
计算域出口条件：湍流充分发展，流场任意物理量沿出口 法向的梯度为零， 即：
计算域壁面(针对风洞)及研究对象表面：无滑移 ；
右图为本章方柱体 (1:1:8)计算域利用对称 性以后的网格划分示意 图(仅示出计算域对称面 和底面上的网格)。
3.2 独立墙体和悬空讯号牌
对b/h不是很大的独立墙体和与地 面间隙较大的悬空广告牌，Fluent结果 与试验结果吻合较好。b/h较大时， Fluent结果显示的平均压力系数CP随b/h 的变化趋势与该文献试验结果恰好相 反。在最不利来流方向角下，墙体端 部总体平均最大风压系数Fluent计算值 为3.0, 与实测得到的结果吻合较好。
3、采暖与通风 4、建筑风环境设计：峡谷效应对行人的影响等。 5、结构所受风荷载分析与研究
1、空气无时不与我们同在，空气的流动就是我们通常所 说的风。风对处于其中的结构均存在荷载作用。对于超高层 建筑，风载效应可达总效应的50％以上。
2、风工程的研究方法包括现场实测、实验室模拟(主要 是风洞模拟)和理论分析（包括数值计算）。当前主要的研究 手段仍为实验室模拟 。
三块面板组成的 独柱支承广告牌
4.1 平行面板组成的独柱支承广告牌
广告牌示意
实 体 模 式 计 算 结 果
θ=00情况取半边区域进行计算，利用了对称性；CPA 、CPB分别为表面A、B上的平均压力系数，CMT为风载所致 绕面板中心竖轴的扭矩系数。
实体模式控制面板设计的风压分布
迎风面（表面A ）
雷诺应力方程模型(RSM)的特点
(1) 较为通用，计算量大。是最为复杂的经典湍流模型 。 (2)可以考虑雷诺应力方向性的影响。 (3)模型本身只适用于流场核心区，必须引入壁面函数 以使RSM在近壁面区域具有适用性（非平衡壁面函数 Non equilibrium wall functions)。
数值求解技术及收敛标准
Fluent结果与文献26的试验结果吻合较好，说明 Fluent6.0 完全可以用于高层建筑静风荷载干扰效应的分析研究。
本章小结
1.只有当控制方程的迭代残余量少于指定值，且所研究 对象各表面的压力系数基本不发生变化时，才可认为流场进 入了稳态。
2.现有的一些风洞试验结果间还存在不一致的地方，还 有待进一步进行研究或验证。
相关文献和CFD计算表明，在侧面上，来流侧的风吸力系 数应该大于另一侧的，由此可以推断：Baines在报告试验结果 时，可能将侧面风压分布中的来流方向标反了.
大量试验得到的无限长方柱体的阻力系数为2.0左 右。R.Frankie, W.Rodi采用RSM模型(应用了壁面函数) 得到平均阻力系数为2.15。 采用LES方法，文献95得到 的平均阻力系数只有1.65左右。
程专用风洞。 5. 1974年，the Journal of Wind Engineering创刊。 6. 1975年成立“国际风工程协会”(International Association
for Wind Engineering，简称IAWE) 。 7. 第8届ICWE (1991)上几篇CFD论文得以入选论文集。 8. 国内对风工程的研究起步相对较晚。
Fluent6.0按非稳态问题计算得到的长时段后的阻力 系数在1.60~1.92之间变化，平均值1.76, 较试验值偏低 。这一方面说明了无限长方柱体绕流问题的复杂性，另 一方面也暗示采用相同的方法，具体的算法和网格等因 素也会对最终计算结果产生影响。
两建筑风致干扰效应算例
1.施扰和受扰模型尺寸均为 100x100x600mm, 风洞断面1.8x1.8m ，B类地貌。 2. IFm定义为受干扰后的基底覆力矩 与未受干扰的倾覆力矩之比。
组合模式 广告牌表面风压力系数 （顺风向垂至于面板表面观看,θ=500）
3. 目前已有科学工作者开始用CFD研究风—结构相互作 用问题，Tetsuro Tamura等对几何形状相对简单的柱体 气动弹性行为进行了CFD研究，成功地再现了柱体各 种振动和失稳现象(结构本身简化为用弹性元件支承的 刚体)。