膜结构是一种新型结构, 被广泛百富策略白菜网于大跨度建筑结构和小品建筑, 具有重量轻、造型丰富, 跨度大等优点。膜结构依靠张拉后的几何刚度承受外部荷载, 具有轻柔的特点, 对地震力有良好的适应性, 而对风荷载十分敏感。目前风荷载的计算规范[1]中, 只给出规整体型结构的风压系数, 通常都是刚性计算的结果, 而没有考虑到柔性结构与风荷载的流固耦合作用。膜结构在风荷载的作用下会产生较大的变形和振动, 这种振动通常会影响周围风场的分布进而影响结构表面的风压分布情况, 也就是流固耦合的情况。目前复杂膜结构的风压系数通常通过风洞试验获得。但风洞试验通常周期长、费用高, 对于实际风场的模拟也有局限之处。计算流体力学[2,3,4]是解决结构与流体耦合作用的一个良好方法。本文利用ADINA软件[5,6]进行了某地铁站台膜结构的流固耦合模拟, 并进行了平均风压分布系数的计算。

如图1所示为上海市某地铁站站台钢膜平面图和正立面图。总长163.7m, 宽22m。屋盖上部覆盖膜材。

为了保证研究工作的价值, 所分析的结构均采用实际的形状和尺寸, 其杆件也均按实际设计满足强度和刚度要求选定。本文所有的结构计算均通过钢结构专业计算软件3D3S10.0提取杆件信息, 然后导入ADINA软件中进行建模计算。

结构形状如图2所示, 结构上部所覆盖的膜材, 弹性模量为E=8×108N·m-2, 泊松比μ=0.3, 厚度1mm。钢架部分Q235B钢材的弹性模量为E=2.07×1011N·m-2, 密度ρ=7 850kg·m-3, 泊松比μ=0.3。有限元模型中膜结构部分采用4节点2d-solid单元[7], 杆件采用2节点beam单元, 膜材采用3D平面应力单元进行离散。结构部分节点总数为9 061, 单元总数为11 736。膜材覆盖面定义为流体-结构耦合面。

分别建立0°和45°风向角时的流场模型。根据结构尺寸, 风向角为0°时计算流域取2 470m×420m×120m, 膜结构部分前缘距离流域入口处110m, 后缘距离流域出口处300m。流场计算模型的网格节点数为768 616, 单元数为735 560, 结构附近网格进行局部加密 (图3) 。风向角为45°时计算流域取1 965m×628m×120m, 膜结构部分最前端距离流域入口处160.8m, 最后端距离流域出口处335.89m。流场计算模型的网格节点数为768 616, 单元数为735 560, 结构附近网格进行局部加密 (图4) 。

上海市为B类地貌, 平均风速剖面为υ=υ10 (z/10) α[3], 其中z为各点离地面高度;υ和υ10分别为高度z和参考高度10m处对应的平均风速, υ10=30m·s-1;α为地面粗糙度指数, 取α=0.16[8]。湍流模型采用k-ε模型[9], 参数见表1和表2。流体域采用8节点6面体FCBI-C流体单元进行离散。计算模型中假定空气为粘性不可压缩流体, 质量密度取为1.29kg·m-3, 粘度μ取为1.74×10-5kg/ (m·s) 。

风压分布系数通过下式进行计算:

Cp i=Pi/(0.5/ρ υ210) (1)Cpi=Ρi/(0.5/ρυ102)(1)

式中:Pi为点i处的压力;12ρυ21012ρυ102为10m处的来流风压。根据记录的数据进行数理统计分析, 可以获得各个测点上的平均风压系数[10]。

整个膜面的风压分布系数等值线图 (两头部分因形状不规则, 仅给出数值) 见图5所示。

图6～图7给出了建议风压分布系数 (如局部地区数值小于规范系数, 按照规范取值) 。

0°风向角时, 由于膜结构形状的影响, 迎风区最前端受风压力作用, 屋盖膜结构其他部分都受到风吸力作用, 背风区大部分区域风吸力均较大, 边缘处风吸力略有减小。风吸力最大的区域为膜中部谷底处。

整个膜面的风压分布系数等值线图 (两头部分因形状不规则, 仅给出数值) 如图8所示。

图9给出了建议风压分布系数 (如局部地区数值小于规范系数, 按照规范取值) 。

45°风向角时, 屋盖膜结构左下端迎风前缘受到风压力作用, 但屋盖其它部分均受到风吸力作用。风压力最大值比0°风向角时有所增大, 但风吸力值小于0°风向角时。

本文采用ADINA有限元软件对某地铁站台膜结构进行流体-结构耦合平均风压系数数值模拟计算, 得出了结构的各方面的特征, 从而得出了屋面的平均风压分布系数, 可见采用ADINA有限元软件进行流体-结构耦合风致动力响应数值模拟对实际风工程的研究和设计具有一定的指导意义。