大跨度结构因其具有独特的造型、超大空间和功能多样性等优势,已广泛百富策略白菜网在现代建筑结构设计中[1].目前,很多大跨度空间结构建筑成为了现代结构技术发展的里程碑,并成了各地具有标志性的人文景观,是近几十年来发展最快的结构类型之一[2].膜建筑是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是21世纪最具代表性与充满前途的建筑物.近年来,沿海地区的经济水平迅速提高,城市化建设的速度非常快,各类型建筑物都得到广泛百富策略白菜网.然而,在这些地区,台风所带来的危害(如人员伤亡数量、经济损失等)不容忽视,损失程度也在逐年增加.为达到防灾减灾的目的,大量研究人员采用现场实测、风洞试验及CFD数值模拟等方法来研究大跨度结构在风荷载作用下的特性.至今,针对建筑结构领域关于风荷载特性的研究,主要以风洞实验或实测资料为基础,再辅助以CFD数值模拟的方法[3].在膜结构中,单跨膜结构的相关研究相对较多,而针对多跨和大跨度的相对较少.本文基于FLUENT分析软件,采用RNGk-ε 湍流模型,使用SIMPLE分离算法,分析浙江工业大学朝晖校区新教楼西侧大跨度(多跨)膜结构的表面风压特性,并与部分实测数据进行校核和比对分析.

当前常用的数值模拟方法是由标准k-ε湍流模型来封闭求解Reynolds时均方程.该模型具有计算量小,收敛较快等优点[4],但是有时也会出现失真和结果偏差较大的情况[5,6].Yakhot与Orzag[7]提出的RNGk-ε模型基于RNG分析,即N-S方程的重正化群组分析,此方法在控制方程中较好地规避了小尺度运动,在大尺度运动中对粘度项进行了修正,得到关于湍动能k和湍动耗散率ε的输运方程,详见公式(1)和(2).

式中:

RNGk-ε模型考虑到了平均流动中的旋流流动和旋转情况,对湍流粘度进行了修正,故与标准k-ε模型相比,RNGk-ε 模型更适合处理有弯曲流线流动时的情况[8].考虑到膜结构是弯曲的膜面,且跨度较大,故建模时选用了RNGk-ε 模型.

浙江工业大学朝晖校区新教楼西侧的膜结构由8跨马鞍形膜面组成,全长32m,宽4m,膜低点距地面2.2m,高点3.6m,实物照片如图1所示.结构的简化计算模型如图2所示.为检验计算结果,对该膜结构做了现场实测试验,获得部分实测数据,进行了分析与比对.

柔性的膜结构因其结构组成材料本身不具备受压能力,没有结构抗力用以抵抗外部荷载特性,因此只能通过使膜或者加强索获得必要的张力刚度来形成结构抗力,具体可以通过施加预应力的方法来实现[9].

建模时,首先在ANSYS中完成对膜结构的找形,确定膜结构的形状,然后将所得形状提取到ICEM CFD软件中,接着建立流域及划分网格,最后导入FLUENT中进行模拟计算.

结构计算模型如图2所示.已知膜面初始预张力为T0=3kN/m,张拉刚度Et=255kN/m,泊松比γ=0.3,膜厚度t=1mm.假设结构的角点均固定,所有边均为柔性索边界.边索的初始预张力为40kN,索的弹性模量为150GPa.为了尽量消除流域的设置对模型附近空气流动状态的影响,根据膜结构的尺寸大小,计算流域尺寸最终选取为280m×200m×100m,并将膜结构置于距离入口1/3处[10].流场网格划分如图3所示.

建模时,入口边界的风速、湍动能、湍流耗散率和比耗散率等条件采用自定义程序UDF进行对接.取值与计算公式按参考文献[11]中的算法来设置.出口边界条件为压力出口,流场顶部和两侧为对称壁面,建筑物表面和流域地面均为无滑移的壁面条件.采用RNG k-ε湍流模型,使用SIMPLE分离算法,并用二阶迎风离散格式来计算平均风压值.风压系数的定义为[12]:

式中,Cpi为i测点位置上的风压系数,v?为参考高度(UDF中定义为10m)处的平均风速,wi为i测点位置上的净风压力.

现场实测仪器主要有81000型三维超声风速仪、CY2000F多通道风压数据采集仪、数据采集器、风压传感器和空心导气电缆等.

大风来临前,在浙江工业大学新教楼旁的多跨鞍形膜结构上布置若干个风压传感器,并在膜结构顶部安装风速仪,再将各传感器连接到数据采集仪系统,用于监测膜结构在大风(台风)时的风速和风压实时数据.

图4为部分风压传感器布置图与风速仪的位置图(采集仪与采集器都放在膜结构下方).

结合实物与计算模型图(图2),当y=0时,x=0为高点,x=4为低点,x=8为高点,x=12为低点,依次循环.而在y=4上则反向循环.

图5为膜结构膜面平均风压系数等值线图.可以看出,膜低点处压力为正压,高点处压力为负压;从膜低点到膜高点的变化,体现了正压逐渐变成负压的过程,在膜中间处压力趋于零.一般而言,膜低点为迎风面,高点为背风面(即膜面的迎风面受正压,而背风面受负压),较大的负压均出现在膜面的最高点处.

图6给出了在y=2处(即膜的横向中心线处)上下表面的平均风压系数.可以看出,在中心处,平均风压系数接近零,膜面中心处大多受负压,而上下表面的受压情况基本一致.

图7是在x=16处膜面上下表面平均风压系数的对比图.可以看出,由于x=16不是在膜面的中心处,而是在从膜的最高点到最低点的轴线上(即图2中从y=0到y=4方向),所以膜面上下表面的风压呈对称状分布.在上表面,高处为背风面、受负压,低处为迎风面、受正压力;在下表面,高处为迎风面、受正压,低处为背风面、受正压.而上下表面的膜的中心处风压系数均接近零,这和图4结果完全一致.

为了检验数值模拟的可行性及准确性,在该膜结构做了实测试验.试验在膜面上随机选取9个风压测点,分别布置在x=16、x=18 和x=20 竖线上,每处布置3个测点,用于校核理论值.膜面风压数值模拟结果与实测对比结果见图8.

图8中(a)、(b)、(c)图分别是在x=16,x=18,x=20时,由实测和数值模拟测得的风压系数对比图.图中横坐标为测点的位置,即膜面上的y值.测点0、1、2、3、4分别表示距离y=0坐标轴距离为0、1、2、3、4的距离,纵坐标为平均风压系数值.由图可知:在x=20时,实测各测点的数值与该点的数值模拟值接近,离散性较小,由此可以初步验证数值模拟的合理性.结合所有数值模拟和实测的结果,数值模拟计算得到的各表面风压系数分布情况与实测数据算出的平均风压系数总体上吻合良好.

(1)针对大跨度(多跨)膜结构,可以采用数值模拟方法来预测膜面风压的分布情况.该方法结合实测数据,将为今后相关的抗风设计工程提供依据.

(2)数值模拟结果和实测结果吻合良好.数值模拟表明:最大正压出现在迎风面距离高点1/4处,风压系数为0.04;最大负压出现在背风面距离低点1/4处,风压系数约为-0.12,最大正压与实测相吻合(最大负压虽然与实测有偏差,但是考虑到测点布置的局限性,和观察实测结果与数值模拟的整体走向趋势相同,认为在可接受的范围内);与部分实测值相比,数值模拟结果有偏大的迹象,但考虑到k-ε模型的局限性,还有现场实测的地点在学校、膜结构南边有图书馆、北边有一幢14层的教学楼,会影响风场,这些都会影响数值模拟的结果.

(3)数值模拟结果显示:在膜面的背风面处存在较大区域的负压,整体膜面也基本处于小负压状态,与实测的结果一致.

(4)与刚性结构不同,膜结构作为柔性结构,风与结构的相互作用不可忽略,但是在数值模拟中考虑这种流固耦合比较复杂,加上此多跨膜结构周围有建筑和树木等影响,因此还需要进一步优化.同时,由于现场实测条件的限制,风压测点无法布置在整个膜面上,目前只选取了部分安装方便的测点进行校核和比对,没有选取膜中心处的测点,将在今后的试验中给予扩充.