典型体型膜结构风荷载的CFD数值模拟分析

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膜结构作为一种新颖的结构体系,具有跨度大、自重轻、柔性大、体型复杂等特点,对风荷载十分敏感,风荷载往往是这类结构的控制荷载。如何准确预测这类结构的整体与局部风压对结构设计至关重要。在进行结构设计的过程中,由于受到现实技术条件的限制,往往得不到准确的风荷载值。因此,设计人员只能根据经验对风荷载做出估算,以作为设计依据。这样做可能带来以下后果:一是对风荷载估计不足或者是对某些特殊的地方没有引起足够的重视,从而导致结构安全性不强,尤其是局部存在破坏的危险;二是把风荷载估计的过大,设计偏于保守,将会导致经济上的浪费。  本文首先总结对比了风荷载数值模拟的经典理论,并结合实际选取了适合膜结构风荷载数值模拟的方法。利用FLUENT软件,本文采用CFD数值模拟的方法,选用SST剪切应力模型,对相对简单的长方体体型进行了数值模拟计算,对比风洞试验数据,得到了较为吻合的结果,并总结出CFD数值模拟可行的建模和参数设置方法。  然后,本文选取了三种工程中应用较多的典型体型单片膜结构,包括鞍形、伞形及倒伞形膜结构形式,采用CFD数值模拟的方法,采用FLUENT软件对膜结构表面各区域风压分布进行了分析研究。本文还考虑了多片膜的组合形式,选取了鞍形高低膜组合结构、伞形和倒伞形排列组合结构进行CFD模拟,并对各区域风压系数进行分析对比研究。  为了更标准的分析风压系数分布情况,本文对各种膜结构及其组合形式按照不同风向角进行了标准化区域划分,结合数值模拟结果,给出了不同体型膜结构表面各个区域风压系数分布等压线。并且,文中对各种体型膜结构给出了标准化区域下的风压系数取值建议,从而可以为结构设计中的风荷载取值提供参考。同时,对具有相似体型的膜结构及其组合,本文进行了风压系数分布的比较分析,得到了一些风压分布的规律。  另外,本文运用同样方法对两种较为复杂体型的膜结构形式进行了分析,简单总结了体育场罩棚膜和复杂鞍形组合膜的风场特性。  本文的研究成果可为膜结构设计中风荷载合理取值提供有益参考。
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