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高层建筑结构风荷载数值模拟研究

作　者: 曲文超
导　师: 于敬海
学　校: 天津大学
专　业: 结构工程
关键词: 高层建筑 风荷载 数值模拟 干扰效应
分类号: TU312.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着经济的发展、技术的进步和城市建设中考虑节约用地的需要,高层建筑得到了很大的发展。高层建筑结构由于其高、柔的特点,风荷载的影响更加突出。实际工程中分析风荷载的作用时,风洞试验的方法应用较多。但风洞试验存在实验周期长、费用高、缩尺效应等问题。随着计算机容量和运算速度的提高,数值模拟的优越性逐渐显示出来,并成为研究的热点。但目前风荷载数值模拟方法的实际应用技术仍然不十分成熟,在实际工程中的应用不多。因此对高层建筑风荷载的数值模拟方法进行系统的研究具有重要的工程实用价值。本文首先在总结前人成果的基础上,以雷诺平均纳维-斯托克斯方程为基础,推导了常用的二方程湍流物理模型的基本方程。并简要阐述了数值模拟基本求解过程、方程的离散、数值解法和边界条件的设置。建立了数值模拟的流体计算域模型和结构模型,分别进行了单体建筑和干扰效应的静、动力风荷载数值模拟。将模拟结果与文献中风洞试验的结果进行对比,验证了数模模拟的准确性和可靠性。同时结合风洞试验结果对两种常用湍流物理模型:SST k-ω模型和RNG k-ε模型的模拟效果进行了对比分析,分析表明对于本文中的模拟情况RNG k-ε模型的模拟效果更好。在此基础上采用RNG k-ε模型对单体建筑进行了风荷载瞬态分析,详细分析了流场和结构响应随时间的变化情况,分析表明结构的最大动力响应大于静力响应。最后以两个相邻建筑为例进行风荷载干扰效应的静、动力风荷载数值模拟。研究发现干扰效应情况下流场气流分离、旋涡脱落等较单体模拟有很大变化,从而引起建筑表面风荷载的大小和脉动情况产生较大变化,进一步引起结构响应的显著改变。干扰效应下结构的最大响应要明显大于单体模拟的结果。模拟结果及分析对高层建筑结构的抗风研究与设计有较高的参考价值。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-21
  1.1 引言  7-8
  1.2 近地风及其特性  8-14
    1.2.1 近地风  8-9
    1.2.2 平均风速剖面  9-11
    1.2.3 脉动风的湍流特性  11-14
  1.3 结构风荷载及其研究现状  14-20
    1.3.1 风对结构的作用  14-16
    1.3.2 高层建筑结构风荷载的研究方法  16-19
    1.3.3 数值模拟的研究现状  19-20
  1.4 本文研究的主要内容  20-21
第二章 风荷载数值模拟的理论基础  21-37
  2.1 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程  21-23
    2.1.1 流体力学基本方程  21-22
    2.1.2 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程  22-23
  2.2 雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程  23-24
  2.3 湍流物理模型  24-34
    2.3.1 布辛内斯克（Boussinesq）湍流粘度模型  24-29
    2.3.2 近壁区的处理  29-32
    2.3.3 雷诺应力方程模型  32-33
    2.3.4 大旋涡模拟  33-34
  2.4 求解  34-37
    2.4.1 CFD 的求解过程  34
    2.4.2 控制方程的离散  34-36
    2.4.3 数值计算方法  36-37
第三章 高层建筑结构风荷载数值模拟  37-44
  3.1 流体计算域及网格划分  37-38
  3.2 边界条件  38-40
  3.3 湍流物理模型  40
  3.4 结构模型  40-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章 单体建筑风荷载数值模拟结果分析  44-60
  4.1 静力风荷载数值模拟  44-52
    4.1.1 流场  44-46
    4.1.2 体型系数  46-49
    4.1.3 局部风力系数  49-50
    4.1.4 结构响应  50-52
  4.2 动力风荷载数值模拟  52-59
    4.2.1 流场  52-54
    4.2.2 结构响应  54-57
    4.2.3 风振系数  57-59
  4.3 本章小结  59-60
第五章 干扰效应风荷载数值模拟结果分析  60-73
  5.1 静力风荷载数值模拟  60-66
    5.1.1 流场  60-62
    5.1.2 体型系数  62-64
    5.1.3 局部风力系数  64
    5.1.4 结构响应  64-66
  5.2 动力风荷载数值模拟  66-72
    5.2.1 流场  66-68
    5.2.2 结构响应  68-70
    5.2.3 风振系数  70-71
    5.2.4 相互干扰增大系数  71-72
  5.3 本章小结  72-73
第六章 结论与展望  73-75
  6.1 结论  73-74
  6.2 对进一步研究的展望  74-75
参考文献  75-79
发表论文和参加科研情况说明  79-80
致谢  80

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 结构理论、计算 > 结构荷载与结构承载力 > 结构荷载分析
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