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大跨度空间钢桁架罩棚的抗风数值研究

作　者: 赵晓娜
导　师: 袁政强
学　校: 重庆大学
专　业: 土木工程
关键词: 数值风洞风压分布系数频域法参振模态数目位移风振系数
分类号: TU312.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着经济的发展、科技的进步，大跨度空间结构发展迅速，新型结构体系不断涌现，建筑造型层出不穷。大跨度空间结构的力学性能良好，且建筑造型优美，因而得到了越来越广泛的应用，随着人们对大空间的需求，结构的跨度越来越大，再加上轻质材料的加盟，风荷载对结构的影响较为突出，因而常常成为设计的控制荷载。相对于高层建筑结构，大跨度空间结构的抗风设计理论和方法仍处于探讨阶段，因此，有必要利用现有的手段对大跨度空间结构的风荷载特性进行细致的研究，并探寻可用于分析结构风振响应的高效计算方法。本文以重庆市某体育场为工程背景，建立了有限元模型，数值风洞模拟在FLUENT软件平台上进行，并结合风洞实验结果，分析了体育场罩棚结构平均风压系数的分布特征；基于频域法，在不同风向角下，利用软件ANSYS对结构进行风致振动分析，本文主要完成的工作包括：①结合重庆市某体育场的风洞实验情况，首先介绍了风洞实验设备及大气边界层模拟的技术要点，然后介绍了建筑模型上压力测试方法以及风环境测试要点，并给出了实验数据的处理方法。②基于计算流体动力学（CFD）理论，在FLUENT中采用RNGk模型，对重庆市某体育场进行了平均风的数值模拟，通过和风洞实验结果进行比较，基本一致，验证了数值风洞模拟的可行性和精确性。③进行了不同风向角下的数值模拟，结果表明，在所有风向角下，屋面绝大部分都是负压分布，迎风区域的体育场屋面最高处的负风压是最大的，最大位置随风向角的变化而变化，通过对比风洞实验数据，进一步认识了开敞大悬挑结构的平均风压分布特性。④建立体育场结构的有限元模型，采用有限元方法分析这种大跨悬挑结构的自振特性，分析了不同风向角下，结构的平均风致响应，讨论了体育场罩棚结构竖向位移的分布规律。⑤考虑不同参振模态数对结构竖向位移均方差的影响，给出了参振模态数目的合理取值，基于频域法，采用ANSYS对结构进行了不同风向角下的随机振动（PSD）分析，得到了结构位移风振系数，总结了结构风振响应的特点。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-17
  1.1 课题背景  9-12
  1.2 相关领域的研究现状  12-15
    1.2.1 大跨度屋盖结构的风压分布特性研究  12-14
    1.2.2 大跨度屋盖结构的风致振动分析  14-15
  1.3 本文研究的目的和意义  15
  1.4 本文主要研究内容  15-17
2 风洞实验  17-25
  2.1 引言  17
  2.2 风洞实验设备  17-19
    2.2.1 风速测量系统  18-19
    2.2.2 风压测量系统  19
  2.3 实验概况  19-22
    2.3.1 实验流场模拟  19-20
    2.3.2 实验模型和测点布置  20-21
    2.3.3 实验工况  21-22
  2.4 数据处理  22-23
    2.4.1 建筑物表面的风压计算依据  22
    2.4.2 建筑物外表面压力计算方法  22-23
  2.5 实验结果分析  23-24
  2.6 本章小结  24-25
3 体育场罩棚结构的平均风数值模拟  25-43
  3.1 湍流的基本方程  25-27
    3.1.1 质量守恒方程  25-26
    3.1.2 动量守恒方程  26
    3.1.3 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程  26-27
  3.2 湍流模型  27-32
    3.2.1 直接数值模拟（DNS）  27-28
    3.2.2 大涡模拟（LES）  28-29
    3.2.3 雷诺平均方程（RANS）  29-32
  3.3 计算区域及控制方程的离散  32-34
    3.3.1 计算区域的离散  32-33
    3.3.2 控制方程的离散  33-34
  3.4 数值模拟的边界条件  34-35
    3.4.1 速度入口  34
    3.4.2 压力出口  34-35
    3.4.3 固壁边界  35
  3.5 体育场数值风洞分析  35-41
    3.5.1 工程概况  35-36
    3.5.2 建模计算  36-38
    3.5.3 数值模拟与风洞实验对比  38-41
    3.5.4 开敞悬挑体育场罩棚的平均风压系数分布  41
  3.6 本章小结  41-43
4 结构自振特性及平均风响应  43-53
  4.1 结构自振特性的影响  43-46
    4.1.1 理论概述  43
    4.1.2 模型概况  43
    4.1.3 自振特性求解  43-46
  4.2 平均风荷载响应计算  46-51
  4.3 本章小结  51-53
5 结构风振响应的频域分析  53-67
  5.1 随机振动理论简介  53-56
    5.1.1 结构随机反应计算理论  53-54
    5.1.2 随机振动分析在 ANSYS 中的实现  54-55
    5.1.3 风力功率谱密度函数  55-56
  5.2 罩棚风振响应的随机振动分析  56-65
    5.2.1 参振模态数量的影响  56-58
    5.2.2 不同风向角下的 PSD 分析  58-62
    5.2.3 位移风振系数计算及分析  62-65
  5.3 本章小结  65-67
6 结论和展望  67-71
  6.1 结论  67-68
  6.2 研究存在的不足及后续工作展望  68-71
致谢  71-73
参考文献  73-77
附录  77
  A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  77

大跨度空间钢桁架罩棚的抗风数值研究

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