屋蓋靜力風(fēng)荷載的數(shù)值模擬研究

屋蓋靜力風(fēng)荷載的數(shù)值模擬研究

1大跨度復(fù)合屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載模擬研究上海旗忠森林體育城的網(wǎng)球場(chǎng)中心是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的開放鋼屋頂。屋頂由八瓣大型開組合屋頂（或葉片）組成，像上?；ê桶子裉m。屋蓋向內(nèi)懸挑長度61.5m,屋蓋最大平面直徑123m,水平投影38000m2,檐口高度34.8m?！盎ò辍眴纹Y(jié)構(gòu)自重200多噸,外形長71m,寬46m,高7m,坐落在重1800多噸的環(huán)梁上。環(huán)梁與每單片屋面之間設(shè)置三條導(dǎo)軌和機(jī)械傳動(dòng)裝置來完成開合。此種“花瓣”旋轉(zhuǎn)的開合屋蓋形式國際上也不多見。開合形式的屋蓋是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式,近幾年得到了很大的發(fā)展,現(xiàn)已成為現(xiàn)代體育建筑的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。對(duì)于大跨度開合屋蓋,其最不利狀態(tài)可能是完全開啟或完全閉合狀態(tài),也有可能是中間的某個(gè)狀態(tài),所以工況較多,風(fēng)荷載分析顯得更為重要且比較復(fù)雜,我國對(duì)此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載研究較少,國內(nèi)外相關(guān)的參考資料也很少。到目前為止,國內(nèi)外對(duì)大跨度屋蓋的抗風(fēng)研究,大多基于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的分析與研究,也有一些通過數(shù)值模擬的手段。Borri通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了羅馬奧林匹克體育場(chǎng)環(huán)狀屋蓋上不同測(cè)點(diǎn)的功率譜;JimingXie進(jìn)行了一座大懸挑體育場(chǎng)的氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn),通過測(cè)得的加速度響應(yīng)獲得了各個(gè)模態(tài)的慣性力;在開合屋蓋研究方面,Irwin和Wardlaw對(duì)蒙特利爾奧林匹克運(yùn)動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行了彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn),得到了平均風(fēng)速、湍流密度以及功率譜,并對(duì)附加質(zhì)量影響進(jìn)行了研究;在數(shù)值風(fēng)洞模擬方面,齊輝等對(duì)益陽體育場(chǎng)大懸挑屋蓋平均風(fēng)壓風(fēng)布進(jìn)行了數(shù)值模擬,同時(shí)給出了附近風(fēng)流場(chǎng)的規(guī)律性。本文首先對(duì)上海旗忠體育城網(wǎng)球中心開合屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平均風(fēng)壓的數(shù)值模擬,得到了屋蓋上平均風(fēng)壓的數(shù)值模擬結(jié)果,并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。本文還在數(shù)值風(fēng)洞模擬以及計(jì)算出靜力風(fēng)荷載和動(dòng)力風(fēng)荷載基礎(chǔ)上,運(yùn)用ANSYS有限元平臺(tái),重點(diǎn)分析了屋蓋一個(gè)葉片導(dǎo)軌支撐點(diǎn)處在不同開合狀態(tài)、不同風(fēng)向下支反力變化的規(guī)律性,具有參考價(jià)值;所給出導(dǎo)軌上四個(gè)支撐點(diǎn)處在不同狀態(tài)下的支反力和最不利工況,可為導(dǎo)軌抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2打開地板的平均風(fēng)壓和動(dòng)力風(fēng)負(fù)荷2.1湍流物理模型及數(shù)值模型由于屋蓋的開合過程有許多狀態(tài),經(jīng)與設(shè)計(jì)單位商定,建模時(shí)考慮有代表性的全閉合(0°)、半開啟(15°、30°)和完全開啟(45°)共四種狀態(tài)或工況。數(shù)值風(fēng)洞模擬模型由國際領(lǐng)先的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX5完成,選用兩階的SST剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流物理模型,按原型尺度建模,數(shù)值模型見圖1(開啟15°狀態(tài))。數(shù)值風(fēng)洞入口按B類地面粗糙度類別設(shè)置風(fēng)剖面,平均風(fēng)速10m以下為v0=29.67m/s,10m以上為v(z)=v0×(z/10)0.16;湍流強(qiáng)度參考國外有關(guān)資料輸入,即5m以下為I0=0.23,5m以上為I(z)=0.094×(z/350)-0.21,這里z為離地高度;入口處的平均風(fēng)剖面與風(fēng)洞試驗(yàn)一致。出口設(shè)置相對(duì)靜止壓力為0.0(Pa)。建筑物壁面以及地面設(shè)置為無滑移的光滑壁面,數(shù)值風(fēng)洞的側(cè)面和頂面設(shè)置為自由滑移壁面。2.2風(fēng)壓值的平均模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的比較2.2.1表吸力試驗(yàn)由于篇幅的原因,本文僅給出屋蓋在15°開啟狀態(tài)、0°風(fēng)向時(shí)的結(jié)果,其上表面整體平均風(fēng)壓的等高線分布如圖3所示,其中正號(hào)代表壓力(指向表面),負(fù)號(hào)代表吸力(離開表面),單位為Pa,風(fēng)向規(guī)定如圖2所示。從圖3中的結(jié)果可以看出:(1)屋蓋絕大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)壓,少數(shù)部位出現(xiàn)正壓。由于每一個(gè)屋蓋葉片由六個(gè)小面組成,葉片大體中部高,周邊界低,因此明顯迎著風(fēng)向的小面為正壓。(2)平均風(fēng)壓等高線比較密集的地方位于六個(gè)小面交界線附近,其壓力最大值和最小值都在這些區(qū)域。其中正壓(壓力)最大值為981Pa,負(fù)壓(吸力)的最小值達(dá)到了-1856Pa,但分布的區(qū)域很小,一般分布在屋蓋葉片兩頂點(diǎn)的脊背交接線附近。2.2.2葉片升力值對(duì)比本開合屋蓋結(jié)構(gòu)的各個(gè)葉片是通過沿軌道滑行進(jìn)行開合狀態(tài)的變化,屋蓋葉片在各個(gè)開合狀態(tài)下的升力值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者關(guān)心的一個(gè)重要參數(shù)。通過數(shù)值風(fēng)洞模擬,我們得到了屋蓋在不同開合狀態(tài)下葉片各個(gè)區(qū)以及整個(gè)葉片的總升力值,并將葉片總升力值與風(fēng)洞試驗(yàn)相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較。下面給出圖2中布置有風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的一個(gè)葉片在0°風(fēng)向時(shí)的升力值,見表1。升力值為負(fù)號(hào)表示向上的吸力,葉片上表面A、B、C、D、E、F六個(gè)區(qū)的位置及編號(hào)亦見圖2。從表1中可以看出,葉片A區(qū)、B區(qū)、F區(qū)的升力值在全閉合狀態(tài)下最大,E區(qū)的升力值在屋蓋開啟15°的狀態(tài)下最大,C區(qū)、D區(qū)和屋蓋下表面的最大升力值為完全開啟(45°)狀態(tài)。就整個(gè)葉片來講,在0°風(fēng)向下、屋蓋完全開啟(45°)時(shí)的升力值最大。由表1中的數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)升力值比較看出,除屋蓋開啟45°(數(shù)值模擬方法大21%)外,其余三種狀態(tài)的差別不超過10%,數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致。2.3脈動(dòng)風(fēng)壓自譜按屋蓋風(fēng)激隨機(jī)振動(dòng)方法,對(duì)屋蓋四種開合狀態(tài)進(jìn)行了風(fēng)激動(dòng)力響應(yīng)分析,屋蓋風(fēng)激動(dòng)力響應(yīng)和各點(diǎn)等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算原理和方法見文獻(xiàn)。該文屋蓋的風(fēng)激動(dòng)力響應(yīng)方法在頻域中進(jìn)行,屋蓋面上的脈動(dòng)風(fēng)壓自譜按文獻(xiàn)剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間歷程結(jié)果分析歸納得到,而得到相干函數(shù)則比較困難,選用文獻(xiàn)建議的屋蓋經(jīng)驗(yàn)公式,本處過程略。對(duì)于圖4中八個(gè)節(jié)點(diǎn)0°風(fēng)向時(shí)的風(fēng)振系數(shù)(結(jié)果未列出),z方向上最小值為1.01,最大值為1.87;x、y方向的最小與最大值分別為1.19、2.99和1.21、2.99。說明動(dòng)力風(fēng)占有相當(dāng)比例,動(dòng)力風(fēng)的影響不可忽視。3列車原料的安裝上海旗忠體育城網(wǎng)球中心控制開合屋蓋的系統(tǒng)由我國第一次獨(dú)立設(shè)計(jì),難度較大,其中設(shè)計(jì)承受開合屋蓋的導(dǎo)軌很關(guān)鍵。這里主要給出屋蓋靜、動(dòng)風(fēng)載共同作用下導(dǎo)軌支撐點(diǎn)的支反力。下面同樣取圖2中布置有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)一個(gè)葉片中的導(dǎo)軌進(jìn)行說明,其導(dǎo)軌圖和支撐點(diǎn)見圖5。屋蓋一個(gè)葉片主要是通過三條導(dǎo)軌進(jìn)行開合的,其中固定在屋蓋葉片上有兩條導(dǎo)軌,第三條導(dǎo)軌固定在環(huán)梁上,葉片上的兩條導(dǎo)軌通過支撐點(diǎn)3和支撐點(diǎn)4與下面的環(huán)梁接觸,隨著機(jī)車的運(yùn)動(dòng),支撐點(diǎn)3和支撐點(diǎn)4的位置也在變化。由于導(dǎo)軌機(jī)車有可能有水平方向的松動(dòng),所以考慮這兩支撐點(diǎn)僅在z方向上有約束。固定在環(huán)梁上的導(dǎo)軌,通過支撐點(diǎn)2與葉片連接,支撐點(diǎn)2的位置是固定的,為x、y、z三個(gè)方向的約束。支撐1點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸點(diǎn),為x、y兩個(gè)方向的水平約束。由于屋蓋的整個(gè)開啟過程歷時(shí)1～5分鐘,在軌道抗風(fēng)設(shè)計(jì)方面,不僅僅只是靜力荷載作用,還有動(dòng)力荷載的作用,即要求軌道在靜力風(fēng)荷載和動(dòng)力風(fēng)荷載共同作用下要具有足夠高的安全可靠性。這里屋蓋靜、動(dòng)力風(fēng)荷載取第2節(jié)所述方法的結(jié)果,在得到屋蓋葉片各節(jié)點(diǎn)靜、動(dòng)力風(fēng)荷載基礎(chǔ)上,本文將靜動(dòng)總荷載施加到葉片各節(jié)點(diǎn)上,運(yùn)用ANSYS有限元平臺(tái),可獲得葉片四個(gè)支撐點(diǎn)處在不同的風(fēng)向和不同的屋蓋開合狀態(tài)下的支撐反力(隨后簡(jiǎn)稱為支反力),同時(shí)還可得出葉片支撐點(diǎn)處的支反力隨不同開合狀態(tài)、不同風(fēng)向的變化規(guī)律以及支反力的最不利工況。3.1各支點(diǎn)支反力對(duì)比在開合的過程中,由于支撐點(diǎn)3和4的位置是變化的,在屋蓋表面風(fēng)力作用下,各支撐點(diǎn)處的支反力會(huì)發(fā)生很大的變化;雖然支撐點(diǎn)1和2的位置是固定的,但在不同開合狀態(tài)下,屋蓋表面的風(fēng)力是不同的,各支撐點(diǎn)處的支反力也不一樣。靜、動(dòng)力總風(fēng)荷載作用下各支撐點(diǎn)處支反力結(jié)果見圖6～圖8。圖中考慮了有代表性的0°、15°、90°、180°和270°五個(gè)風(fēng)向,圖中橫坐標(biāo)軸上的1、2、3、4分別代表屋蓋閉合、屋蓋開啟15°、30°、45°四種開合狀態(tài)(注:支反力規(guī)定與坐標(biāo)軸方向一致時(shí)為正值,不一致時(shí)為負(fù)值)。從圖6～圖8可以得到:(1)各個(gè)支撐點(diǎn)支反力的最大值分別為:支撐點(diǎn)1處x、y兩方向的最大支反力為-88897N和74483N,分別在屋蓋開啟45°狀態(tài)180°風(fēng)向和屋蓋全閉合、270°風(fēng)向;支撐點(diǎn)2處x、y、z三個(gè)方向的最大支反力為251400N、177600N和445853N,分別在屋蓋開啟45°、180°風(fēng)向及0°風(fēng)向和屋蓋全閉合、90°風(fēng)向;支撐點(diǎn)3、4處z方向的支反力最大值為546374N、516542N,分別在屋蓋開啟45°、90°風(fēng)向和屋蓋開啟15°、90°風(fēng)向。這些結(jié)果可作為軌道結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。(2)從上述支反力最大值看出,除支撐點(diǎn)4處z方向支反力外,其最大值都出現(xiàn)在屋蓋全閉合和全開啟這兩種狀態(tài),說明軌道結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要由屋蓋全閉合和全開啟這兩種狀態(tài)控制。(3)支撐點(diǎn)1支反力,0°和15°風(fēng)向下隨屋蓋開啟角度的增大變化不是很明顯,其它一般的趨勢(shì)是減小的,其中180°風(fēng)向下的x向支反力由正向負(fù)值幾乎呈直線急劇減少。(4)支撐點(diǎn)2處的x、y方向上的支反力值隨屋蓋開啟角度增大而增加,z方向上的支反力則隨開啟角度的增大而減小較快,其中90°風(fēng)向下由正向負(fù)值變化。(5)支撐點(diǎn)3處z方向上的支反力隨開啟角度的加大而增加,且由負(fù)值向正值變化;支撐點(diǎn)4處z方向支反力隨開啟角度的加大規(guī)律性不明顯,有的減少(0°、15°風(fēng)向)、有的增大再減少(90°風(fēng)向)、有的變化平緩(180°、270°風(fēng)向)。3.2支撐部分支反力下面我們換一種方式,給出在同一開合狀態(tài)下不同風(fēng)向?qū)χХ戳Φ挠绊?。其靜動(dòng)總風(fēng)荷載下各支撐點(diǎn)的支反力隨不同風(fēng)向的變化曲線見圖9～圖11。圖中橫坐標(biāo)軸上1、2、3、4、5分別代表0°、15°、90°、180°和270°五個(gè)風(fēng)向。由圖9～圖11可以看出:(1)不同支撐點(diǎn)處的支反力一般隨風(fēng)向的變化具有不同值,尤其是隨風(fēng)向角度變化而部分支反力的正、負(fù)值發(fā)生了變化,例如支撐點(diǎn)1屋蓋開啟15°y向的支反力、開啟30°x、y向支反力、開啟45°x向支反力;支撐點(diǎn)2屋蓋開啟45°z向支反力;支撐點(diǎn)3屋蓋開啟15°和開啟30°的z向支反力。(2)最大支反力值一般出現(xiàn)在90°、270°和180°風(fēng)向。4靜力風(fēng)載試驗(yàn)結(jié)果(1)本文在分析上海旗忠體育城網(wǎng)球中心開合屋蓋靜動(dòng)力風(fēng)荷載的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了屋蓋導(dǎo)軌在風(fēng)載下的支反力,給出了支反力的大小和變化規(guī)律;(2)用數(shù)值風(fēng)洞方法模擬了屋蓋靜力風(fēng)載,將屋蓋葉片平均風(fēng)升力值與風(fēng)洞試驗(yàn)方法結(jié)果進(jìn)行了比較,兩者