大跨度穹顶结构风致干扰效应研究

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大跨度穹顶结构因其外形优美和力学特性好等特点在工程上得到广泛应用,但该类结构属于风敏感性结构,在风荷载作用下时常发生破坏,因而风荷载往往成为大跨度穹顶结构设计中的主要影响因素。大跨度穹顶结构的屋面风压分布受流场形式、屋面形状和周边建筑的影响较大,但是目前的设计规范中对此问题并没有形成条文规定。尤其是目前城市建筑布局更加密集,周边建筑对于大跨度穹顶结构屋面风压的气动干扰变得更加不可忽视。因此,研究周围建筑对大跨度穹顶结构的风致干扰效应具有重要的实际意义和理论价值。本文基于风洞试验平台和CFD(Computational Fluid Dynamic)数值模拟软件对大跨度穹顶结构风致干扰效应进行深入研究,主要工作内容如下:1、采用风洞试验平台对大跨度穹顶结构风致干扰效应进行风洞试验,研究周边建筑物对单体大跨度穹顶结构屋面风压分布的干扰影响。通过改变干扰建筑的间距比(2种)、干扰建筑高度比(2种)、干扰建筑间宽度比(2种),来分析比较不同工况下大跨度穹顶结构屋面风压分布的变化情况,得出其风压分布特性和干扰特性。2、通过Fluent软件对风洞试验相同工况进行数值模拟,并对比试验结果与数值模拟结果的吻合度,来验证数值模拟方法应用于大跨度穹顶结构风致干扰效应研究的可靠性。在此基础上,进一步对大跨度穹顶结构的风致干扰效应进行数值模拟研究,对比分析不同风向角(4种),干扰建筑间距比(7种),干扰建筑高度比(6种),干扰建筑宽度比(4种)下单体干扰建筑对大跨度穹顶结构屋面风压分布的影响。研究结果表明:大跨度穹顶结构在无干扰建筑影响下,屋面风压中间区域主要以负压为主,边缘区域以正压为主,风压分布为弧形分布,屋面最不利负压区域发生在穹顶中心周围;考虑最不利风向角影响下,大跨度穹顶结构干扰效应受干扰建筑物的宽度比影响最大,间距比次之,高度比最小;且当干扰建筑间距比大于1.5时,干扰建筑对大跨度穹顶结构的风致干扰效应逐渐减小;而当干扰建筑高度比大于1.6,宽度比大于0.6时,干扰建筑对大跨度穹顶结构的风致干扰效应不可忽视,但逐渐趋于稳定,基本不再变化。3、提出基于干扰系数I的修正方法来考虑周边建筑对大跨度穹顶结构的干扰影响,为此类结构的抗风设计提供参考。在最不利风向角的影响下,不同干扰建筑间距比,高度比,宽度比下,大跨度穹顶结构屋面中心区域受干扰后的最大负压增大1.6倍,1.5倍,2.0倍;迎风面边缘区域为受干扰影响最大的区域,因此在抗风设计中这两个区域都需要重点考虑。
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