基于抗风设计的折叠网壳房屋外形优化研究

发布时间：2020-03-22 07:38

【摘要】：为改善复杂体型折叠网壳房屋的抗风性能,使其在风荷载作用下具有合理外形,基于计算流体动力学(CFD)的基本理论,运用FLUENT软件进行数值模拟,与风洞试验数据对比验证,探讨与分析轻型折叠网壳房屋的合理数值风洞,包括边界条件、计算域尺寸、网格划分方式、离散格式、求解算法、湍流模型等基本参数和技术的确定。按照《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)与野营房屋使用功能要求,以矢跨比、端门倾角、端门高为尺寸参数,设计出28种建筑体型,以0°,30°,45°,60°,90°风向角为分析参数进行140种工况的数值模拟,得出轻型折叠网壳房屋不同体型表面风压分布特性与风荷载体型系数。在此基础上以风压分布最均匀与体型系数标准差最小为优化目标,对轻型折叠网壳房屋进行基于抗风设计的体型优化分析,得到抗风性能良好的合理外形。结果表明,经优化的外形可有效化解房屋表面的不利风压分布,极大提高折叠网壳的抗风性能。
【图文】：

第49卷第11期颜卫亨，等．基于抗风设计的折叠网壳房屋外形优化研究图1野营折叠网壳房屋外形验，以建筑风力系数平均值与均方根值为优化目标，分析了削角和凹角的改变对建筑风荷载的影响。但目前的研究仍存在不足之处，目前研究主要集中在对沿海地区永久性房屋的研究上，且研究对象体型较为简单，对复杂体型的建筑如轻型折叠网壳房屋等的抗风优化研究较为缺乏。西北工业大学翼型研究中心［3］对特定体型的野营折叠网壳房屋进行了风洞试验，文献［4-5］运用数值模拟方法从理论上阐述了风速、风向角、开洞位置与大小对其风荷载体型系数的影响，，但是针对折叠网壳房屋外形优化的研究尚未深入开展，理论研究滞后于工程应用。数值模拟方法具有许多优点，如周期短、成本低、能够改变各种参数来研究其对结果的影响，且不受试验干扰效应的影响。因此本文以风洞试验为基础，建立数值风洞，即利用计算机建立的虚拟风洞模型来模拟真实风环境。对多体型、多工况折叠网壳房屋进行优化设计，得到具有良好抗风性能的合理外形，对开发新型野营折叠网壳房屋具有较好的理论意义与工程应用价值，同时也为类似轻型房屋抗风外形优化提供理论依据和设计方法。1数值模拟的基础性研究1.1数值模拟的分析模型与工况设计通过收集野营住房设备资料并统计其几何尺寸，同时参考《空间网格结构技术规程》(JG17—2010)［6］，在建筑满足排水、采光及其他使用要求的前提下选取合理的建筑模型参数，采用无量纲的方法设计建筑模型，根据国内外文献关于影响建筑物表面风效应尺寸参数的研究［7-9］，将矢跨比、端门倾角、端门高选为优化参数，选取端门倾角α为40°，45°，55°，90°，端门高h为0，H/4(H为建筑高度)，矢跨比H/B(B为建筑宽度)为1/2，1/3?

国内外文献关于影响建筑物表面风效应尺寸参数的研究［7-9］，将矢跨比、端门倾角、端门高选为优化参数，选取端门倾角α为40°，45°，55°，90°，端门高h为0，H/4(H为建筑高度)，矢跨比H/B(B为建筑宽度)为1/2，1/3，1/4，2/3，共计28种建筑模型，如表1所示。表1中的方案00为原模型，其矢跨比H/B=0.55，端门倾角α=48°，端门高h=H/4。在10m/s的风速下，对房屋表面风场分别进行0°，30°，45°，60°，90°风向角下共计140种工况的风压分布数值模拟。风向角、风洞试验测点、房屋表面分区与几何尺寸的规定如图2所示。折叠网壳优化方案表1优化方案编号矢跨比H/B端门倾角α/°端门高h/m优化方案编号矢跨比H/B端门倾角α/°端门高h/m000.5548H/4151/4400011/2400161/440H/4021/240H/4171/4450031/2450181/445H/4041/245H/4191/4550051/2550201/455H/4061/255H/4211/4900071/2900222/3400081/3400232/340H/4091/340H/4242/3450101/3450252/345H/4111/345H/4262/3550121/3550272/355H/4131/355H/4282/3900141/3900注:00为折叠网壳房屋初始形态，01～28为折叠网壳房屋28种优化模型。图2风向角、1～25测点、房屋表面分区和几何尺寸的规定1.2折叠网壳房屋数值风洞的建立本文通过与风洞试验数据进行对比，建立合理的数值风洞，对所获得的数值解进行准确性和合理性验证，确定轻型折叠网壳房屋在多体型、多工况下数值模拟的合理参数与关键技术。选取B类地貌风场，风速为10m/s，以0°风向角为例，对不同关键参数下折叠网壳房屋模型数值风洞进行计算，探讨与分析网格数量、离散格式、求解算法和湍流模型等参数和技术对计算结果的影响。网格单元数量选取70万、130万和200

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1 张U

本文编号：2594736