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典型大跨空间结构风压和风振效应数值模拟分析

作　者: 陈亚楠
导　师: 周岱
学　校: 上海交通大学
专　业: 结构工程
关键词: 大跨空间结构 流固耦合 风压特性 风振效应
分类号: TU312.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着结构跨度的增大、结构形体的复杂化和轻质材料的运用,空间结构的抗风问题日益突出。体育场大悬挑屋盖是一种较典型的风敏感结构,悬挑屋盖上的风荷载是控制结构安全的关键因素。空间薄膜结构应用十分广泛,其基本特点是“轻”和“柔”,对风荷载极为敏感,膜结构在风荷载的作用下会产生大变形和振动,这种大变形和振动反过来影响其表面风压分布,产生流固耦合效应。本文阐述了大跨空间结构抗风问题、流固耦合及其数值模拟方法的研究现状;阐明了结构、流体运动控制方程的离散与求解,结构-流体耦合计算时界面的协调和变量传递;系统研究了数值模拟中计算流域确定、边界条件选取、湍流模型选择、求解参数设置等问题。并选取代表性算例予以验证,将其数值模拟结果与已有文献的风洞试验结果、数值模拟结果进行对比分析,结果表明本文所采用数值方法是正确的。本文利用软件FLUENT对体育场大悬挑屋盖风工程问题进行数值模拟,分析了不同风向角、屋盖倾角、看台后部通风率、屋盖后挑对环状悬挑屋盖风压风载的影响;针对屋盖周围气流的绕流特性,设置两种辅助气动控制装置,通过数值模拟验证其有效性。利用ADINA软件对草帽型膜结构、山脉型膜结构开展数值模拟,分析了膜帽处开敞与封闭情形、不同风速情形下膜结构的位移响应、速度响应、加速度响应和结构位移瞬态放大系数。本文对上述典型结构形体风压和风振效应的数值研究成果,可供工程抗风设计参考使用。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 选题背景与依据  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-11
    1.2.1 流固耦合研究现状  9-10
    1.2.2 数值模拟方法研究现状  10-11
    1.2.3 大跨空间结构风特性研究现状  11
  1.3 课题来源及主要研究内容  11-12
  1.4 论文总体框架  12-13
  参考文献  13-16
第二章 数值计算的基本理论  16-29
  2.1 结构运动控制方程的离散与求解  16-18
    2.1.1 结构动力学控制方程  16-17
    2.1.2 结构动力学控制方程的有限元离散  17
    2.1.3 结构动力学有限元方程的求解  17-18
  2.2 流体运动控制方程的离散与求解  18-22
    2.2.1 不可压缩湍流流动的流体动力学控制方程  19-20
    2.2.2 不可压缩粘性流体湍流流动方程的有限元离散  20-21
    2.2.3 流体动力学有限元方程的求解  21-22
  2.3 结构-流体耦合作用分析  22-24
    2.3.1 概述  22
    2.3.2 结构-流体耦合作用问题结构控制方程  22-23
    2.3.3 结构-流体耦合作用问题流体控制方程  23
    2.3.4 耦合界面处的协调性和变量传递  23-24
  2.4 本章小结  24-25
  参考文献  25-29
第三章 环状大悬臂屋盖的风压特性与风场绕流分析  29-51
  3.1 引言  29
  3.2 数值方法与验证  29-32
    3.2.1 数值方法  29-31
    3.2.2 数值方法验证  31-32
  3.3 数值算例与分析  32-49
    3.3.1 数值算例  32-33
    3.3.2 风向角对风压和风场的影响  33-37
    3.3.3 屋盖倾角对风压和风场的影响  37-38
    3.3.4 通风率对风压和风场的影响  38-41
    3.3.5 屋盖后挑对风压和风场的影响  41-42
    3.3.6 加设屋面导流板对风压和风场的影响  42-46
    3.3.7 悬臂屋盖开洞对风压和风场的影响  46-49
  3.4 本章小结  49-50
  参考文献  50-51
第四章 膜结构的风振效应分析  51-71
  4.1 引言  51
  4.2 数值方法与验证  51-54
    4.2.1 数值方法  51-53
    4.2.2 数值方法验证  53-54
  4.3 草帽型膜结构的风振效应分析  54-61
    4.3.1 数值算例  54-55
    4.3.2 膜帽封闭与开敞对结构风振效应的影响  55-58
    4.3.3 来风风速对结构风振效应的影响  58-61
  4.4 山脉型膜结构的风振效应分析  61-69
    4.4.1 数值算例  61-62
    4.4.2 膜帽封闭与开敞对结构风振效应的影响  62-65
    4.4.3 来风风速对结构风振效应的影响  65-69
  4.5 本章小结  69-70
  参考文献  70-71
第五章 结论和展望  71-73
  5.1 结论  71-72
  5.2 研究展望  72-73
致谢  73-74
攻读硕士期间发表论文与参加科研项目情况  74-75
本课题组历届研究生学位论文及相关情况一览表  75-78

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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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