高层建筑结构风压与风振的数值模拟

论文摘要

随着建筑高度的增加,风荷载对结构的作用变得越来越重要。建筑结构风振计算的依据是《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）,采用简化方法来计算,该方法在进行复杂结构的风振计算时,准确性值得讨论。本文运用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic, CFD）数值模拟方法对高层建筑模型的风荷载及风振进行了模拟,该方法可以考虑自然风的时空相关性以及结构高阶振型的影响,从而更加精确地反映结构实际的风振情况。本文首先采用计算流体动力学软件CFX对CAARC高层建筑标准模型进行了分析,分别采用了k-ε模型、SST模型、BSL模型对CAARC全尺寸刚性模型进行了表面风压的数值模拟。其次,考虑了结构与风的流固耦合问题,运用ANSYS的多场求解器MFX,联合ANSYS与CFX协同分析了CAARC弹性模型在风场中的表面风压及动力响应,得出了风压分布及CAARC标准模型的位移时程曲线。最后,运用ANSYS CFX对江苏无锡茂业城超高层建筑结构实例进行了数值风洞模拟,在考虑流固耦合的条件下,联合ANSYS与CFX对江苏无锡茂业城在风场中的响应进行了分析,得到了该建筑物表面的风压分布以及流场的流速分布,最终得出了各层的位移时程曲线。另外,在ETABS下,对无锡茂业城运用规范的方法对其进行了分析,得到了规范方法考虑风荷载条件下的各层侧向位移,并对二者进行了对比,对比发现,考虑流固耦合效应的ANSYSMFX方法计算得到的侧向位移要大于规范方法,说明流固耦合效应对高层建筑结构的影响较大,在建筑结构风荷载的计算中应该加以考虑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风对建筑物的作用
• 1.3 风对建筑物的破坏现象
• 1.4 风工程的研究方法
• 1.5 CWE数值模拟研究现状
• 1.6 CWE面临的问题
• 1.7 数值模拟高层建筑结构风振问题的提出
• 1.8 本文研究所做的工作
• 第2章 数值模拟理论及方法
• 2.1 流体流动和热传导的基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程（连续性方程）
• 2.1.2 动量方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.2 牛顿流体的NAVIER-STOKES方程
• 2.3 湍流与湍流模型
• 2.3.1 N-S方程的时均化
• 2.3.2 湍流模型
• 2.4 近壁面的处理
• 2.5 CFD常用数值模拟方法
• 2.6 CFX介绍
• 第3章 标准建筑模型CAARC的数值风洞模拟
• 3.1 自然风特性
• 3.1.1 近地风特性
• 3.1.2 平均风的特性
• 3.1.3 脉动风特性
• 3.2 CAARC标准建筑模型
• 3.3 计算区域的确定
• 3.4 网格的划分与离散阶数
• 3.5 边界条件
• 3.6 湍流模型
• 3.7 CAARC刚性模型数值模拟结果与分析
• 3.8 CAARC弹性模型数值风洞模拟
• 3.8.1 流固耦合问题概述
• 3.8.2 使用MFX分析多场耦合
• 3.8.3 气动弹性数值风洞模拟
• 3.9 本章小结
• 第4章 江苏无锡茂业城超高层建筑风荷载数值模拟研究
• 4.1 工程概况
• 4.2 建筑结构模型的建立
• 4.3 模态分析
• 4.4 计算流域的确定与网格划分
• 4.5 边界条件与湍流模型的选取
• 4.6 流固耦合求解设置
• 4.6.1 ANSYS设置
• 4.6.2 CFX设置
• 4.6.3 ANSYS Mechanical APDL Product Launcher设置
• 4.7 计算结果处理
• 4.7.1 地面风压等值线结果
• 4.7.2 流场不同位置的风速分布
• 4.7.3 结构表面风压分布
• 4.7.4 结构位移时程曲线
• 4.7.5 结构位移云图
• 4.8 与规范方法计算结果的比较
• 4.9 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文的工作总结
• 5.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 附录一:研究生期间发表的论文
• 附录二:研究生期间参与的研究项目