开合屋盖结构设计方法与风压分布的数值模拟研究

论文摘要

开合结构由于其优越的使用性能，已经在世界范围内得到了广泛的应用。我国在最近两年兴起了建造开合结构的热潮，小规模的开合式屋顶建筑已经有数十座，目前运行状况良好，大型开合结构的建造也有了一定的成就，已建成的杭州黄龙体育中心网球馆已投入运营，上海旗忠森林网球中心成功的实现了平面旋转开启，国内规模最大和设计施工难度最高的开合结构江苏南通会展中心也顺利完工。本文在以往研究的基础上，结合具体的工程实例综述了开合屋盖结构一般设计过程并利用CFD对一已建成开合屋盖实例进行了风压分布的数值模拟。全文由三部分组成第一部分：概述了开合屋盖结构的基本概念、分类、典型实例、以及在国内外的发展现状，指出了开合屋盖结构的发展趋势。第二部分：本文以恒隆步行街广场屋盖工程为例，通过对比分析剪刀撑方式、倒三角桁架式和张弦梁形式的结构方案，最终选择了倒三角桁架式的可展桁架加柔性屋面材料的方案。根据一般开合屋盖设计要点，对采用该种结构形式的开合屋盖进行建筑、结构和机械的协同设计。第三部分：概述了国内外风洞数值模拟的研究现状。利用计算流体动力学分析软件FLUENT 6，采用RNG k-ε湍流模型对已建成的开合屋盖（黄龙体育中心网球馆）风压系数分布进行了数值模拟，并阐述了数值模拟时涉及的计算流域确定、网格划分、边界条件选取、求解参数和收敛标准设置等问题。得到了该类开合屋盖表面的风压分布特性，分别对几个风向角时数值计算结果与风洞试验结果进行了比较。结果表明两者在风压分布的规律上基本保持一致，只是在局部区域风压系数上有差异，证明了CFD数值模拟技术可用于实际结构平均风荷载的分析研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开合结构的构成
• 1.3 开合屋盖体系的分类
• 1.4 国外屋盖开合体系典型实例
• 1.5 国内屋盖开合体系实例
• 1.6 国内外研究现状与发展趋势
• 1.7 开合屋盖的风洞数值模拟
• 1.7.1 风洞数值模拟研究现状
• 1.7.2 开合屋盖风洞数值模拟研究现状
• 1.8 本文主要工作
• 第2章 开合屋盖设计方法
• 2.1 开合方式与使用条件的确定
• 2.2 其他影响因素
• 2.3 风荷载及抗风设计
• 2.4 雪荷载和抗雪设计
• 2.5 抗震荷载与抗震设计
• 2.6 特殊荷载
• 2.7 本章小结
• 第3章 开合屋盖的结构设计
• 3.1 工程概况
• 3.2 结构形式的选取
• 3.2.1 剪刀撑方式
• 3.2.2 倒三角析架式
• 3.2.3 张弦梁形式
• 3.3 设计计算方法
• 3.4 荷载分析
• 3.5 工况组合
• 3.6 索膜结构计算
• 3.7 钢架结构计算
• 3.7.1 单独分析
• 3.8 整体分析
• 3.9 本章小结
• 第4章 机械系统的设计
• 4.1 传动方式的分类
• 4.1.1 电机、轮驱动方式
• 4.1.2 电机、钢缆索牵引
• 4.1.3 齿轮齿条牵引方式
• 4.1.4 千斤顶驱动
• 4.2 轮轨行走机构
• 4.2.1 行走台车关于轮轨的分类
• 4.2.2 行走台车的选型
• 4.2.3 轨道的选型
• 4.3 工程实例
• 4.3.1 总体设计
• 4.3.2 运行机构的设计计算
• 4.3.3 张紧装置的设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 开合屋盖风压分布的数值模拟
• 5.1 风洞试验介绍
• 5.2 CFD数值模拟
• 5.2.1 控制方程
• 5.2.2 几何模型及网格的划分
• 5.2.3 近壁区的处理及离散格式
• 5.2.4 边界条件的设定
• 5.2.5 风洞试验结果与 CFD计算结果的对比
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附表1 闭合锁定状态下部分索膜节点反力
• 附表2 最不利荷载工况下部分钢架节点位移