懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布的環(huán)境影響因素研究

Study on Environmental Factors Affecting Wind Pressure Distribution of Suspended Reticulated Shell Structure

魏曉剛^1,2，法靖宇^1,3，楊柳川^1,3，李廣慧^1,4，劉書(shū)賢⁵ 

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院土木建筑學(xué)院，鄭州 450046;2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080;3.鄭州意合達(dá)建筑科技研究院，鄭州 450046;4.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州450046;5.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

近年來(lái)，大跨空間結(jié)構(gòu)的造型隨著輕質(zhì)高強(qiáng)建筑材料的產(chǎn)生和應(yīng)用變得越來(lái)越復(fù)雜，我國(guó)復(fù)雜體型空間結(jié)構(gòu)作為近三十年間發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式隨著科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展也在逐漸完善。大跨度懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋蓋是一類其內(nèi)部空間大，自重輕，且為無(wú)圍護(hù)的開(kāi)放式建筑，該結(jié)構(gòu)外形較新穎，近些年逐步被應(yīng)用到一些大型室外公共場(chǎng)所。懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有外形新穎的特點(diǎn)，但當(dāng)結(jié)構(gòu)自身受到風(fēng)荷載的作用后受力更為復(fù)雜，若稍有不慎、考慮不當(dāng)，在我國(guó)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的地域建造懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可能會(huì)造成嚴(yán)重破壞。

大跨度鋼構(gòu)網(wǎng)架具有網(wǎng)殼阻尼小、質(zhì)量輕、振型復(fù)雜、自振頻率較密集的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其對(duì)受風(fēng)荷載作用下的敏感性加劇，故各國(guó)學(xué)者隨之開(kāi)展球面、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能研究。霍林生^[1]通過(guò)模擬下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)對(duì)不同矢跨比的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并且模擬了連續(xù)倒塌過(guò)程，得出下?lián)舯┝髯饔孟聠螌忧蛎婢W(wǎng)殼結(jié)構(gòu)失效的主導(dǎo)原因是平均風(fēng)的作用；趙仕興等人^[2]采用振型分解反應(yīng)譜等方法對(duì)成都市錦城廣場(chǎng)換乘服務(wù)中心大跨度屋蓋開(kāi)展研究，得出鋼木組合屋蓋結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗震性能；舒贛平^[3]對(duì)張家界馬戲城主館開(kāi)展研究，分析主館屋蓋的抗倒塌性，得出帶懸掛子結(jié)構(gòu)的穹頂鋼屋蓋具有性能較強(qiáng)的抗倒塌性；Qiu Ye^[4]結(jié)合CFD（計(jì)算流體力學(xué)）和FEA（有限元分析）將克里格代理模型與相對(duì)單層球面網(wǎng)殼進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究表明球形穹頂?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)具有合理的氣動(dòng)性能提升且可以通過(guò)減小穹頂墻高來(lái)減小最大平均吸力和最大豎向位移；Wei Lu等人^[5]建立單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)攜帶屋面板和支撐柱的整體倒塌模型，從各個(gè)方面分析了網(wǎng)殼倒塌過(guò)程和機(jī)理，得出屋面板和支撐柱對(duì)于在風(fēng)荷載作用下的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力倒塌分析中需要重點(diǎn)考慮。

由于上述網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)加之近些年由于地球氣候的改變，頻發(fā)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)，災(zāi)害也隨之而來(lái)并且成為了主要自然災(zāi)害之一，因臺(tái)風(fēng)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失占我國(guó)沿海地區(qū)受災(zāi)率比重較大。因此，對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載的風(fēng)壓分布情況研究十分緊要。本文基于CFD計(jì)算流體力學(xué)對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響因素進(jìn)行分析，為懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能研究提供參考。

1.1 臺(tái)風(fēng)湍流強(qiáng)度

臺(tái)風(fēng)具有巨大破壞性，其風(fēng)場(chǎng)通常分為風(fēng)眼區(qū)、邊界層和云墻區(qū)，與普通風(fēng)有所區(qū)別，其風(fēng)速和氣壓與普通風(fēng)相比也有較大差異。臺(tái)風(fēng)風(fēng)速與雷諾數(shù)的變化呈現(xiàn)一種正相關(guān)的趨勢(shì)，同時(shí)增加風(fēng)的慣性力作用。臺(tái)風(fēng)具有脈動(dòng)風(fēng)速變化靈敏的特點(diǎn)，由此會(huì)引起臺(tái)風(fēng)頻率的變大，在該風(fēng)場(chǎng)下結(jié)構(gòu)受到荷載的作用更容易產(chǎn)生損傷。臺(tái)風(fēng)表現(xiàn)形式為整體性移動(dòng)，有具體的區(qū)域半徑及移動(dòng)路徑，當(dāng)臺(tái)風(fēng)未登陸時(shí)就準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具體的范圍和路徑可以避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的破壞并減少臺(tái)風(fēng)對(duì)建筑破壞帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。目前常用于臺(tái)風(fēng)工程研究領(lǐng)域的湍流強(qiáng)度有三種，即田浦湍流強(qiáng)度^[6]、石沅湍流強(qiáng)度^[7]以及常規(guī)湍流強(qiáng)度^[8]，三種湍流強(qiáng)度的具體表達(dá)式如下：

田浦湍流強(qiáng)度：

石沅湍流強(qiáng)度：



常規(guī)湍流強(qiáng)度為：



式中，α是地面粗糙度，z為離地高度，g為峰值因子，根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范條款8.4.3的規(guī)定^[9]取值g=2.5，z_b =5 m，z_G =350 m。

1.2 風(fēng)荷載數(shù)值模擬理論

湍流模型是在雷諾平均運(yùn)動(dòng)方程和脈動(dòng)方程基礎(chǔ)之上描寫(xiě)湍流平均量的封閉方程組，由于網(wǎng)格數(shù)量和直接數(shù)值模擬方法限制了其使用條件，用N-S方程通過(guò)直接數(shù)值模擬法求出湍流尺度有一些弊端，若想運(yùn)用直接數(shù)值模擬方法在實(shí)際工程領(lǐng)域以及數(shù)值模擬中求出方程組的解實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難，所以各學(xué)者開(kāi)始探索各種可以用于數(shù)值模擬研究的湍流模型。目前已經(jīng)用于學(xué)術(shù)研究的湍流模型^[10-12]有標(biāo)準(zhǔn)k-^TM模型、RNG k-^TM模型、RSM k-ω模型以及本文進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)使用的SST k-^TM模型等。

SST k-^TM模型又稱剪切應(yīng)力輸運(yùn)k-ω模型，該模型可以較好地解決流場(chǎng)近壁區(qū)雷諾數(shù)較低的問(wèn)題，相對(duì)于k-^TM模型具有更好的收斂效果和更加簡(jiǎn)單明了的形式，其關(guān)系式為：



在CFX領(lǐng)域中，k-ω模型是用于求解的兩個(gè)輸運(yùn)方程：



式中，G_k為流場(chǎng)的湍流生成速率。上式中的其他變量都可以根據(jù)N-S方程組求得：β^? =0.09，α=0.556，β=0.075，σ_k =σ_ω =2.0。

由于該輸運(yùn)方程對(duì)自由流區(qū)域敏感性過(guò)強(qiáng)，當(dāng)入口湍流頻率ω發(fā)生變化時(shí)，結(jié)果也隨之出現(xiàn)明顯改變，聯(lián)立湍流粘度公式和k-ω模型公式得到以下公式：



利用公式（6）可以將輸運(yùn)方程改為：



式中：α^′ =0.44， β^′ =0.0828， σ_k^′ =1.0， σ_ω^′ =1/0.856。

將公式（5）方程兩側(cè)同時(shí)乘上雙曲正切函數(shù)F₁，F(xiàn)₁的具體表達(dá)式如下所示



式中y為流域中一點(diǎn)到最近壁面的距離。

同理將公式（7）兩端乘上1-F₁，之后將兩式相加整理得到的是基線k-ωˉ模型的輸運(yùn)方程：



若用ψ₁、ψ₂、ψ₃分別代表公式（5）、（7）、（9）三式中的模型常數(shù)，發(fā)現(xiàn)存在一定聯(lián)系：ψ₃ =F₁ψ₁ +( 1 - F₁ ) ψ₂ ，但公式（9）表示的基線k-ωˉ模型對(duì)描述流場(chǎng)的分離流動(dòng)時(shí)仍然不夠精確，故進(jìn)一步在輸運(yùn)方程的基礎(chǔ)上改進(jìn)湍流粘度v_t，通過(guò)下式得到了剪切應(yīng)力輸運(yùn)模型即本文用于數(shù)值模擬的SST k 湍流模型：



流場(chǎng)分離流動(dòng)的精度采用改進(jìn)后的SST k-ω模型有顯著提高，對(duì)比直接數(shù)值模擬法具有占用計(jì)算資源少且準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，故本文采用該湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 模型建立及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三種方法目前大量運(yùn)用于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究^[13]，后兩者由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件的限制性，對(duì)于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬成為了大多數(shù)學(xué)者選擇的不二方法。CFD數(shù)值模擬方法雖較風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)具有方便靈活、節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)結(jié)構(gòu)具有不確定性也是該方法的一個(gè)弊端，故本文在使用該方法之前先驗(yàn)證其有效性。本文對(duì)新西蘭奧克蘭大學(xué)P.J. Richards^[14]等人的實(shí)測(cè)模型進(jìn)行三維有限元建模，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?/span>圖1。

按1∶1比例對(duì)實(shí)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)值建模，數(shù)值風(fēng)場(chǎng)區(qū)域尺寸設(shè)置為60 m×30 m×30 m，滿足阻塞率≤3%的規(guī)定，具體模型如圖所示。湍流物理模型選用上節(jié)介紹過(guò)的SST k-ωˉ模型，流場(chǎng)入口速度設(shè)置為  .97 m/s， z_b=1 m。在出口處采用完全發(fā)展出流邊界。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對(duì)流暢區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化分，以上參數(shù)均按照文獻(xiàn)14中實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置。加密處理立方體周圍區(qū)域，網(wǎng)格劃分如圖2。

2.2 模擬結(jié)果及準(zhǔn)確性分析

圖3中表示的是立方體表面風(fēng)壓分布，將風(fēng)壓通過(guò)tecplot轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓系數(shù)便于直接與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，并參考德國(guó)學(xué)者Holscher和Niemann^[15]對(duì)15個(gè)立方體縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。

在立方體每個(gè)面的中心線上各取六個(gè)點(diǎn)，對(duì)在這些點(diǎn)處三種情況下的風(fēng)壓系數(shù)分布情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。



圖1 立方體實(shí)測(cè)模型

Fig.1 The measured model of the cube



圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分示意圖

Fig.2 Numerical model of wind tunnel test and schematic diagram of grid division



圖3 立方體表面風(fēng)壓分布云圖

Fig.3 Cloud image of wind pressure distribution on the cube surface



圖4 三種情況下的立方體風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比圖

Fig.4 Comparison diagram of the wind pressure coefficient of the cube under three conditions

對(duì)比上圖的風(fēng)壓系數(shù)曲線，可以得到：迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)在數(shù)值上均呈現(xiàn)正值，頂面及背風(fēng)面風(fēng)壓均呈現(xiàn)負(fù)值，表示迎風(fēng)面風(fēng)壓大多表現(xiàn)為正壓，而頂面及背風(fēng)面以負(fù)壓占比最大。迎風(fēng)面頂端及頂面前沿位置處的風(fēng)壓產(chǎn)生突變，最大正壓出現(xiàn)在迎風(fēng)面中部以上位置，在側(cè)面中心線頂面位置由三種方法得到的風(fēng)壓大小和趨勢(shì)略有不同，但此處風(fēng)壓變化不明顯。從圖中可以看出，運(yùn)用數(shù)值模擬方法在沿立方體流向中心線以及橫向中心線截面位置的風(fēng)壓分布情況與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基本一致，只有在側(cè)面中心線位置略有差異，但誤差在15%以內(nèi)可以接受，進(jìn)一步說(shuō)明風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在用CFD數(shù)值模擬技術(shù)較好模擬的同時(shí)也能較為精準(zhǔn)地分析結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布情況。

3.1 數(shù)值模型及計(jì)算流域

本文以某機(jī)場(chǎng)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為例，模型尺寸為46 m×90 m×25 m，為使計(jì)算流域滿足阻塞率小于3%的前提條件，計(jì)算流域設(shè)置方法參考姚志東的論文^[16]按照前方、后方、側(cè)面和高度分別取3A、6A、2B以及5C進(jìn)行設(shè)置，規(guī)模為460 m×450 m× 125 m，模型放置于計(jì)算流域前部1/3處，具體數(shù)值模型如圖5所示。



圖5 計(jì)算流域及模型示意圖

Fig.5 Schematic diagram of calculation basin and model

為便于分析風(fēng)壓系數(shù)分布情況，本文以下研究的參考點(diǎn)均選取在沿順風(fēng)方向在網(wǎng)殼左半部分中線處六等分點(diǎn)處，每個(gè)參考點(diǎn)取在等分段的中心位置，這種參考點(diǎn)的選取方式也可進(jìn)一步對(duì)比分析結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載的作用面積大小，參考點(diǎn)的選取示意圖如圖6所示。



圖6 參考點(diǎn)選取圖

Fig.6 Schematic diagram of reference point selection

網(wǎng)殼表面單元長(zhǎng)度劃分為0.4 m，為了結(jié)果更為精確，加密懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)附近網(wǎng)格，設(shè)置計(jì)算流域的邊界層為4層，利用Workbench的網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能對(duì)剩余部分進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為1 377 069。借鑒我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范^[9]的相關(guān)的規(guī)定，地面粗糙度B類，參考高度Z_b =10 m，計(jì)算流域邊界條件設(shè)置方式：在入口處設(shè)置速度入口邊界條件（Velocity-inlet），出口采用完全發(fā)展出流邊界條件（Outflow），建筑物表面和地面采用無(wú)滑移的壁面條件（Wall），平均風(fēng)速、湍流動(dòng)能以及瑞流動(dòng)能比耗散率與高度的關(guān)系公式如下：

平均風(fēng)速:v(z)=v_b( z z_b )^α

湍流動(dòng)能: k=1.5[ν( z )*I]²

湍流動(dòng)能比耗散率: ω=k ^0.5 C ^0.25μ L（11）

田浦湍流強(qiáng)度公式: I=1.5α ( z/10 )^-1.7α

湍流積分尺度: l=0.07LC_μ

式（11）中，v_b為參考高度位置的平均風(fēng)速，I為湍流強(qiáng)度，參考田浦湍流強(qiáng)度公式取值為0.189，l為湍流積分尺度計(jì)算取值0.09， C_μ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， L為建筑物的特征尺寸，以上參數(shù)的設(shè)置均通過(guò)編程在Fluent提供的User Defined Functions功能中實(shí)現(xiàn)。

3.2 懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)環(huán)境影響因素分析
3.2.1 周邊建筑對(duì)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓影響程度


基于目前的研究而言，建筑結(jié)構(gòu)不僅受自身的外形和來(lái)流風(fēng)特性的影響，其所處的周邊地形地貌及其他建筑物對(duì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性也有一定的影響，受到周邊建筑的阻礙或干擾來(lái)流風(fēng)向風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生變化。為進(jìn)一步研究周邊范圍內(nèi)建筑物對(duì)懸掛網(wǎng)殼風(fēng)壓分布的影響情況，本節(jié)將展覽中心與懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)同時(shí)建模并進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞研究。數(shù)值模型及計(jì)算流域如圖7所示。

分析組合結(jié)構(gòu)在風(fēng)向角為0°、30°、60°、90°、120°、 150°、 180°以及210°八種情況下的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布情況。同樣為便于對(duì)比有無(wú)周邊建筑網(wǎng)殼表面的風(fēng)荷載分布情況，將參考點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)提取出來(lái)繪制風(fēng)壓系數(shù)曲線圖，如圖8所示。



圖7 加入展覽中心后的模型及計(jì)算流域示意圖

Fig.7 Schematic diagram of model and calculation basin after joining the exhibition center



圖8 風(fēng)壓系數(shù)曲線圖

Fig.8 Wind pressure coefficient curves

從整體趨勢(shì)上可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)洞中加入展覽中心后，原懸掛網(wǎng)殼在風(fēng)向角為0°、30°、60°、210°幾種情況時(shí)表面風(fēng)壓都有一定程度的削弱，證明展覽中心的存在對(duì)于結(jié)構(gòu)受到風(fēng)荷載作用存在一定的影響，且能起到阻礙部分風(fēng)荷載的功能。因?yàn)槿⒖键c(diǎn)時(shí)將網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)六等分，可以觀察出在展覽中心存在的情況下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用后的風(fēng)壓變化面積，故從風(fēng)壓減小的面積入手進(jìn)一步分析周邊建筑對(duì)于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性的影響。從影響范圍上來(lái)看，當(dāng)展覽中心位于懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)正上風(fēng)口時(shí)，風(fēng)向角為30°的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓減小的面積最大，幾乎整個(gè)網(wǎng)殼風(fēng)壓都相應(yīng)變小；風(fēng)向角為0°和60°時(shí)，網(wǎng)殼有大部分風(fēng)壓系數(shù)變小；風(fēng)向角為210°時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)值只在上風(fēng)口前部出現(xiàn)小幅度降低。當(dāng)風(fēng)向角為90°、120°、150°、180°時(shí)，網(wǎng)殼表面風(fēng)壓值幾乎沒(méi)有變化，證明周邊建筑物在網(wǎng)殼風(fēng)向的側(cè)面角度較大時(shí)其對(duì)網(wǎng)殼的影響可忽略不計(jì)。

綜上所述，從風(fēng)向角上入手，當(dāng)建筑物與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沿風(fēng)向夾角成銳角時(shí)，建筑物對(duì)網(wǎng)殼表面的風(fēng)荷載起到遮擋效應(yīng)，使網(wǎng)殼表面的風(fēng)壓減小，遮擋效果隨著夾角的增大逐漸衰弱；當(dāng)建筑物與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的夾角成直角或鈍角時(shí)，周邊建筑物的存在對(duì)網(wǎng)殼的影響可以忽略不計(jì)。從建筑物所處的位置來(lái)看，當(dāng)周邊建筑物在網(wǎng)殼風(fēng)向的側(cè)面角度較大時(shí)，其存在對(duì)網(wǎng)殼風(fēng)壓起到了一定的減弱作用，但減弱效果相對(duì)較小；當(dāng)附近建筑物處于網(wǎng)殼風(fēng)向的前端或正后方時(shí)，可以減少懸掛網(wǎng)殼表面受到的風(fēng)壓作用，對(duì)懸掛網(wǎng)殼的影響效果從正上風(fēng)向位、側(cè)上風(fēng)向位、下風(fēng)向位依次衰減。

3.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓影響程度


網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分為封閉式和開(kāi)放式，兩者的區(qū)別在于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的周邊是否存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因此周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)懸掛網(wǎng)殼的表面風(fēng)壓系數(shù)也有一定的影響。本節(jié)重點(diǎn)研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)殼表面風(fēng)荷載分布情況的影響，在懸掛網(wǎng)殼數(shù)值模型周圍建立圍墻，在封閉網(wǎng)殼周邊建立計(jì)算流域，各個(gè)初始參數(shù)設(shè)置與第二節(jié)中懸掛網(wǎng)殼的流場(chǎng)一致，具體計(jì)算流域圖如圖9所示。



圖9 有圍護(hù)的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算流域圖

Fig.9 Calculation basin diagram of suspended reticulated shell structure with enclosure

繪制0°、90°、180°三種不同風(fēng)向角的情況下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上表面的風(fēng)壓系數(shù)等值線如圖 10所示。

由圖 10可以得出：當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在時(shí)，封閉網(wǎng)殼表面風(fēng)壓系數(shù)等值線呈現(xiàn)出較為規(guī)則的梯度分布，從數(shù)值上可以看出風(fēng)壓系數(shù)大多呈現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明風(fēng)對(duì)網(wǎng)殼的作用表現(xiàn)為吸力。在0°風(fēng)向角的情況下，風(fēng)壓系數(shù)在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中部位置的迎風(fēng)前沿處達(dá)到負(fù)向風(fēng)壓峰值-6，此時(shí)結(jié)構(gòu)的上表面承受風(fēng)的吸力，且沿順風(fēng)方向依次遞增，由此可見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在使得網(wǎng)殼迎風(fēng)前端產(chǎn)生較大的風(fēng)吸力，對(duì)風(fēng)荷載起到了阻擋作用，這種吸力作用大小沿順風(fēng)方向依次遞減；當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，封閉網(wǎng)殼上表面的左半部分風(fēng)壓系數(shù)沿著順風(fēng)方向先從0減小到-0.8，后再依次遞增至0.2，反觀有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)右半部分風(fēng)壓系數(shù)等值線相對(duì)稀疏，可以看出此區(qū)域風(fēng)壓分布較為均勻；當(dāng)風(fēng)向角為180°時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)表示的風(fēng)吸力在網(wǎng)殼上表面左右兩部分沿順風(fēng)方向均勻遞減，在中央低谷部分恰好相反，結(jié)構(gòu)前部的迎風(fēng)端呈現(xiàn)較大的負(fù)壓，此處在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。

在參考點(diǎn)處將兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓系數(shù)值繪制成曲線圖，進(jìn)一步分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)承受風(fēng)壓的影響效應(yīng)。

從圖 11中可以得出：兩種情況下風(fēng)壓系數(shù)差別較大，有圍護(hù)的封閉網(wǎng)殼與無(wú)圍護(hù)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布有較大差異，圍護(hù)結(jié)構(gòu)使網(wǎng)殼表面風(fēng)壓在0°風(fēng)向角時(shí)加劇，在90°、180°風(fēng)向角時(shí)風(fēng)壓減弱；迎風(fēng)部位的風(fēng)壓系數(shù)在0°和180°風(fēng)向角時(shí)差異明顯，產(chǎn)生較大的突變，在0°風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用時(shí)，有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的懸掛網(wǎng)殼首先受到風(fēng)荷載作用的迎風(fēng)面前端位置較無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的懸掛網(wǎng)殼吸力大幅度降低，在180°風(fēng)向角風(fēng)荷載作用下，同樣是首先受到風(fēng)荷載作用的有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的懸掛網(wǎng)殼迎風(fēng)面產(chǎn)生的壓力較無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的懸掛網(wǎng)殼大幅度降低。可見(jiàn)當(dāng)風(fēng)向角不同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)壓分布也有一定程度的影響作用。



圖 10 不同風(fēng)向角風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓系數(shù)等值線

Fig.10 The isoline of structural wind pressure coefficient under different wind directions



圖 11 不同風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓系數(shù)曲線

Fig.11 Wind pressure coefficient curves of structures under different wind directions

綜上所述，當(dāng)封閉式懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)置為有圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，與沒(méi)有圍護(hù)機(jī)構(gòu)的封閉式懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不同，兩者表面風(fēng)荷載分布有較大的差異性。分析得出的網(wǎng)殼表面風(fēng)壓系數(shù)等值線由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在呈現(xiàn)出更加規(guī)則的梯度分布，封閉式的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓梯度更大，在周圍封閉時(shí)網(wǎng)殼整體受到風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的吸力，對(duì)結(jié)構(gòu)承載有一定程度的益處。但是對(duì)于類似的非規(guī)則網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角風(fēng)荷載的作用下產(chǎn)生了不同效果，當(dāng)風(fēng)荷載位于特定的風(fēng)向角時(shí)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域有可能出現(xiàn)無(wú)規(guī)律遵循的較大負(fù)壓，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)自身受風(fēng)載作用后的影響效果需結(jié)合實(shí)際工程具體分析。

3.2.3 地勢(shì)高低對(duì)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓影響程度


由于目前懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的美觀性，很多懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)置在沿海地帶，故在設(shè)計(jì)時(shí)除了需要考慮一些常規(guī)的布局外，還要進(jìn)一步從安全的角度出發(fā)，預(yù)防海浪的沖擊作用。為減少結(jié)構(gòu)在海浪等因素作用下對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，因此在常規(guī)設(shè)計(jì)中需要考慮設(shè)計(jì)一定的地勢(shì)高度，設(shè)計(jì)者們通常會(huì)將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定高度的平臺(tái)或地基之上，這種做法也會(huì)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布產(chǎn)生影響效應(yīng)，故本節(jié)建立相關(guān)模型：將挑蓬-懸掛結(jié)構(gòu)建立在一個(gè)半徑為100 m的圓柱體平臺(tái)上。模型示意圖如圖 12。



圖 12 有平臺(tái)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)數(shù)值模型示意圖

Fig.12 Schematic diagram of numerical model of reticulated shell structure with platform

在0°風(fēng)向角的風(fēng)場(chǎng)作用下，對(duì)風(fēng)壓系數(shù)在參考點(diǎn)位置處進(jìn)行取值，對(duì)比分析網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在無(wú)平臺(tái)（平臺(tái)高度0 m）及平臺(tái)高度為5 m、10 m三種情況下的風(fēng)壓系數(shù)，如圖 13所示。



圖 13 不同平臺(tái)高度下結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓系數(shù)曲線

Fig.13 Wind pressure coefficient curves of structures at different platform heights

從宏觀的曲線趨勢(shì)上來(lái)看，在三種平臺(tái)高度下的網(wǎng)殼表面風(fēng)壓系數(shù)曲線走向基本一致，網(wǎng)殼所處地勢(shì)的變化過(guò)程中懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布情況變化不大，說(shuō)明平臺(tái)高度變化對(duì)懸掛網(wǎng)殼的風(fēng)壓分布情況影響較小。從微觀的風(fēng)壓系數(shù)數(shù)值上來(lái)說(shuō)，風(fēng)壓系數(shù)值由先受到風(fēng)荷載作用的迎風(fēng)端沿風(fēng)向依次減小，懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)值基本都為負(fù)風(fēng)壓的最大值，證明結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面受到風(fēng)壓作用的影響最為劇烈。縱觀三條曲線的整體情況，懸掛網(wǎng)殼在所處平臺(tái)高度的變化過(guò)程中，其表面均承受負(fù)壓，也就是風(fēng)吸力。隨著平臺(tái)高度的增加，結(jié)構(gòu)所承受的吸力隨之增加，結(jié)構(gòu)自身所承受的風(fēng)荷載作用也越大。從數(shù)值上來(lái)看，0 m平臺(tái)的風(fēng)壓系數(shù)峰值比10 m平臺(tái)高0.4左右，結(jié)構(gòu)在0 m平臺(tái)處承受的風(fēng)壓比10 m平臺(tái)處衰弱大概40%。因此，隨結(jié)構(gòu)所處地勢(shì)的增高，表面風(fēng)壓分布規(guī)律雖無(wú)顯著變化，但其受到風(fēng)載的作用程度有所增加，當(dāng)?shù)貏?shì)高度變化不是特別明顯的情況下，這種風(fēng)載的作用程度增幅甚微。

3.2.4 拱梁對(duì)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓影響程度


比基尼廣場(chǎng)的挑蓬是由兩根直徑2.15 m的圓鋼管作為支撐拱梁承重，由于直徑相比于應(yīng)用在其他工程的鋼管較大，故鋼管拱梁對(duì)網(wǎng)殼表面風(fēng)壓分布的影響不可忽略。將拱梁與網(wǎng)殼同時(shí)加入數(shù)值模擬的風(fēng)場(chǎng)中，風(fēng)場(chǎng)的尺寸大小及入口風(fēng)速等其它條件均與3.1節(jié)的參數(shù)設(shè)置相同，具體計(jì)算流域圖如圖 14所示，分別對(duì)0°、90°、180°三種工況下的網(wǎng)殼及拱梁的風(fēng)壓分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到三種情況下網(wǎng)殼上下表面風(fēng)壓系數(shù)等值線圖。

分析圖 14可得：當(dāng)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受到0°風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用，網(wǎng)殼上表面風(fēng)壓系數(shù)整體為負(fù)值，呈現(xiàn)一種負(fù)壓的狀態(tài)，具體表現(xiàn)為吸力，吸力值沿順風(fēng)向逐漸減小，在懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中部的凹陷部分等值線分布呈密集狀態(tài)，說(shuō)明網(wǎng)殼中部風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜，兩角壓力產(chǎn)生突變，由負(fù)壓突變?yōu)檎龎海卤砻娴蔑L(fēng)壓系數(shù)整體呈正值，具體表現(xiàn)為風(fēng)壓力，由邊緣向中央梯度變大，同樣為中央部分壓力最大。懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載的作用下表現(xiàn)為上吸下頂?shù)内厔?shì)，這種趨勢(shì)對(duì)于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)作用有一定的好處；當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，等值線呈現(xiàn)一種完全均勻的橫向梯度分布，在上表面迎風(fēng)的前端位置以及懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中部在風(fēng)荷載作用下表現(xiàn)為壓力，其余部分為吸力，與下表面的壓力分布恰好相反，左右兩側(cè)中央部分受到風(fēng)荷載作用影響效果最為明顯；當(dāng)風(fēng)向角為180°時(shí)，此時(shí)順風(fēng)向風(fēng)壓分布呈現(xiàn)梯度變化趨勢(shì)，左右兩部分基本對(duì)稱，結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓系數(shù)等值線分布在迎風(fēng)前端較為集中，且在迎風(fēng)面上風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到峰值，故此處懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用后壓力效果最明顯。



圖 14 不同風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓系數(shù)等值線

Fig.14 The isoline wind pressure coefficient on structure surface under different wind directions

從參考點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)曲線圖中（圖 15）可以發(fā)現(xiàn)：在三種不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下，有拱梁和無(wú)拱梁的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓系數(shù)曲線變化趨勢(shì)基本一致，有無(wú)拱梁的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上下表面風(fēng)壓分布趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明拱梁的存在對(duì)于受到風(fēng)荷載作用的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有影響，但影響效果不明顯。對(duì)比風(fēng)壓系數(shù)曲線的數(shù)值，當(dāng)拱梁存在的情況下，有拱梁的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和無(wú)拱梁的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在三種不同風(fēng)向角風(fēng)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓系數(shù)在絕對(duì)值上都有小幅度的下降，表明拱梁的存在雖對(duì)于結(jié)構(gòu)整體受到風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布不能產(chǎn)生效果比較明顯的增強(qiáng)或削弱，但可以對(duì)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面受到風(fēng)荷載后起到一定的遮擋作用，也可以使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力得到小幅度的提高。故加入拱梁也能提高懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的安全性。






圖 15 不同風(fēng)向角下兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓系數(shù)曲線

Fig.15 Wind pressure coefficient curves of two structures under different wind directions

03

本文采用CFD數(shù)值模擬方法并結(jié)合SST k-ω瑞流模型對(duì)處于不同環(huán)境下的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)洞模擬，對(duì)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在周邊建筑、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地勢(shì)高低以及有無(wú)拱梁四個(gè)外界因素的影響下進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)周邊建筑存在時(shí)，懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自身受風(fēng)荷載作用效果有一定的減弱。當(dāng)建筑物與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沿風(fēng)向夾角成銳角時(shí)，建筑物可以對(duì)風(fēng)荷載起到遮擋效果，降低網(wǎng)殼表面風(fēng)壓，遮擋效果隨著夾角的增大逐漸衰弱；當(dāng)夾角成直角或鈍角時(shí)，周邊建筑對(duì)懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響效果可以忽略不計(jì)；當(dāng)建筑物處于網(wǎng)殼風(fēng)向的正后端時(shí)，雖然也會(huì)對(duì)網(wǎng)殼風(fēng)壓有一定的減弱，但減弱效果不理想。

（2）網(wǎng)殼表面風(fēng)荷載分布在懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生了較大差異。封閉式懸掛網(wǎng)殼較開(kāi)放式懸掛網(wǎng)殼存在更大的風(fēng)壓梯度，在一定程度上可以提高結(jié)構(gòu)承風(fēng)能力，但對(duì)于非規(guī)則網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，在不同的風(fēng)向角風(fēng)荷載的作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)顯示了不同的效果，特定風(fēng)向角風(fēng)載作用下局部區(qū)域可能出現(xiàn)較大負(fù)壓，沒(méi)有規(guī)律可循，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

（3）當(dāng)網(wǎng)殼處于地勢(shì)高低不同的平臺(tái)之上時(shí)，表面風(fēng)荷載的分布趨勢(shì)大致相同，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面受到風(fēng)壓作用的影響最為劇烈。隨著懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所處地勢(shì)高度的增加，其受到風(fēng)壓的影響程度有一定的增幅，10 m平臺(tái)處結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)壓較平地處增大40%，地勢(shì)高低帶來(lái)風(fēng)壓的增加產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)在設(shè)計(jì)時(shí)也要充分考慮。

（4）在懸掛結(jié)構(gòu)中加入拱梁，結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布趨勢(shì)與無(wú)拱梁的懸掛結(jié)構(gòu)基本一致，有拱梁的懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓系數(shù)值相對(duì)于無(wú)拱梁懸掛結(jié)構(gòu)有一定的減小，拱梁的存在對(duì)懸掛網(wǎng)殼表面的風(fēng)荷載起到了遮擋作用。

參考文獻(xiàn)：

• [1]霍林生，趙偉，陳超豪.下?lián)舯┝髯饔孟聠螌忧蛎婢W(wǎng)殼倒塌破壞研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2022，42（02）：354-361+382.
  

• [2]趙仕興，楊姝姮，郭宇航，等.成都市錦城廣場(chǎng)大跨度鋼木組合屋蓋結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].空間結(jié)構(gòu)，2021，27（04）：62-70.
  

• [3]舒贛平，潘睿，王四清，等.張家界馬戲城主館帶懸掛子結(jié)構(gòu)的弦支穹頂屋蓋抗連續(xù)倒塌分析與評(píng)估[J].建筑結(jié)構(gòu)， 2022，52（16）：37-44.
  

• [4] Qiu Ye，He Haiyun，Xu Chen，et al. Aerodynamic optimization design of single-layer spherical domes using kriging surrogate model[J]. Advances in Structural Engineering， 2021，24（10）：2105.
  

• [5] Lu Wei，Wang Junlin，Hua Guo，et al. Wind-induced dynamic collapse analysis of single-layer cylindrical reticulated shells considering roof slabs and support columns [J]. International Journal of Heat and Technology，2020，38 （1）：180-186.
  

• [6]田浦.臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜的研究[C]//第二屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，1988.
  

• [7]石沅，陸威，鐘嚴(yán).上海地區(qū)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)特征研究[C]//第二屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，1988.
  

• [8] Architectural Institute of Japan. AIJ Recommendations for Loads on Building[S]. Tokoy：Architectural Institute of Japan，1996.
  

• [9]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2012 [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.
  

• [10]高富東，潘存云，蔡汶珊，等.基于CFD的螺旋槳敞水性能數(shù)值分析與驗(yàn)證[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（08）：133-139.
  

• [11]黃勝，王超，王詩(shī)洋.不同湍流模型在螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算中的應(yīng)用與比較[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30 （05）：481-485.
  

• [12]殷志祥，侯立陽(yáng).臺(tái)風(fēng)作用下懸掛網(wǎng)殼風(fēng)荷載特性的數(shù)值模擬研究[J].工業(yè)建筑，2015，45（06）：133-136+164.
  

• [13]吳春鵬.非平穩(wěn)非高斯風(fēng)荷載的數(shù)值模擬[D].南昌：華東交通大學(xué)，2016.
  

• [14] Richards P J，Hoxey R P，Short L J. Wind pressures on a 6 m cube[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89（14/15）：1553-1564.
  

• [15] Norbert H?lscher，Hans-Jürgen Niemann. Towards quality assurance for wind tunnel tests：A comparative testing program of the Windechnologische Gesellschaft[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998 （74/76）：599-608.
  

• [16]姚志東.基于數(shù)值模擬方法的大跨度結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的計(jì)算與分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

魏曉剛,法靖宇,楊柳川,等.懸掛網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布的環(huán)境影響因素研究[J].華南地震,2023,(01):1-13.

WEI Xiaogang,FA Jingyu,YANG Liuchuan,et al.Study on Environmental Factors Affecting Wind Pressure Distribution of Suspended Reticulated Shell Structure[J].,2023,(01):1-13.

DOI：10.13512/j.hndz.2023.01.01

基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助（41902266）；中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（194200510015）；河南省高校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃（2021GGJS116）；河南省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究會(huì)研究項(xiàng)目計(jì)劃支持（ULAHN202108）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（202102300964，202102310256，232102320052，232102240027）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（23A440002）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202102600007）。

作者簡(jiǎn)介：魏曉剛（1984-），男，博士，副教授，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)。E-mail：zzxmwxg@163.com
通信作者：李廣慧（1970-），男，博士，二級(jí)教授，研究方向：工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)。E-mail：zzulgh@163.com

文章來(lái)源：華南地震