基于CFD模擬的球面網殼風壓分布分析

張華彤

（河北工程大學土木工程學院 河北邯鄲 056038）

0 前言

由于網殼結構能夠在不增加墻柱的情況下提供大跨度空間，為公共建筑提供了更加廣闊的公共區域，因此，網殼結構在體育館等大型公共建筑中頗受青睞。近年來，CFD數值模擬在抗風研究中逐漸推廣，CFD數值模擬中利用流體計算軟件模擬風場中的實際情況，節約了風洞試驗產生的經濟成本和時間成本，便于對多個結構進行風場模擬。

1 常用參數及分析方法

1.1 常用參數

風壓分布模擬中通常通過風壓系數表示網殼表面風壓分布情況，計算公式如下：

其中：Cpi-平均風壓系數；pi-表面測點風壓；p∞-結構遠前方上游參考點風壓；ρ-空氣密度；v-參考高度處平均風速。

1.2 分析方法與流程

CFD模擬分析的基本流程主要包括確定計算域及建立模型、劃分網格、設置邊界條件、計算求解。本文CFD模擬中設流場中結果為剛性模型，分析中有以下幾點需要注意：

（1）為保證結構周圍空氣流動的需要，流場計算域中阻塞率小于3%。由于建筑背風面空氣會產生較長的尾流，通常將模型置于流場前部1/3處。

（2）化分網格的網格質量系數應介于0～1之間，越接近1質量越好，不允許出現負值。

（3）流場中邊界條件的設定，本文設流場入口邊界條件為風速入口，利用UDF文件根據隨高度變化的指數風剖面設置風速條件，取天津塘沽地區10m高處平均風速v=30m/s，地面粗糙度為C類，地面粗糙度指數 α=0.22。

2 單層球面網殼表面風壓分布

2.1 網殼表面風壓分布模擬

對三個不同尺寸網殼進行模擬，得到網殼表面風壓并計算表面平均風壓系數。跨度90m，矢跨比1/3的網殼計算結果如圖1所示。跨度90m，矢跨比1/6網殼計算結果如圖2所示。跨度30m，矢跨比1/6網殼的計算結果如圖3所示。

2.2 風壓模擬結果分析

由圖1～圖3數據可知，網殼在風荷載作用下受力最大的不利區域位于網殼頂部。在網殼矢跨比及網殼跨度變化的情況下，網殼表面風壓分布發生改變。

圖1 跨度90m矢跨比1/3網殼

圖2 跨度90m矢跨比1/6網殼

圖3 跨度30m矢跨比1/6網殼

對比跨度為90m，矢跨比分別為1/3和1/6的單層球面網殼的計算結果可以發現，跨度相同矢跨比減小時，作用在網殼表面的風吸力和風壓力同時減小，網殼頂部危險區域的風壓系數由-1.2變為-0.9，但網殼表面負風壓分布區域增大，當網殼矢跨比較小時網殼表面以負壓區為主。對比矢跨比同樣為1/6，跨度分別為90m和30m的單層球面網殼計算結果可以發現，網殼表面基本為負壓區，可見矢跨比相同的情況下網殼表面風壓變化規律基本相同。當網殼跨度減小時，網殼表面風壓略有減小。

3 結論

本文通過分析主要得出以下幾點結論：

（1）風荷載作用下，單層球面網殼受力最大的最不利區域位于網殼頂部，在實際工程中對網殼進行抗風設計時應當重視網殼頂部的受力情況。

（2）改變網殼跨度、矢跨比時網殼風壓分布發生改變，結構設計中應根據網殼具體跨度和矢跨比進行受力分析。