折疊網殼結構在不同參數影響下表面風壓分布系數規律研究

黃政 顏衛亨

1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津300074

2.長安大學建筑工程學院 西安710061

引言

折疊結構具有展開折疊方便快捷、機動性強等特點，是一種新型結構體系，在民用及軍事領域得到廣泛應用。此類結構對風雪荷載效應較為敏感，故風荷載計算往往是設計的控制工況之一。對于此類折疊網殼結構表面平均風壓系數分布已有研究做了不少工作［1-4］，但對于其在不同參數影響下缺乏系統而全面的平均風壓系數分布規律研究?；诖?，本文在不同風速、風向角、結構單元長度、端門傾角影響下，研究其在各種不同工況條件下表面平均風壓系數的分布規律，為此類結構形態優化和研發新型折疊體系提供理論依據。

1CFD計算模型和參數

本文以長度為18.93m、寬度為10.6m、高度為5.63m 的折疊網殼結構［1］為研究對象（圖1）。文獻［2］完成了該結構在A 類地貌粗糙度類別下不同風向角、不同風速下的風洞測壓試驗，如圖2 所示。

圖1 折疊網殼結構外觀與骨架Fig.1 External appearance and skeleton figure of folding shell structure

圖2 風向角和結構分區的規定Fig.2 Provisions of wind direction and structure zoning

近地面風場的控制方程為Navier-Stokes 方程。理論上直接數值模擬的方法可以精確地描述流體中所有尺度的湍流和流場特性的變化，工程上常采用對Navier-Stokes方程平均的方法來計算流體的湍流流動：

2 不同參數對風壓分布影響分析

2.1 風場影響分析

1.不同風速影響分析

從圖3 可以看出，在相同風向角不同風速下，盡管三種風速變化范圍較大，但由CFD 數值計算所得各分區平均風壓系數總體上均非常接近。如在0°風向角下，三種不同風速下平均風壓系數相差最大的區域發生在B1 區，分別為-0.64、-0.69 和- 0.76，極值偏差為18%，而其他各區的平均風壓系數偏差均在9%以內；由此可知，風速對平均風壓系數分布規律的影響并沒有使折疊網殼結構表面風壓分布出現差異性，其影響可以忽略不計。

圖3 風速對平均風壓系數的影響Fig.3 Influence of wind speed to average wind pressure coefficient

2.不同風向角影響分析

在A類地貌風速為20m／s條件下，風向角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下對其表面分區平均風壓系數進行CFD 數值計算分析，計算結果如圖4 所示。

圖4 風向角對平均風壓系數的影響Fig.4 Influence of wind direction to average wind pressure coefficient

由圖4 可見，隨著結構所處風場中風向角的變化，其表面各分區平均風壓系數取值起伏較大，并出現正負值不一樣的震蕩情況。如A5 區，在0°風向角，其取值為-0.64，而45°風向角，其取值變為0.71，當90°風向角，其取值再次減小為0.12；始終處于背風面或側風面的A1、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4 區均承受風的吸力作用；通過以上分析可知，風向角對平均風壓系數分布規律起著控制作用，而其關鍵控制風向角工況為0°、45°、90°。

2.2 結構體型變化影響分析

在滿足折疊網殼結構使用功能要求的同時，改變折疊網殼的主體拱結構長度L和端門截面傾角α，結構尺寸如圖5 所示。對其在0°、45°、90°風向角下平均風壓系數的分布規律進行探討。

圖5 結構形狀尺寸Fig.5 The structure shape and size

1.結構單元長度變化影響分析

折疊網殼結構初始形態尺寸為L＝11.424m、B＝10.6m、H＝5.63m、L0＝3.753m、α ＝56°，保證結構寬度B、高度H、端門長L0和端門截面傾角α不變，改變拱結構長度L，分別對主體拱結構增加2、4、6、8 個拱肋子（單個拱肋子的長度為1.428m）共4 種工況下平均風壓系數分布規律進行研究。

由圖6 可知，在0°風向角工況條件下，主體拱結構長度L（拱肋子由2 個增加到8 個）變化，A區平均風壓系數的取值基本沒有出現差異性。B區平均風壓系數隨著結構拱肋子的增加逐漸減小，但當主體結構拱肋子由6 個增至8 個時，B區平均風壓系數的取值不再減小，說明隨著主體結構拱肋子的增加并不能一直減小B區平均風壓系數的取值。除C1 和C5 區外，隨著主體結構拱肋子的增加，C區平均風壓系數的取值基本沒有出現差異性。在45°風向角工況條件下，結構表面各分區平均風壓系數的取值并沒有呈現出0°風向角條件下較為規律性的變化，隨著主體結構拱肋子的增加，A4、A5、B1、B5、B6 各分區的平均風壓系數基本保持不變，其余各分區的平均風壓系數的取值均出現不同程度的起伏，如在A1、A2、A3、B3、B4、C4、C5 等區域平均風壓系數出現極值，說明主體結構拱肋子的增加將導致平均風壓系數的取值明顯增大。在90°風向角工況條件下，隨著主體結構拱肋子的增加，結構表面各分區平均風壓系數的取值均出現不同程度的增加，尤其在A3、A4、B1 ～B4、C1 ～C5 等區域平均風壓系數顯著增加，如A4 區由-1.03 增至-1.06，再增至-1.19，最后增至-1.20。通過以上分析可知，主體結構拱肋子增加對結構平均風壓系數分布規律起著控制作用，并且隨著主體結構拱肋子的增加將導致結構表面部分區域的平均風壓系數取值顯著增大。

圖6 結構單元長度對平均風壓系數的影響Fig.6 Influence of structure length to average wind pressure coefficient

2.端門傾角變化影響分析

在滿足折疊網殼結構使用功能和排水要求的條件下，同時考慮減弱端門處兜雪效應等要求，保證主體拱結構長度L和寬度B不變，通過改變結構的端門截面傾角α的變化，分別對端門截面傾角α為30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°共9 種工況下平均風壓系數分布規律進行研究。

由圖7 可知，在風向角為0°工況條件下，折疊網殼結構端門傾角由30°增加到60°時，A1 和A5 區平均風壓系數的取值基本沒有變化，承受風的吸力作用，但在端門傾角為65°和70°時，A1 和A5 區平均風壓系數的取值由負值變為正值，承受風的壓力作用，如A1 區由-0.35 變化至0.35。而B區平均風壓系數的取值均為負值。當端門傾角增加到65°和70°時，C區平均風壓系數的取值表現出一定的起伏性。在風向角為45°和90°工況條件下，隨著端門傾角的增加，平均風壓系數的取值呈現出相同的變化趨勢，沒有出現明顯的波動。僅在風向角為45°時，A5 和B6區平均風壓系數的取值出現正負值不一樣震蕩情況。對于折疊網殼結構承受風吸力作用的區域，平均風壓系數取值的變化規律隨著端門傾角的增加逐漸減小。對于折疊網殼結構承受風壓力作用的區域，平均風壓系數取值的變化規律隨著端門傾角的增加逐漸增大。但在風向角為90°時，其變化規律則相反。

圖7 端門傾角對平均風壓系數的影響Fig.7 Influence of side door angle to average wind pressure coefficient

圖8 進一步給出了在風向角為0°時，端門傾角為30° ～70°結構表面平均風壓系數分布云圖，同樣可以得出，對于折疊網殼結構A 區域，隨著端門傾角的增加，平均風壓系數取值絕對值呈現出逐漸增加的趨勢，并且取值出現正負值不一樣震蕩情況。對于B 區域，當端門傾角為30°時，平均風壓系數的取值最小。而對于C 區域，平均風壓系數取值出現顯著的起伏性。通過以上分析可知，端門傾角對折疊網殼結構平均風壓系數分布規律起著控制作用，且在不同風向角工況條件下，通過改變端門傾角將導致平均風壓系數的取值分布規律出現顯著起伏的情況。

圖8 0°風向角下不同端門傾角表面平均風壓系數分布Fig.8 Distribution of the surface average wind pressure coefficient with different side door angle under 0° wind direction

3 結論

本文結合已有折疊網殼結構的研究成果，對其在風速、風向角、結構單元長度、端門傾角不同參數影響下，表面分區平均風壓系數分布規律進行了系統研究，相對于折疊網殼結構初始形態，這對研發新型折疊網殼結構具有非常重要的理論和應用價值。相關研究工作得出以下結論：

1.除風速外，風向角、結構單元長度、端門傾角均是影響折疊網殼結構表面平均風壓系數分布規律的關鍵參數。

2.主體結構拱肋子的增加，折疊網殼結構各分區平均風壓系數的取值將明顯增加，使用時可以根據要求，適當擴展結構單元長度，但要做好抗風措施。

3.折疊網殼結構端門傾角是影響結構形狀優化的關鍵因素，為滿足結構的排水和使用功能的要求，優化結構的端門傾角可以使其表面風壓分布趨于均勻，有效地降低結構的風致響應。