“花”形钢结构装饰的风荷载特性研究

罗永坤 游 瑶

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610000)



“花”形钢结构装饰的风荷载特性研究

罗永坤 游 瑶*

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610000)

结合工程实例，分别考虑有无周围建筑物的情况，对12个风向角做了CFD稳态分析与有限元动力分析，并对其顺风、横风，以及竖向力和各级模态的周期与振型做了对比，得出了周围建筑物对异形钢结构装饰风致响应的影响特征。

钢结构，数值模拟，体形系数，风场

0 引言

随着科学技术的飞跃发展，许多造型新颖、极具现代感的空间结构不断的涌现，如国家体育馆、国家游泳中心“水立方”、上海世博轴“阳光谷”等。这类结构一般跨度大、阻尼小、柔性大，是典型的风敏感结构，风荷载是其设计的主要控制荷载之一，加之其风荷载的特殊性，在相关设计规范[1]中亦难以找到相关的参考意见或规定，因此一般需要进行专门的抗风设计研究。如顾志清，王曙光，杜东升等[2]对常州东经120主题公园景观塔进行了顺风向风振分析；卢占斌，魏庆鼎，王安武等[3]对天津港保的标志建筑物龙脊风帆模型做了气动特性风洞实验，这些研究均各有特点，而本文的“花”形钢结构其风荷载特性亦别具一格。如图1所示结构，宛如一朵美丽的喇叭花优雅地盛开在城市广场的夜空，而它是否能禁得住大风的侵袭，则有待于以下的研究分析。

该“花”形雕塑高31 m，由28根“脚”柱与地面固结，柱间距0.28 m左右；内部分为5层，每层高约4 m～5 m，每层有17个～18个约束与建筑物铰接；顶部花瓣直径可达41 m，边缘由9根钢绞线拉锁拉结，使其固接在建筑物顶部的混凝土柱顶部；其结构骨架仅由厚度在8 mm～10 mm的钢管组成。可见其兼具高耸结构、大跨空间结构的特点：针对高耸结构因高、轻、柔而使其具有风敏感的特性，张相庭、蒋洪平等[4,5]做了在脉动风压下高耸结构的风振响应的探讨，提出了用振型分解法求解顺风风振系数的理论，指出横风向振动不容忽视；针对大跨空间结构轻、柔、小阻尼且多是超静定结构，风振响应时常常有多阶振型参与，可能存在高阶振型成为主导振型的特点，楼文娟、孙炳楠等[6-8]采用气弹模型试验对大跨越输电塔的风振响应进行了研究；但难以在前述文献中找到具有与“花”形钢相似风荷载特性的结构，所以本文对这种特殊结构的安全性进行了研究。

1 数值风洞模拟

1.1 风向角分布和选定计算域

分别考虑有、无周围建筑物影响的整体结构进行数值模拟，风向角和建筑物的相对位置见图2。计算域见图3，对周围有建筑物对流干扰时取2 346 m×1 432 m×350 m(长×宽×高)；对周围无建筑物对流场干扰时，取1 200 m×800 m×200 m(长×宽×高)。

1.2 网格划分以及参数设置

经过对12个不同风向角的模型统计，科技馆网格数量大约为142 万/个，最小网格尺度1 m，位于大伞装饰结构表面，周围建筑表面网格尺度取为3.5 m，靠近大伞结构的部分建筑表面，考虑到网格过渡，网格尺度取为2.5 m，计算流域最大网格尺度约69 m，位于流场出口位置附近(见图4，图5)。

1.3 流场分析

由图2预测：在风向角度270°～345°时对于周围有建筑的情况，由于周围空气受到建筑物的阻挡只能从“花”形钢结构的周围通过，因此对其作用有增大的趋势。通过对流线分布图的分析，此处仅分析315°风向下有、无建筑物时的流线分布，可知周围有建筑物时，周围空气受到建筑物的阻挡，以至其在空隙处有流线明显加密的趋势；对比有、无建筑物时的流线分布可见绕过“花”形钢结构的流体在被下部建筑遮挡时有明显上涌的趋势，并因此预测其有建筑物时会对“花”形结构在顺风向和竖直方向有着不利的影响。

1.4 稳态结果对比分析

对12个风向角下，有、无周围建筑物的情况，在CFX里做了稳态数值计算，得到其各个风向角下的合力值，并做出如图6～图8所示的对比。

由图6～图8稳态分析结果可知，顺风向、横风向、竖直方向其周围建筑物都会对风场有所干扰，从而体现出风对结构物的各个方向的合力也大有不同，尤其在顺风向和竖直方向，在270°～345°风向角度之间时，周围有建筑物时的合力明显高于周围没有建筑物时的合力，在这与上述风场表现一致。

2 模态分析

分别对有建筑物和无建筑物的两种情况下建立有限元模型，通过对结构进行模态分析，得到了两种情况下结构的前300阶振型的变化规律，图9将第1阶、第11阶振型作为对比，其中A，B分别代表为周围有、无建筑物时“花”形钢结构的自振模态，此处由于篇幅有限就不一一图例。

从自振模态来看，无论有无周围建筑物时，“花”形钢结构其上部悬挑边缘都是振动活跃的位置，因此应该重点考虑其风荷载作用下可能会发生比较强烈的风致振动；而改变结构的下部构造也有改变结构的振型，使得参与质量大的振型提前出现。

3 平均风压系数计算

由于此结构风压分布呈现出典型的空间结构特点，逐一精确统计每一个受风面积的风压是十分困难耗时的过程，工程中常采用把某个方向的总受风荷载均摊到建筑物总表面积的方法求出建筑物的平均风压系数，见表1。由于上数值风洞计算结构没有考虑风振系数的影响，所以由绕钝体建筑物流动规律和建筑物表面风荷载与风压系数的关系得[9]：

(1)

其中，Pi为i风向角的风荷载标准值；μis为i风向角的平均风压系数；ρ为空气密度，这里取1.225 kg/m3；v为10 m处的平均风速，这里取22.1 m/s；A为结构的总表面积，这里由Rhino统计得有建筑物时为1 859.38 m2，无建筑物时为1 935.63 m2，上部悬挑结构的面积为1 068.75 m2。

表1 各个风向角下平均风压系数

由图10可知，周围建筑物的存在对结构在270°～345°风向角度之间的风压系数有很大的影响，特别是对竖直风向的影响更大；而在周围无建筑物时，结构各个风向角下的风压系数相差不大，这与上述风场表现及合力影响均一致。

4 风振系数研究

4.1 脉动风速时程模拟

采用谱密度不随高度变化的Davenport谱对顺风向风速时程进行模拟，它是Davenport根据世界上不同地点、不同高度测得的90多次强风记录提出的经验公式：

(2)

(3)

根据以上数据模拟了该“花”形结构处200 s内的水平风速时程，如图11所示。

4.2 动力时程分析

建立有限元模型如图12所示(315°风向角)。

利用表1中各个风向角下的平均风压系数结合式(1)以及脉动风速时程数据可以得到各个风向角下的风荷载时程，再把此风荷载均摊到有限元模型的节点上，即可得到各个风向角的节点的风荷载时程。然后进行动力分析，并输出响应结果。如图13所示，是315°风向角，水平方向(x向)的位移时程。

4.3 风振系数分析

对该结构的某些比较典型的风向角进行动力时程分析，结合式(4)和式(5)即可得到对应风向角的风振系数：

(4)

(5)

由图14可知周围有建筑物时，在风向角100°～200°之间有比较明显的降低脉动风的作用，降低风振响应的功能。

5 结语

1)周围有建筑物时，在个别风向角度会对风场产生干扰：在270°～345°时干扰风场对顺风向和竖直风向的均匀风压有着明显的加强作用，在100°～200°时对其脉动风起到减弱的作用。

2)周围有建筑物时，风场受到周围建筑的干扰，使得绕“花”形钢结构的涡旋脱落受到周围建筑的控制，降低了其发生涡激共振的可能。

[1]GB50009—2012，建筑抗震设计规范[S].

[2] 顾志清，王曙光，杜东升.常州东经120主题公园景观塔风场模拟及风振分析[J].建筑科学，2011(S2):1-5.

[3] 卢占斌，魏庆鼎，王安武.龙脊风帆模型气动特性风洞实验[J].流体力学实验与测量，2001(12):1007-3124.

[4] 蒋洪平，张相庭.变截面高耸结构的横向风振研究[J].振动与冲击，1994(5):1-9.

[5] 张相庭.在脉动风压下结构风振系数的探讨[J].同济大学学报，1978(8):1-12.

[6] 楼文娟，孙炳楠，唐锦春.高耸格构式结构风振数值分析及风洞试验[J].振动工程学报，1996，9(3):318-322.

[7] 楼文娟，孙炳楠，叶 尹.高耸塔架横风向动力风效应[J].土木工程学报，1999，32(6):61-71.

[8] 程志军，付国宏，楼文娟,等.高耸格构式塔架风荷载试验研究[J].实验力学，2000，15(1):51-55.

[9] 黄本才，汪从军.结构抗风分析原理及应用[M].第2版.上海:同济大学出版社，2008:1-437.

[10] 王修琼，崔剑锋.Davenport谱中系数k的计算公式及其工程应用[J].同济大学学报，2002(7):253-374.

[11]Davenport.A.G.Noteonthedistributionofthelargestvalueofarandomfunctionwithapplicationtogustloading[J].ProceedingoftheInstitutionCivilEngineers,1961,28(2):187-196.

Windloadcharacteristicsof“flower”-shapedsteeldecoration

LuoYongkunYouYao*

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610000,China)

The CFD steady state analyses of 12 wind direction angles were carried out both with the existence and absence of the surrounding buildings in a practical engineering. The comparison of the response of special-shaped spatial structure under the situation of downwind force， crosswind force， lift force， the period and vibration mode of each mode were made in this paper, obtained the influence of the surrounding buildings on the wind-induced response of the special-shaped spatial structure.

steel structure, numerical simulation, shape coefficient, wind field

1009-6825(2016)34-0042-03

2016-09-25

罗永坤(1965- )，男，硕士，副教授

游 瑶(1992- )，女，在读硕士

TU391

A