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现今体育场悬挑屋盖结构大多数以密集桁架作为受力结构,密集桁架大多数位于屋盖下方紧靠支撑屋面,对屋面周围的风流场影响较大。由于桁架结构相对主结构来说尺寸过小,在风洞实验中缩尺后的模型常做较大缩尺近似,甚至有时不予考虑桁架;在数值风洞模拟的过程中,直接对桁架建立数值模型会对几何建模带来极大的困难,网格数量更是会给计算时间和资源带来工程应用上难以忍受的代价,因此在计算风工程中迫切需要一种新的方法来实现对桁架因素的考虑。
子域法就正好符合这一需求,子域法是以能量等效的思想,采用多孔体子域方法考虑密集桁架对悬挑屋盖平均风压的影响。经过已有初步研究的验证,精度上较无桁架模型已有较大的提高,然而目前的研究仅仅针对屋盖之上的密集桁架对屋盖结构的影响,对工程中常见的桁架结构在屋盖下方的工况未能加以考虑,此外对子域截面类型、桁架迎风阻力系数和子域单位体积迎风面积这三个影响非常重要的因素并没有作准确深入的研究和分析,这也表明子域法在计算精度上还有很大的提升空间。
本文就从这几个方面入手,详细分析悬挑屋盖下方的桁架对屋盖上下表面平均风压的影响,对子域法的重要参数进行精确求解,并对子域法在屋盖下方桁架模拟应用的精度进行了验证。
首先,本文针对子域法所用空间桁架相关参数进行研究,通过对等边倒三角形空间桁架的三维立体建模和数值模拟计算,求解0度、15度、30度、45度、60度、75度和90度7个风向下的迎风阻力系数和迎风升力系数,并通过不同长度的空间桁架迎风阻力系数的比较,来分析桁架的长度对迎风阻力系数的影响。
然后,对工程中常见的位于屋盖下方的空间桁架结构进行分析,空间桁架结构选取等边倒三角形,通过前缘空间桁架悬挑屋盖看台模型、后缘空间桁架悬挑屋盖看台模型与无桁架空间悬挑屋盖看台模型计算结果的对比,从屋盖表面平均风压系数等高线图和屋面分区压力表等方面详细的分析桁架对屋面平均风压的影响。
在得到空间桁架对单侧悬挑屋盖平均风压的影响规律后,分析空间桁架对周围湍动能的影响,由此来确定替换桁架的子域截面形状,进而计算单位体积子域的迎风面积,应用之前求得的迎风阻力系数进行子域法模型求解,将求得的前缘子域悬挑屋盖看台模型、后缘子域悬挑屋盖看台模型结果分别与无桁架悬挑看台模型和空间桁架悬挑看台模型比较,来验证子域法模拟屋盖下方空间桁架对屋面平均风压影响上的精度。
选择单侧大跨悬挑屋盖实际工程项目—湖南益阳体育中心体育场进行子域法求解计算,通过与无桁架模型数值模拟和风洞实验结果进行对比,验证子域法在实际工程中的精度。
最后,关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。