椭圆形高层建筑风荷载研究

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近几年来,由于新技术和新材料的不断涌现,高层及超高层建筑得到了快速的发展。建筑结构不仅越来越高,而且越来越奇异,不再是规矩的矩形,而引入了很多弧形元素,特别是塔楼式的建筑,越来越多的采用圆形截面、椭圆形截面或是稍微经过变形的椭圆形截面。规范中对圆形截面建筑结构风荷载的各种参数做了详细的说明,但对于椭圆形截面建筑风荷载并没有给出相应的参考,需要通过风洞试验或是数值风洞模拟得到。本文在数值风洞模拟的基础上对椭圆形截面建筑结构的风荷载进行模拟和分析,为此种体型结构的设计提供了合理的风荷载参数,对数值风洞的广泛应用起到了促进作用。  首先,利用通用的流体计算软件FLUENT对不同长短轴之比的椭圆形高层建筑进行了数值风洞模拟,经CFD-POST的数据处理得到了不同长短轴之比的椭圆形高层建筑局部体型系数分布的规律、负压区面积占总面积的比例以及相应的阻力系数,为此种体型结构的抗风研究和工程设计提供参考。  然后,结合工程实例,采用新旧中国荷载规范及频域计算方法对顺风向风振响应进行了计算和比较,频域计算结果偏大,新旧中国荷载规范计算结果相差不大,只是形式有所改变。并且基于ANSYS Workbench平台利用system coupling模块考虑风与结构之间的耦合作用,得到考虑风与结构耦合作用的位移,并与现行规范计算的位移进行了比较。  最后,模拟了圆柱绕流的经典问题,并将升力系数、斯托罗哈数与国外风洞试验及数值模拟结果进行了对比,验证了此次数值模拟的正确性。以此为基础,对椭圆形截面短轴迎风及长轴迎风分别进行了数值风洞模拟的非稳态计算,得到了相应的横风向气动参数,计算了仅考虑涡激共振的结构横风向位移,并与结构顺风向位移进行了比较,为此种体型结构的横风向风荷载的计算提供参考。
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